趙 成，張宏賓，龔 輝，李雪城，仝 霞，王文靜

(國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，北京 100161)

基于新型分布式算法的自動化檢測流水線

趙 成，張宏賓，龔 輝，李雪城，仝 霞，王文靜

(國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，北京 100161)

自動化電表檢定流水線的運行精度是流水線檢定效果的決定性因素。為維持自動化流水線的高精度運行，提出了一種基于新型分布式算法的自動化流水線精度改進方法。該方法首先著重于算法的改進，不同于傳統(tǒng)的分布式算法，所提出的分布式算法側重于對傳統(tǒng)算法中查找表中的值進行重組優(yōu)化；然后在改進算法的基礎上進行了結構的最優(yōu)化設計，特別是采用了查找表分割的方法實現(xiàn)資源最小化；最后，該方法在FPGA上得到了實現(xiàn)。該方法以檢測精度最優(yōu)化為目標，綜合考慮流水線各個環(huán)節(jié)的具體運行狀態(tài)，以取得自動化檢測效果最優(yōu)化。經(jīng)具體實踐測試，該方法不僅提高了電表的檢定效果，而且還有效地減少了對系統(tǒng)各類資源的占用。通過對目前已經(jīng)投入現(xiàn)場作業(yè)的系統(tǒng)進行實際檢測，證明該方法取得了優(yōu)異效果，值得在相關檢測系統(tǒng)中大力推廣。同時，所提出的新型濾波器算法也將對現(xiàn)有的數(shù)字信號處理研究產(chǎn)生影響。

自動化檢定流水線； 數(shù)字信號處理； 分布式算法； 查找表； FPGA; 精度優(yōu)化； 電表檢測； 濾波器

0 引言

智能電表以其結構簡單、易操作等特點，目前在國家智能電網(wǎng)系統(tǒng)中被大規(guī)模使用[1-4]。隨之而來的問題就是如何實現(xiàn)對這些電表的自動化檢測。傳統(tǒng)采用的人工檢測的方法存在效率低下、成本高、精度低等缺陷，已經(jīng)無法滿足時代的需要[5-8]。目前，自動化檢測流水線在一定程度上已經(jīng)被大量使用。但是由于這些檢測流水線的技術不夠完善，整體效率還有待提高。此外，由于具體作業(yè)環(huán)境的區(qū)別，目前的自動化檢測線的效果還需要繼續(xù)改進[9-12]。

在流水線作業(yè)中，檢測的精度不僅決定了整個系統(tǒng)的檢測效果，還決定了系統(tǒng)的運行速度。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，主要存在系統(tǒng)的信號濾波處理不夠精準等問題。因此，需要研制新型的濾波方法來改進精度[5]。

在該背景下，本文提出了一種基于新型分布式算法的精度改進方法。該方法將在現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)平臺上進行實現(xiàn)驗證。該系統(tǒng)由于直接采用硬件方法實現(xiàn)，在信號處理的效果和運行結果上都具有良好表現(xiàn)。其不僅有效地改善了系統(tǒng)的檢測精度，而且極大地減少了系統(tǒng)占有的資源。最后，該系統(tǒng)被實際應用到具體的自動化檢測系統(tǒng)中進行驗證通過。

1 自動化智能電表檢定系統(tǒng)

1.1 自動化流水線檢定系統(tǒng)

本文所涉及的自動化流水線檢定系統(tǒng)主要針對各類智能電表。自動化流水檢定系統(tǒng)的作業(yè)主要由設備完成，很少涉及到人工操作。與傳統(tǒng)檢定系統(tǒng)相比，自動化流水檢定系統(tǒng)存在效率高、速度快等諸多優(yōu)點。單相電能表自動化檢定流水線系統(tǒng)可細分為7大模塊，其檢定流程如圖1所示[1-4]。

圖1 檢定流程圖

①耐壓模塊：該模塊是整個系統(tǒng)的第一個模塊，主要完成對電表的外形測試、壓力檢測，并記錄測試信息。②外觀模塊：主要對整個系統(tǒng)進行外觀檢測，包括電表外觀規(guī)格檢測。③功耗模塊：主要對電表的功耗進行檢測，并登記檢測所得的數(shù)據(jù)。④功能模塊：主要對電表的綜合功能進行檢測。綜合功能主要包括電表的運行速度、精度、顯示和警示等。⑤封印模塊：主要對檢測完的電表進行封印，封印后的電表將被送入下一個模塊。⑥刻碼模塊：主要對電表進行刻碼作業(yè)，包括電表的性能和參數(shù)。⑦貼標模塊：主要對電表進行貼標。這是整個系統(tǒng)的最后一個模塊。

