光纖互感器與行波故障測距是電力系統中兩類重要的先進測量技術，這兩類系統均需要對高速變化的信號進行精確采樣、實時處理并實現裝置間高精度時間同步。FPGA憑借其硬件并行處理能力和確定性時序在其中發揮關鍵作用：從控制高速ADC采樣和相位調制器驅動，到實現數字解調、行波檢測算法，再到高精度時間戳和網絡通信，FPGA構成了光纖互感器和行波測距裝置的核心組件。目前學術界和工業界的眾多案例表明，在這些應用中引入FPGA能夠大幅提升測量的實時性和準確性，為電力系統提供更加智能可靠的監測與保護手段。

一、系統功能概述

1、光纖互感器工作原理與架構

光纖互感器（Fiber Optic Current Transformer,FOCT）是一種利用法拉第磁光效應（測量電流）或逆壓電效應（測量電壓）等光學原理，通過光纖傳輸和轉換被測電量信號的新型傳感器，用以代替傳統電磁式互感器，具有絕緣性能好、抗干擾強、體積小、動態范圍大、響應快等顯著優勢，廣泛應用于電力系統的高壓測量和保護。光纖互感器信號處理單元通常包含高速模數轉換和FPGA數字平臺，對探測器輸出進行解調計算得到電流值，并通過合并單元接口發送數字化輸出（如圖1）。

圖1光纖電流互感器電氣采集回路結構示意圖[1]

2、行波測距系統工作原理與架構

行波測距測試儀廣泛應用于電力系統的故障排查和定位中，利用輸電線路故障產生的高頻暫態行波來定位故障點的位置，特別是在高壓輸電線路、變電站等關鍵設備的故障檢測中發揮著重要作用。行波傳感器可采用寬帶羅氏線圈等非傳統互感器，夾裝于一次線路以感應暫態電流或電壓行波。現場采集裝置一般安裝在各相關變電站，由高速ADC和FPGA等組成行波數據采集單元，實時捕捉暫態行波信號并記錄行波到達時間戳。各采集單元通過同步授時系統（如GPS/北斗授時）達到亞微秒級同步，并將數據經網絡發送至后臺主站。主站在匯集兩端或多端行波時標后，利用行波傳播時差或一端波形特征計算故障距離，并顯示線路拓撲及測距結果等（如圖2）。

圖2行波測距系統結構示意圖[2]

二、FPGA在系統中的關鍵功能角色

FPGA在光纖互感器和行波測距系統中承擔多項核心功能，其并行高速處理能力是實現精確測量和實時通信的關鍵，主要包括以下5點：

1、高速采樣與精密控制

FPGA負責控制高速A/D轉換器按要求采樣。對于行波測距，要求MHz量級高速同步采樣以捕捉行波細節。例如某行波裝置采用FPGA實現5ns間隔采樣（200MHz等效頻率）來保證不漏采任何暫態信號[3]。FPGA內部精確的時序控制還用于產生光纖互感器相位調制器的驅動信號，實現對偏振光的調制/解調閉環控制[1]。這種精密時序邏輯保證了對傳感頭的穩定激勵和對弱光信號的同步檢測。

2、數字解調與信號處理

光纖互感器的輸出信號常包含載波調制成分，需要通過數字解調提取工頻電流量。FPGA可以實現鎖相放大、傅里葉變換、數字濾波等算法，對光強信號進行相干解調和濾波處理。例如有研究在FPGA中植入數字FIR濾波器和DFT/IP核，對采樣數據進行諧波提取與濾波計算[3]。對于行波測距，FPGA可實現小波變換或突變邊沿檢測算法，以準確識別行波波頭的到達時間。相比軟件算法，FPGA硬件實現具有低延遲和并行處理優勢，可同時處理多通道信號并實時提取暫態特征。

