新型濾波器在智能電能表中的應(yīng)用

張宏生

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司計(jì)量中心，合肥 230088)

0 引 言

近年來，隨著國家智能電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，智能電能表等儀器設(shè)備也得到迅速發(fā)展和使用[1-3]。如何提高總體電網(wǎng)系統(tǒng)中電能表的工作效率性，即提高電能表和中央處理系統(tǒng)的信息快速準(zhǔn)確的傳輸是一個亟需解決的重大難題。目前的智能電能表在一定程度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動化作業(yè)(逐漸取代傳統(tǒng)意義上的人工讀取方式)，但由于這些電能表的自動化讀取運(yùn)行不夠成熟，加上信息的傳輸轉(zhuǎn)換效率不高，整體電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率還比較低。此外，智能電能表也受到諸如具體運(yùn)行環(huán)境等許多不確定因素的干擾，智能電能表的具體運(yùn)行就變得越加復(fù)雜。

目前，智能電能表內(nèi)部存在的問題主要如下：智能電能表內(nèi)進(jìn)行的主要運(yùn)算是對輸入的檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，可以參考圖1的電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由于智能電能表存在空間有限、計(jì)算容量比較低等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，必須保證信號的完整性?，F(xiàn)有的技術(shù)去解決這一難題通常是嵌入高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。但由于具體應(yīng)用環(huán)境的不同，很多高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元無法進(jìn)行有效的運(yùn)行，主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中的濾波器在不同環(huán)境下的運(yùn)行效果低。因此，設(shè)計(jì)新型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元(就是相對應(yīng)的濾波器)迫在眉睫。

圖1 智能電能表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of smart meters

針對這一現(xiàn)狀，提出一種基于分布式算法(Distributed Arithmetic: DA)[4]的有限脈沖濾波器(Finite Impulse Response filter: FIR filter)[5-6]。該濾波器是在基于查找電能表或者存儲單元(read only memory)的方式上開發(fā)而來的一種基于分布式算法的新型雙向?yàn)V波器。在該濾波器中，每一個處理單元(Processing Element: PE)可以進(jìn)行查找電能表的三次讀取。分析證實(shí)這樣的三路并行處理結(jié)構(gòu)使每一個處理單元有極高的時間利用率。該濾波器的主要特點(diǎn)是可以改進(jìn)數(shù)據(jù)在具體轉(zhuǎn)換當(dāng)中的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。最后，該濾波器在具體電能表系統(tǒng)中進(jìn)行測試驗(yàn)證。

1 智能電能表系統(tǒng)及有限脈沖濾波器

1.1 智能電能表系統(tǒng)

所指的電能表系統(tǒng)可以是單相智能電能表或者是三相智能電能表[7-12]。與傳統(tǒng)的基于人工讀取方式的電能表系統(tǒng)相比，這些電能表是建立在數(shù)字電路技術(shù)之上。智能電能表的主要特點(diǎn)是當(dāng)讀取的輸入進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，所有的數(shù)據(jù)處理都是在數(shù)字電路狀況下完成。根據(jù)作業(yè)對象的不同可把目前的智能電能表分成直接型和間接型兩種(作業(yè)環(huán)境比較高的地方通常采用直接型的電能表)。如圖1所示，一個智能電能表系統(tǒng)可以由以下部分組成：

(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換：該工作單元是電能表的第一個工作單元。由于電能表所得到的用電量數(shù)據(jù)主要是模擬信號。該單元主要是對智能電能表的讀取輸入進(jìn)行模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換處理。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)送到下一個單元進(jìn)行再處理；

(2)計(jì)算：由第一步得到的數(shù)據(jù)在這一步進(jìn)行具體的分析計(jì)算。如果處理中存在一定的誤差，就需要對第一步所得數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋再計(jì)算以便調(diào)整；

(3)顯示輸出：該功能單元主要是對計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行輸出顯示。該單元一般包括穩(wěn)定的數(shù)字顯示屏；