圖1中，虛線框內(nèi)就是自動化檢定流水線存在精度問題的環(huán)節(jié)，本文將主要針對該類問題進行改進設計。

1.2 自動化流水線技術指標

自動化檢定系統(tǒng)各模塊間主要存在運行精度的問題，平均檢定精度如表1所示。

表1 平均檢定精度

其中，功耗和功能2個模塊的檢定精度有待進一步提高。由于這2個模塊的精度主要由信號精確性決定，因此有必要進行更高精度的信號濾波。

2 新型分布式算法的結構和實現(xiàn)

分布式算法廣泛地應用在各類數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，其中包括信號濾波。如圖1所示，檢定模塊之間的信號需要更有效地濾波。分布式算法最早由Croisier在1973年提出，然后由Liu和Peled推廣使用,并由Yiu將其擴展到符號數(shù)[5]。從此有許多的改進型分布式算法被提出。分布式算法的主要思想是把需要相乘的結果事先存儲在查找表內(nèi)，然后以信號的輸入作為地址，把這些數(shù)值讀取出來；讀取出來的數(shù)值累加后即為最終結果。

2.1 新型分布式算法

考慮2個數(shù)量是N的任意實數(shù)C和X的內(nèi)積[5]：

(1)

式中：{Ci}為有N個位整數(shù)C。

則可以把{Xi}表示為W位的補碼形式：

(2)

然后，把式(2)代入式(1)中，則：

(3)

式(3)可改寫為：

(4)

(5)

按照式(5)，所需的乘積值可以事先在查找表中進行存儲。輸入已存儲的乘積值作為可讀取的地址數(shù)據(jù)，經(jīng)過N次的讀取和數(shù)據(jù)累加以后，可得最終結果。

將式(4)代入式(5)，可得：

(6)

(7)

因此，原有查找表內(nèi)的值被改變。舉例來說，濾波器的4個參數(shù)分別是10、-11、12和-13。表2給出了傳統(tǒng)分布式算法和本文所提出分布式算法的查找表內(nèi)容對比。

表2 查找表內(nèi)容對比

同時，由式(6)和表2可以看出，當輸入的地址數(shù)量是N位時，查找表的規(guī)模就達到2N。在這種情況下，查找表就非常占用整個系統(tǒng)的資源。為降低對系統(tǒng)的資源占用率，本文采取了一種查找表分割的方法。

設定N是可以由2個正整數(shù)相乘而得的整數(shù)，則：

(8)

式中：

(9)

這樣就把原來的一個查找表分成許多小的查找表了。

2.2 濾波結構

在實際運行情況中，考慮到信號的濾波功能，本文采取有限脈沖響應濾波器的方式。

基于分布式算法的濾波結構如圖2所示。首先，所有的輸入都通過輸入端口到達一個位串行字平行的轉換器。該轉換器負責將所有輸入信號的字節(jié)轉換到由最低位到最高位排列的方式。這些平行的數(shù)據(jù)就作為地址去讀取查找表的數(shù)值(這些數(shù)值都是事先計算好并且存儲在表內(nèi)的)。當每個表收到相關的輸入，存在表內(nèi)相關的值就會被讀出來，然后這些值通過一個流水線加法器進行加法運算，最終輸出結果。

圖2 基于分布式算法的濾波結構示意圖

3 結構實現(xiàn)仿真

本節(jié)主要對圖2所示的基于分布式算法的濾波系統(tǒng)進行結構實現(xiàn)仿真。本文采用硬件描述語言(VHSIC hardware description language,VHDL)對圖2的濾波結構進行編程，然后在Altrea公司的Quartus II軟件上進行仿真，最后在FPGA器件(Altera Stratix-II EP2S15F484C3)上進行實際運行驗證。

同時，對本文設計在FPGA上的實現(xiàn)與參考文獻[5]進行比較，仿真和功耗比較結果分別如表3、表4所示。比較的具體參數(shù)包括系統(tǒng)的實現(xiàn)面積、最大頻率fmax和功耗。實現(xiàn)面積，即可適應性查找表(adaptive lookup table,ALUT)的數(shù)量。同時，為了使該比較更加公平，本文也采用了不同數(shù)值N進行具體的實現(xiàn)比較。