3、高精度時間戳與同步

行波法定位高度依賴兩端測量的時間同步精度。FPGA內部的硬件計時器可以在行波波頭被檢測到的瞬間打上高精度時間戳。例如某子站裝置采用FPGA記錄行波到達時刻，結合GPS授時實現了0.1微秒量級的對時誤差。FPGA的高速邏輯確保行波觸發延遲小于數十納秒級[3]。在光纖互感器的數字合并單元中，FPGA也負責對同步時鐘（PPS、IRIG-B或IEEE1588信號）進行處理，對采樣值附加統一的時間標簽，保證不同設備間數據同步[4]。

4、協議封裝與網絡通信

FPGA常用于實現采樣數據到標準報文的封裝，加快裝置通信速率。在數字化變電站中，電子式互感器需將多路采樣值打包成采樣值報文并以網絡發送[4]。FPGA的并行處理允許對多路數據進行同時打包和CRC校驗，提高報文發送效率。一些智能合并單元直接在FPGA內置以太網MAC或PCIe接口，實現高速數據輸出。例如南瑞科技研制的合并單元裝置中，重點實現了FPGA對采樣、9-2報文處理、1588對時等功能的支持[4]。對于行波測距子站，FPGA將記錄的行波時間標簽和幅值等信息打包，通過以太網或同步數字網接口發送到主站進行定位計算[5]。

5、其他嵌入式功能

FPGA還可擔負裝置內部的協調控制功能。例如實現掉電數據保護、裝置自檢監測，以及與嵌入式處理器之間的高速通信接口等[1]。在一些實現中，FPGA內部集成了軟核CPU（如Nios II或MicroBlaze）用于管理非實時任務，實現SoC單芯片解決方案[3]。總體而言，FPGA作為可編程硬件平臺，在上述采集、處理、對時、通信各環節提供了高可靠的實現手段，是光纖互感器和行波測距裝置的核心“大腦”。

三、基于FPGA實現的設計案例

已有多種基于FPGA的實現方案驗證了上述技術可行性，相關研究如下：

1、全光纖電流互感器控制系統設計

該研究設計了以FPGA為核心的全光纖電流互感器（FOCT）控制系統，實現對光纖傳感頭信號的高速采樣和閉環數字解調。通過在FPGA中引入二次補償算法糾正2π偏置誤差，該系統將600A電流下的比差控制在0.1%以內，達到了IEC60044-8規定的0.2級精度[6]。

2、基于FPGA的多通道光纖和OpenMV通信電壓單元控制器

該研究開發了FPGA驅動的多通道光纖電壓采集控制器。該系統采用一片FPGA同時連接多路光纖電壓傳感器及高速模數轉換單元，并融合OpenMV模塊等多種通信接口，實現對各通道電壓信號的實時并行采集和遠程傳輸，在提高數據吞吐量的同時確保了系統的可靠性和同步性[7]。

3、基于FPGA的光纖傳感信號監測系統

該研究將故障電流、電壓信號的實時特征提取和機器學習模型部署在FPGA上，通過并行硬件加速實現快速精準的故障分類。相較傳統基于CPU的軟件算法，該FPGA方案大幅降低了檢測延遲，展示了在配電網保護中應用邊緣AI的潛力[8]。

4、基于FPGA的單端行波故障測距系統

該研究針對現有的10kV輸電線單端行波故障測距理論,提出了一種基于FPGA芯片的軟硬件實現方案。采用FPGA自頂向下模塊化思想,設計了行波故障測距系統,采用AD7356進行高速數據采集,通過改進的凱倫鮑爾矩陣進行相模變換,用FIR濾波器IP核進行小波變換求模極大值,最后根據模極大值的極性選擇測距公式計算故障距離。通過時序仿真和板級測試表明,該方案設計時序穩定,且定位精度高、實時性強[9]。

