CN102945184B - 一种组态控制窗数据的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种窗数据的控制方法，尤其适用于组态控制窗数据的实现方法，包括如下步骤1）提供连续、等间距、随机三类控制方式；2）设立运行、计算双缓存区，每运行累计一个窗数据长度N，则运行计数清零，同时切换运行、计算状态；3）借助随机函数实现不同窗数据长度N内的等概率随机数；或设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],通过移位指针及数据比较，确定窗数据；或从指定区间通过等概率随机控制在区间内每抽取一个随机数，就从区外随机抽取一个数据来填充，实现不等概率分布的随机控制。本发明产生的随机数均能实现等概率，还可实现指定区间的不等概率随机控制；消耗尽可能少的运算时间和存储资源，时间复杂度为O（m）,存储空间为O（n+m）。
Description
技术领域
本发明涉及一种窗数据的控制方法，尤其适用于电力系统电气量采样值数据的模拟/仿真控制。
背景技术
智能变电站和数字化变电站的应用初期，对于数字化继电保护、测控、计量及安全装置类产品，人们更多的是关注电子式互感器和合并单元正常提供电气量采样值的前提下其保护逻辑、电能计量等，而对电子式互感器和合并单元工作异常带来的报文丢帧、品质位无效、同步位失步等异常情况下数字化产品的容错、纠错能力等重视不够。随着智能变电站和数字化变电站的应用，电子式互感器、合并单元的异常情况导致智能设备误动及拒动事故、计量误差大时有发生及报道。
为检测智能设备的异常处理及容错能力，要求能产生此类基于数据窗应用的采样值数据，并能高效控制模拟报文丢帧、品质位无效、同步位失步等异常情况。国外智能变电站建设目前处于试验阶段，相关检测类设备还没有面世。目前国内检测类设备已有相关功能，但功能单一，并且不具备用户想要的更加贴近实际情况的随机控制。科技期刊和专利文献中未发现相关实现技术报道。
发明内容
本发明的技术目的是克服现有技术中的问题，提供一种满足不同需求特别是能实现更加贴近实际运行情况的随机仿真、能尽可能小的消耗运算时间和存储空间资源、可广泛应用于电力系统各类电气量仿真及检测设备的开发的组态控制窗数据的实现方法。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：一种组态控制窗数据的实现方法，包括如下步骤：
1）针对不同模拟/仿真需求，通过单选控制字方式提供连续、等间距、随机三类控制方式，随机控制方式分为全范围等概率随机控制方式和指定区间的不等概率随机控制方式；
2）设立运行、计算双缓存区，每运行累计一个窗数据长度N，则运行计数清零，同时切换运行、计算状态；
3）a借助随机函数srand()和rand()，通过特定算法实现不同窗数据长度N内的等概率随机数；
或b设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机控制总次数，当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K，数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1）；通过调用递减随机数长度的等概率随机函数产生不重复随机数i，并经过索引准确对aControl[0]元素值赋值；循环执行M次得到aControl[M]中各个元素值；对数组aControl[M]各个元素值进行排序，通过移位指针及数据比较，从而确定窗数据；
或c从指定区间通过等概率随机控制在区间内每抽取一个随机数，就从区外随机抽取一个数据来填充，实现不等概率分布的随机控制。前述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤1）的连续控制方式具体为：设定连续控制时间/次数M和窗长度N，起始时刻以命令下达时刻计时/数，从区间【0，N-M】中等概率产生起始点i或者从控制命令下达时刻“0”，并开始计时/次，累计控制时间/次数M后则本窗数据控制结束。
前述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤1）的等间距控制方式具体为：设定等间距时间/次数N，起始时刻以命令下达时刻计时/数，从区间【0，N-1】中等概率产生控制点i或者以控制命令下达时刻“0”为控制点，每执行等间距时间/次数N，当前点数据接受控制。如此循环，直至控制结束。
前述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤2）中设立窗数据执行次数计数器T1和运行累计次数计数器T2，每运行一个窗数据长度N，则T1清零。
前述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤3）的a步适用于全范围等概率随机控制方式，a步具体过程为：
借助C库随机函数srand()和rand()，srand()参数选用系统实时时间time或T2，尽量使每次产生的种子不重复；rand()的上限是RAND_MAX，分为两种情况考虑：
（1）如果N<RAND_MAX,则找到RAND_MAX范围内能被N整除的最大值R，再调用rand()函数产生随机数，如果大于R，则舍弃重新产生，否则通过i=rand()%N得到等概率的随机数i；
（2）如果N≥RAND_MAX，考虑分段产生随机数，分成[N/(RNAD_MAX+1)]段，先等概率得到段再得到每段内的某个元素，得到的段包括整数段和余数段。
前述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤3）中的b步适用于全范围等概率随机控制方式，具体步骤为：
（1）设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数；当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K;数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1）；
（2）首先调用等概率随机函数在（0到N-1）范围内产生等概率随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，最后把aIndex[N-1]的值复制到aIndex[i]；
（3）调用等概率随机函数在（0到N-2）范围内产生等概率随机数j，并将产生的随机数j作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[j]赋给aContril[1]，其中j可以等于i，最后把aIndex[N-2]的值复制到aIndex[j]；
以此类推，直到取出M个元素为止。
（4）经过上述步骤后，对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt；指针初始为aControl首地址，即pt=aControl；如果运行次数n与*pt相等，n指相对本次窗数据起始时刻的延时t与单位时间内额定运行次数的乘积，本次操作被随机抽中，同时pt指针后移一步；否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
前述的一种组态控制窗数据的实现方法，步骤3）中的c步适用于指定区间的不等概率控制方式，具体步骤如下：