表3 仿真結果比較

表4 功耗結果比較

通常情況下，一個系統(tǒng)的設計優(yōu)越性主要由3個參數(shù)來決定：面積、速度和功耗。面積通常是由該結構的復雜度所決定，越復雜的結構所占用的面積越大。速度主要是由該結構的最大頻率決定，頻率越高，速度就越快。功耗主要是由系統(tǒng)的消耗功率所決定，功率數(shù)值越大，功耗越高。由表3可以看出，本文所設計的結構在兩個方面，即占有面積和速度，比文獻[5]的設計更有優(yōu)勢(擁有更少數(shù)量的ALUT和更高的最大頻率)。在輸入數(shù)據(jù)N分別為16、32、64和128這4種情況下，本文所提出的設計都取得了較好的效果，從而可以肯定該設計的結構優(yōu)越性。

表4的功耗數(shù)值是在同一的運行條件下測出的，即同一個FPGA器件和同一運行頻率(功耗和運行頻率有很大關系，因此統(tǒng)一對運行頻率進行公平比較)。由表4可以看出，本文設計比文獻[5]的功耗更低。

綜上所述，本文所設計結構的效果更好，可以在自動化檢定線中進行應用(主要檢測精度問題)。

4 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

在基于分布式算法的濾波系統(tǒng)具體化硬件實現(xiàn)之后，該部分就被應用到電表自動化檢定流水線中。首先，該濾波系統(tǒng)被嵌入到檢測流水線的檢測裝置中。接著，檢測流水線上的機器人和檢測裝置進行協(xié)同作業(yè)，并對電表進行自動檢測。同時，濾波系統(tǒng)也進行工作以確保信號的處理準確性。最后，對該檢定系統(tǒng)的實際運行效果進行測評。

由于基于分布式算法的應用在基于FPGA平臺的硬件實現(xiàn)中已經(jīng)取得優(yōu)異結果。將該算法具體應用到電表檢定流水線系統(tǒng)后，主要針對系統(tǒng)的運行精度進行檢測。假定某一電表自動化系統(tǒng)的設計要求是每日檢測7 000只電表，那么檢測準確率在6 990只以上的就設定為檢測效果優(yōu)秀(99.85%)。在將本文所提出的濾波系統(tǒng)應用到該系統(tǒng)之后，系統(tǒng)的具體運行結果如表5所示。

表5 系統(tǒng)運行結果

由表5可以看出，在使用本文濾波系統(tǒng)后，整體系統(tǒng)和單個系統(tǒng)的檢定精度均有大幅度提高(都達到優(yōu)秀級別)。由于該系統(tǒng)性能優(yōu)異，即資源占有面積更小、最大頻率更高，檢定取得了較好結果。

5 結束語

本文通過對電表自動化檢定流水線的檢測精度問題的具體分析和討論，結合分布式算法的硬件實現(xiàn)的優(yōu)異表現(xiàn)，對現(xiàn)有的檢定電表的自動化流水線系統(tǒng)進行了改進。具體運行結果證明，該方法在電表的自動化檢定流水線運行中有優(yōu)異的精度改善表現(xiàn)，效果十分顯著。此外，由于該檢定流水線的基于分布式算法的濾波系統(tǒng)性能優(yōu)異，運行結果出色，值得在相關系統(tǒng)生產(chǎn)建設中推廣。

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Automated Detection Line Based on New Type of Distributed Algorithm

ZHAO Cheng,ZHANG Hongbin,GONG Hui,LI Xuecheng,GONG Xia,WANG Wenjing

(Electric Power Research Institute of Beijing State Grid Company,Beijing 100161,China)

The operational accuracy of automated smart meter calibration line is the key factor that determines the effects of the calibration line. To maintain the operational accuracy at higher level,the modified method based on a novel distributed arithmetic is proposed. Firstly,the method focuses on the modification of algorithm.Unlike the traditional distributed arithmetic,the proposed algorithm;mainly reconstructs and optimizes the values stored in the lookup table of traditional algorithm,then on the basis of the modified algorithm,the optimal design of the structure is conducted;especially a lookup table decomposition strategy is employed to reduce the resource usage;finally,the method is implemented on FPGA platform.With the optimal accuracy as the target of design,and based on the comprehensive consideration of the specific operational state of each section of the calibration line,the optimization of the effects is obtained. Through practical testing,it is found that the proposed method not only improves the calibration effects,but also effectively reduces the resource occupation. It is further found that the method is worthy to be popularized in other detecting systems,meanwhile,the proposed filter algorithm will impact the present digital signal processing research.

Automated verification line; Digital signal processing; Distributed arithmetic; Lookup table; FPGA; Accuracy optimization; Meter detection; Wave filter

趙成(1982—)，男，碩士，高級工程師，主要從事電能計量方向的研究。E-mail:men_boys@sina.com。

TH6；TP205

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708021

修改稿收到日期:2017-02-17