(4)檢定輸出：計(jì)算所得的結(jié)果最終會通過信號輸送線送到控制中心進(jìn)行集中管理。

1.2 有限脈沖響應(yīng)濾波器

有限脈沖響應(yīng)濾波器在各類的信號處理和圖像處理應(yīng)用系統(tǒng)中被廣泛使用[6]。由于濾波器的復(fù)雜度由濾波器的階數(shù)決定(階數(shù)越大，復(fù)雜度越高)，很多算法已經(jīng)開發(fā)出來去減少濾波器的復(fù)雜度以取得有限脈沖響應(yīng)濾波器的有效硬件實(shí)現(xiàn)，特別是在基于可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array: FPGA)的平臺上。其中比較有效的一種算法是分布式算法[6]。近年來，由于基于該算法的有限脈沖響應(yīng)濾波器具有高處理速度和高精度性能，該類濾波器得到廣泛使用。

分布式算法是由Croisier介紹的，并且由Peled 和Liu進(jìn)行大規(guī)模推廣。Yiu把分布式算法推廣到符號數(shù)。分布式算法的主要計(jì)算組成部分是一組事先存儲了所需要計(jì)算的值的查找電能表或者存儲單元(通過這些存儲單元的讀取去取得所需要的值)。但是，這些查找電能表的規(guī)模是隨著濾波器的階數(shù)呈幾何數(shù)增長。為解決這些問題，已經(jīng)有不少改進(jìn)的算法被提出來去有效的減少這些查找電能表的復(fù)雜度[6]。近期，一個新提出來的基于分布式算法的濾波器結(jié)構(gòu)取得較好效果，它的主要特點(diǎn)就是查找電能表由一系列的加法器和三態(tài)門進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。另外一種新提出來的分布式算法被用于濾波器的低功耗實(shí)現(xiàn)[4]。但是，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)都不屬于脈動結(jié)構(gòu)(脈動結(jié)構(gòu)具有很多的特點(diǎn)諸如模塊化、正?；慕Y(jié)構(gòu)。此外，脈動結(jié)構(gòu)中的每一個處理單元在每一個時鐘周期內(nèi)都進(jìn)行有效運(yùn)算來取得高處理速度)，現(xiàn)有的這些濾波器都沒有辦法實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。同時，如前面介紹可知，高速、處理效果好的濾波器能有效提高智能電能表的工作效率?；谶@一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)高速有效的濾波器迫在眉睫。

2 有限脈沖響應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)

最近，一個新型的基于分布式算法雙向脈動結(jié)構(gòu)為主的有限脈沖響應(yīng)濾波器被開發(fā)出來。它的主要特點(diǎn)就是在面積占有、時間和功耗上取得了比較好的綜合效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 基于分布式算法脈動結(jié)構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Filter structure diagram of pulse response based on distributed arithmetic

雖然圖2的脈動結(jié)構(gòu)的各方面的效果都很好，在實(shí)際應(yīng)用中，它還可以繼續(xù)被改進(jìn)。比如，這個濾波器的結(jié)構(gòu)和輸入頻率聯(lián)系度不是很大。根據(jù)圖2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個處理單元的輸入都是與之前的處理單元要相隔一個周期。這樣的話就導(dǎo)致在后面的處理單元需要等待一段比較長的時間。然而，在許多實(shí)際應(yīng)用中，輸入信號的一個周期足夠進(jìn)行查找電能表讀取和加法器的運(yùn)算。例如：一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大頻率是10 MHz，而一個FPGA器件的最大頻率可以很輕松地達(dá)到400 MHz，所以當(dāng)一個濾波器在上述的器件中運(yùn)行時，輸入信號的一個周期足夠進(jìn)行多個查找電能表讀取和加法器的運(yùn)算。那么在這種情況下，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的濾波器就存在利用率不充分的問題。此外，邊緣的脈動加法器也有一些時間上的延遲?？偠灾?，圖2中的濾波器需要有較大的改進(jìn)。

2.1 分布式算法

這一部分將重點(diǎn)給出基于有限脈沖響應(yīng)濾波器的分布式算法。對于一個N階的有限脈沖響應(yīng)濾波器的分布式算法，可以表示如下，其中{ci}是常數(shù),而{xi}是W位的濾波器輸入。