四、FPGA應用優勢、挑戰與發展趨勢

1、常用架構形式

根據不同應用需求，業界形成了幾種典型的FPGA系統架構。一種是純FPGA方案，即由FPGA獨立完成采樣、算法和通信任務。例如早期一些數字合并單元采用單片FPGA處理全部流程，其響應速度快但開發調試相對復雜。第二種是FPGA+微處理器協同，即采用FPGA承擔前端高速采樣和關鍵算法，采用MCU或嵌入式CPU處理配置、人機和網絡協議等非實時任務。這種“軟硬結合”提高了系統的易用性，許繼FOCT等均采用此架構。第三種是SoC級FPGA，即使用帶嵌入處理器的可編程片上系統（如Xilinx Zynq、Intel SoC FPGA），將ARM處理器和FPGA邏輯融合在一顆芯片內。SoC架構兼具高性能和高集成度，利于體積受限或需復雜通信的場合，如分布式配電終端等。還有一種模塊化方案用于大規模測控系統，例如行波測距裝置將模擬采集板、高速FPGA板、CPU通訊板、授時板等按功能模塊化，既強隔離又便于擴展。

2、FPGA應用優勢

FPGA在光纖互感器與行波測距系統中的成功應用，源自其獨特的技術優勢。

（1）FPGA具備高度并行的硬件架構，可同時處理多通道高速信號并執行復雜算法，保證系統在亞微秒級完成采樣值處理和響應，這是傳統CPU/DSP難以實現的。其次，FPGA具有確定性的實時性能，時序可精確控制到納秒級，從而滿足行波測距對極高同步精度和觸發響應速度的要求。

（2）FPGA的可編程邏輯允許根據標準演進和項目需求升級功能模塊，例如可以方便地增加數字濾波器、壓縮算法或更換通信協議，而無需更改硬件電路。

（3）FPGA集成大量IP核資源，使開發者能快捷地構建ADC接口、DSP運算、通信接口等功能單元，在保障系統可靠性的前提下縮短開發周期。

（4）由于省去了許多離散元件，FPGA方案通常能降低整體體積和功耗，并提高抗電磁干擾能力——這些特性對高電壓現場的傳感測控裝置尤為重要。

3、當前挑戰

雖然FPGA表現出諸多優勢，但在實際應用中仍面臨一些挑戰和改進方向，主要分為4點：

（1）對于光纖互感器，長期穩定性和環境適應性是主要挑戰之一。光纖傳感頭易受溫度、應力影響而產生漂移，需要FPGA實現更復雜的補償算法和自校準機制，這增加了開發難度。同時，目前部分光纖互感器在高壓現場運行可靠性仍需大量數據驗證，如何充分利用FPGA的計算冗余實現故障自診斷與容錯，也是研發方向之一。

（2）對于行波測距系統，挑戰在于更高的采樣率與帶寬需求。隨著特高壓線路和高速開關設備的發展，行波頻帶可能擴展至數MHz以上，FPGA需要配合更高速的ADC和存儲接口，同時保證實時處理不丟幀。此外，在多終端行波定位中，不同裝置間需要更精細的同步（目標誤差<0.1μs甚至納秒級），這對FPGA實現1588對時或白光同步提出了更高要求。標準與兼容性方面，IEC 61850等標準持續更新，FPGA實現需要跟進適配，例如未來過程總線可能引入TSN（時間敏感網絡）技術確保報文低時延高可靠，這也需要FPGA增加相應支持。

（3）FPGA正面臨來自高性能MCU的潛在替代壓力。隨著高性能MCU的發展，對于采樣率和實時性要求不高的一些配電監測設備，高端MCU方案可能已經足以勝任，且開發調試相對簡便。

（4）供應鏈安全挑戰。國際高端FPGA供應緊張促使關鍵設備必須考慮國產替代方案，目前國產FPGA在高速SERDES、超大規模資源方面與頂尖產品仍有差距，因此在高帶寬行波裝置等應用上如何權衡性能與自主可控，也是業界關注的問題。

4、發展趨勢

展望未來，FPGA在電力傳感測距領域將沿著更高性能和更智能化方向發展。一方面，新一代FPGA將提供更高速度和精度：例如更高速的ADC接口（數十至上百MS/s）、內置更精密的PLL和時間戳單元，從而實現更高分辨率的行波定位和更高精度的光纖傳感。另一方面，FPGA的系統集成度將進一步提高，可能出現集成光電轉換、ADC、CPU于一體的定制SoC，簡化光纖互感器和測距終端的結構。

