張宏生

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司計量中心，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)的運行效率還比較低。此外，智能電能表也受到諸如具體運行環(huán)境等許多不確定因素的干擾，智能電能表的具體運行就變得越加復(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)行的主要運算是對輸入的檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和計算，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、計算容量比較低等特點，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)境下的運行效果低。因此，設(shè)計新型的數(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濾波器。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)行反饋再計算以便調(diào)整；

(3)顯示輸出：該功能單元主要是對計算所得出的數(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算組成部分是一組事先存儲了所需要計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，它的主要特點就是查找電能表由一系列的加法器和三態(tài)門進(jìn)行實現(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現(xiàn)[4]。但是，因為這些結(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)行有效運算來取得高處理速度)，現(xiàn)有的這些濾波器都沒有辦法實現(xiàn)高速運行。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

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，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)計將重點在非負(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)計中M=4已經(jīng)被證明是效率最好的[6]，在接下來的設(shè)計里，M也被定義為4。

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

2.2 有限脈沖響應(yīng)濾波器的硬件實現(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)計完成后的結(jié)構(gòu)在FPGA器件上進(jìn)行測試通過?？紤]到該濾波器結(jié)構(gòu)是專門面向電能表系統(tǒng)實現(xiàn)的，因而很適合FPGA器件的處理速度快、運行效率高等特點。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)行編譯和仿真驗證；

接著，把程序下載到FPGA器件上進(jìn)行實體測試，同時計算得到具體的功耗、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，這些事先計算得到的數(shù)據(jù)將與具體測試運行得到的數(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)計和驗證討論，結(jié)合基于分布式算法的濾波器硬件實現(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。實驗結(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。該濾波器在電能表中的應(yīng)用設(shè)計優(yōu)異，值得在同類產(chǎn)品中大力推廣。