(1)

可以把{xi}轉(zhuǎn)換為W位的補(bǔ)碼形式：

(2)

把式(2)代入式(1)中，那么式(1)可以表示為另外一個形式：

(3)

定義：

(4)

那么式(3)就可以表示為一個更簡單的形式：

(5)

為了便于討論，著重的設(shè)計(jì)將重點(diǎn)在非負(fù)整數(shù)，盡管也可以延伸至負(fù)整數(shù)。那么{xi}就可以表示為W位的數(shù)：

(6)

定義：

(7)

其中字符CW-1由xi,j的值決定，而且有2N可能性的值。這些值可以事先計(jì)算好并且存儲在查找電能表或者存儲單元中。接著，作為輸入的N位(x0j,x1j,…,xN-1,j)就用來作為地址把這些中間值CW-1讀取出來。最終的結(jié)果就可以通過對這些中間值的W個周期的累加而得。

為了縮小查找電能表的規(guī)模，也可以繼續(xù)假定N是一個數(shù)表示為N=P×M(P和M可以是任意正整數(shù))，那么式(6)可以表示為：

(8)

其中：

(9)

式中p=0,1,… ,P-1,m=0,1,… ,M-1。由于在先前的設(shè)計(jì)中M=4已經(jīng)被證明是效率最好的[6]，在接下來的設(shè)計(jì)里，M也被定義為4。

定義R(b)j,p= (G)j,p，其中R是讀取運(yùn)算，(b)j,p是位串用來查找電能表的地址。那么先前的乘法運(yùn)算已經(jīng)變成了查找電能表讀取的運(yùn)算。

2.2 有限脈沖響應(yīng)濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

在這一部分里，所提出的新型雙向脈動結(jié)構(gòu)的有限脈沖響應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)將詳細(xì)給出。所提出的脈動結(jié)構(gòu)如圖3所示，輸入的信號通過一個每一個周期內(nèi)都會收到新輸入的位平行字串行轉(zhuǎn)換器。同時，這個轉(zhuǎn)換器輸出W/3個3位的信號序列。拿一個處理行來說，每一個3位的信號序列都以位串行的方式(從權(quán)重最高的到權(quán)重最低的)輸入到每一個相對應(yīng)的處理單元。這樣第一個3位的信號序列就輸入到第一個處理單元，接下來的依次而定。

圖3 最終結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Final structure diagram

整個脈動結(jié)構(gòu)包含兩種形式的處理單元，即PE:A和PE:B。它們的結(jié)構(gòu)和功能可以參考圖4。PE:B最重要的一個特點(diǎn)就是它包含了一個存儲了24個字的查找電能表和一個1-3選擇器。處理單元的標(biāo)準(zhǔn)時鐘周期可以定義為4個信號輸入的時鐘時間。在每一個處理單元的時鐘周期內(nèi)，查找電能表的內(nèi)容會被依次讀取3次，然后通過選擇器把所讀取的結(jié)果輸送到相對應(yīng)的路徑上，如圖4所示。同時，在每一個周期內(nèi)，這些讀取出來的結(jié)果將和前一個處理單元傳輸過來的結(jié)果進(jìn)行相加。

圖4 PE:B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Internal structure diagram of PE:B

PE:D的結(jié)構(gòu)和功能也同時顯示在圖5里。它主要由三個移位加法器組成。這個移位加法器主要是把上面來的輸入進(jìn)行一個移位然后和從左邊過來的輸入進(jìn)行相加。所得的結(jié)構(gòu)就傳到下面一個加法器。為了減少更多的時間延遲，采取用流水線加法器的方法取代脈動結(jié)構(gòu)的加法器。這樣做的結(jié)果就是，原來需要W個加法器，現(xiàn)在只需要W-1個加法器。同時，由加法帶來的延遲也由原來的W個周期下降到log2W個周期。

圖5 PE:D的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Internal structure diagram of PE:D

3 濾波器的具體實(shí)現(xiàn)