與此同時，人工智能技術的引入是值得關注的趨勢，將來FPGA可以部署機器學習算法用于識別故障行波模式、濾除干擾波形，提高測距算法的魯棒性。此外，在數字電網架構下，FPGA有望作為邊緣計算節點，實現本地保護與測距協同——例如在保護裝置中嵌入行波測距FPGA模塊，實現故障定位與保護跳閘的一體化。標準方面，IEC 61850過程層通信正向著融合多來源數據、增強網絡冗余的方向演進，這需要FPGA提供更靈活的接口和更高的通信吞吐能力來發布合并單元數據。

此外，受關鍵行業“全國產化、自主可控”需求牽引，光纖互感器信號處理單元、行波測距采集單元等核心裝備在器件選型上將更加關注供應鏈安全與長期可獲得性。對這類設備而言，承擔高速采樣控制、并行信號處理、精確對時與過程層通信等關鍵功能的可編程邏輯器件往往處于系統核心位置，國產FPGA的工程驗證與導入將成為重要趨勢。基于上述需求背景，以中科億海微為代表的國產FPGA產品，已在體系結構、接口資源、時序確定性及國產EDA適配等方面形成較為完整的技術能力，可作為光纖互感器、行波測距等終端設備中可編程邏輯器件的重要候選方案之一，為核心功能模塊提供可驗證、可替代、可持續演進的自主可控實現路徑，并為后續系統級優化和應用推廣奠定基礎。

總的來說，FPGA將繼續憑借其高速、靈活和可裁剪的特點，在電力光纖傳感和行波測距領域扮演不可或缺的角色。隨著技術進步和應用深化，FPGA方案將進一步鞏固在智能電網測量與故障定位系統中的主導地位，為電力系統的可靠運行和數字化升級提供強有力的支撐。

五、參考材料

[1] 閆志輝,鄭拓夫,郭振,等.一種全光纖電流互感器采集系統及全光纖電流互感器: CN108614143A[P]. 2018-10-02.

[2]袁明軍,江浩,黎強.基于羅氏線圈原理的行波測距系統研發[J].電工技術, 2018(14): 69-71.

[3]謝紅福,王皓,何鳴,等.一種基于FPGA的行波測距裝置: CN202159111U[P]. 2012-03-07.

[4]樊陳,倪益民,何昭輝,等.基于IEC61850-9-2標準過程層總線合并單元的研制[C]. Power and Energy Engineering Conference 2010. 2010: 657-661.

[5]山東科匯電力自動化股份有限公司. XC-2200輸電線路故障行波測距裝置[EB/OL]. [2026-01-13]. https://www.kehui.cn/products/dianlizidonghua/dianlixianluguzhangxingbocejuxitong/_shudianxianlujizhongshiguzhangxingbocejuzhuangzhi.html.

[6]Meng Q, Zhao X, Li Y, et al. Design of Control System for All Fiber Optic Current Transformer[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2025, 2975(1): 012018.

[7]Xu Y, Lv C Y, Li X H. FPGA-based multi-channel optical fiber and OpenMV communication voltage unit controller[C/OL]. Proceedings of SPIE. Bellingham (WA): SPIE, 2024: 132830U[2026-01-13]. DOI:10.1117/12.3034179. https://doi.org/10.1117/12.3034179.

[8]Jia, Y., Zhou, J., Zhu, M. Fiber Optic Sensing Signal Monitoring System Based on FPGA[C/OL]. ICITEE '22: Proceedings of the 5th International Conference on Information Technologies and Electrical Engineering. 2022: 482-490[2026-01-13]. DOI:10.1145/3582935.3583016. https://doi.org/10.1145/3582935.3583016.

[9]肖煬,陳劍云,夏孟顯,等.基于FPGA的單端行波故障測距系統的設計與實現[J].華東交通大學學報,2016,33(4):81-86.