在這一部分里，首先將給出所提出結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，然后會進(jìn)行該結(jié)構(gòu)在可編程邏輯器件上的測試。著重介紹濾波器的硬件和時間復(fù)雜度，包括延遲，周期，運(yùn)行效率，查找電能表的讀數(shù)，加法器的數(shù)量和選擇器的數(shù)量，如表1所示。其中D被假設(shè)為輸入信號的時鐘。

表1 復(fù)雜度對比Tab.1 Complexity comparison

如表1所示，指出了結(jié)構(gòu)比之前的結(jié)構(gòu)的時間的利用率明顯增加，電能表現(xiàn)在低延遲和運(yùn)行效率等方面也有研究所提開。此外，該結(jié)構(gòu)的加法器的數(shù)量也比之前的要少。為了更好的說明，設(shè)計(jì)完成后的結(jié)構(gòu)在FPGA器件上進(jìn)行測試通過。考慮到該濾波器結(jié)構(gòu)是專門面向電能表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，因而很適合FPGA器件的處理速度快、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)。測試的具體過程如下：

首先，對圖3中的濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬件描述語言(VHDL)的編程。程序完成后在Altera公司的編譯軟件Quartus II下進(jìn)行編譯和仿真驗(yàn)證；

接著，把程序下載到FPGA器件上進(jìn)行實(shí)體測試，同時計(jì)算得到具體的功耗、時間和占用面積等數(shù)值；

最后，通過測試的結(jié)果如表2所示，可以看到所提出的結(jié)構(gòu)大大優(yōu)于先前的結(jié)構(gòu)。

表2 查找電能表的具體實(shí)現(xiàn)對比Tab.2 Specific implementation comparison of look-up tables

4 濾波器系統(tǒng)的具體應(yīng)用

最終，在基于分布式算法有限脈沖響應(yīng)濾波器的具體化硬件實(shí)現(xiàn)之后，就把該部分應(yīng)用到整個電能表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)里面。

濾波器在基于FPGA平臺的硬件測試中已經(jīng)取得了很好的效果。同時也將該濾波器應(yīng)用到具體的電能表系統(tǒng)，來證明所取得的效果。具體測試安排如下：先將下載了濾波器的FPGA模塊與圖1中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行對接。然后，同時安排兩組測試：一組是安裝了文中提出的濾波器，一組是由市場上購得的最新式的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。最后，在相同情況下，進(jìn)行具體運(yùn)行測試并記錄結(jié)果。

此外，數(shù)據(jù)的出錯率設(shè)定如下：事先對一電能表系統(tǒng)進(jìn)行了固定數(shù)據(jù)輸入和輸出的預(yù)判，這些事先計(jì)算得到的數(shù)據(jù)將與具體測試運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一對照，出錯率就是測試所得不符合預(yù)估計(jì)值得比率。

系統(tǒng)的速度主要是指在單位時間內(nèi)(秒)有多少的電能表進(jìn)行了數(shù)據(jù)反饋。

以一智能電能表系統(tǒng)為例，它的規(guī)模是7 600只，并且每日的數(shù)據(jù)檢測量很大。在使用所提出的新型濾波器方法之后，單個電能表系統(tǒng)的每日計(jì)算量不變(但是數(shù)據(jù)出錯率減少到0.001 %)。當(dāng)整個電網(wǎng)系統(tǒng)(由多條電能表檢測線組成)都裝上該濾波器后，所取得的綜合效果是十分突出，如表3所示。由于該濾波器系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異,值得在其他電能表系統(tǒng)中大力推廣。

表3 具體運(yùn)行狀況Tab.3 Specific operation conditions

5 結(jié)束語

通過對智能電能表中嵌入濾波器系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和驗(yàn)證討論，結(jié)合基于分布式算法的濾波器硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢，對目前的智能電能表信號處理過程中模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行更高級別處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提出的濾波器方法在電能表上有很好表現(xiàn)，在維持工作量的同時，取得信息處理方面大幅度的加強(qiáng)。該濾波器在電能表中的應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)異，值得在同類產(chǎn)品中大力推廣。