（1）设立数组aControl[M]及aIndex[N]，N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数；当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K;数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1），指定区间为[t,t+M],t∈[0,N-M)，区间外长度S=N-M；
（2）调用等概率随机函数产生[t,t+M]区间中的随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，并将区间外的数据进行随机抽取得到j,把aIndex[j]的值复制到aIndex[i]，k加1；
（3）判断k是否等于M，如果是，则执行结束，如果不是，S减1，判断S是否为零，如果是，则按等概率随机控制方法完成剩下的工作；如果不是，则重复（2）步骤继续执行；
（4）最后对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt；指针初始为aControl首地址，即pt=aControl；如果运行次数n与*pt相等，n指相对本次窗数据起始时刻的延时t与单位时间内额定运行次数的乘积，即本次操作被随机抽中，pt指针后移一步；否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
本发明支持连续、等间距及随机（等概率或分布式）三类控制方式，实现不同长度的窗数据等概率随机控制；在可穷尽的窗数据长度N的情况下，无论N大于32767还是小于32767，32767能否被N整除，产生的随机数均能实现等概率，还可实现指定区间的不等概率随机控制；消耗尽可能少的运算时间和存储资源，时间复杂度为O（m）,存储空间为O（n+m）。本发明可广泛应用于电力系统各类电气量仿真及检测设备的开发。
具体实施方式
下面对本发明实施例进行详细描述：本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
组态控制窗数据，首先通过单选控制字方式提供连续、等间距、随机三类控制方式。其中随机控制又提供两类可选项：全范围等概率和指定区间的不等概率。设立运行、计算双缓存区，设立两个计数器T1和T2，每运行累计一个窗数据长度N，则计数器T1清零，同时切换运行、计算状态。
一，对于连续方式，提供连续控制时间/次数M和窗长度N，起始时刻以命令下达时刻计时/数，从区间【0，N-M】中等概率产生起始点i或者从控制命令下达时刻“0”，并开始计时/次，累计控制时间/次数M后本次控制操作结束；
二，对于等间隔方式，提供等间隔时间（次数）N设定，起始时刻以命令下达时刻计时/数，从区间【0，N-1】中等概率产生控制点i或者以控制命令下达时刻“0”为控制点，每执行等间距时间/次数N，当前点数据接受控制。如此循环，直止本次控制操作结束；
连续方式、等间隔方式与随机控制的区别是占用的存储空间只需要一个数据长度，即存储起始点号。而随机控制占用的存储空间是M个数据长度（M为抽取的样本数）。
窗数据长度既可指运行时间，又可指运行次数（运行时间乘以单位时间内额定运行次数），运行状态的数据由计算状态的数据切换而来，不允许修改。计算状态是根据当前配置（是否丢点、同步、异常）产生运行状态用数据。两者采取乒乓机制，运行过程中相互切换。
三，对于全范围等概率随机控制方式，思路主要分为如下两部分：
1，等概率随机数实现方法
借助C库随机函数srand()和rand()，其中srand（）参数可选用系统实时时刻或者运行累计次数T2，从而保证每次产生的种子尽可能不重复。因为rand()的上限是RAND_MAX，而一般情况下，RAND_MAX并不是窗数据长度N的整数倍，那么如果RAND_MAX%N=t，则0～t之间的数值的概率就要大一些，而（t+1）～（N-1）之间的数值的概率就要小一些。为实现全范围等概率随机控制，分如下两种情况考虑：
a)如果N<RAND_MAX,则先找到RAND_MAX范围内能被N整除的最大值R，其次调用rand()函数产生随机数，如果大于R，则舍弃重新产生，否则通过i=rand()%N得到等概率的随机数i;
R=RAND_MAX-(RAND_MAX+1)%N;//去除尾数
t=rand();
while(t>R)t=rand();
i=t%N;//符合要求的随机数
b)如果N≥RAND_MAX，考虑分段产生随机数，分成[N/(RNAD_MAX+1)]段，先等概率得到段再得到每段内的某个元素，分段实现时类似地也有一个尾数问题，即不是每次都刚好分到整数段，一定或多或少有一个余数段。选到余数段的数据拿出来选取，先进行一次选到余数段概率的事件发生，然后进行单独选取：
r=N%(RAND_MAX+1);//余数
if(Probability((double)r/N))//选到余数段的概率
result=N-r+random(r);//random可以用情况1中的代码实现
else
result=rand()+random(N/(RAND_MAX+1))*(RAND_MAX+1);//如果选不到余数段再进行分段选取
2，不重复随机控制实现方法
设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数。当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K;数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1）。
第一步：首先调用等概率随机函数在（0到N-1）范围内产生等概率随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，即aContorl[0]=aIndex[i],最后把aIndex[N-1]的值复制到aIndex[i]；
第二步：首先调用等概率随机函数在（0到N-2）范围内产生等概率随机数j，并将产生的随机数j作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[j]赋给aContril[1]，即aContorl[1]=aIndex[i]（j可以等于i），最后把aIndex[N-2]的值复制到aIndex[j]；
以此类推，直到取出M个元素为止。
经过上述两个步骤后，对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt。指针初始为aControl首地址即pt=aControl。如果运行次数n与*pt相等，即本次操作被随机抽中，则本次操作按预设要求执行窗数据控制，同时pt指针后移一步。否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
四，对于指定区间的不等概率随机控制，实现过程如下：设立数组aControl[M]及aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数。当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K;数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1）。指定区间为[t,t+M],t∈[0,N-M)。区间外长度S=N-M。
1，调用等概率随机函数产生[t,t+M]区间中的随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，即aContorl[0]=aIndex[i]，并将区间外的数据进行随机抽取得到j,把aIndex[j]的值复制到aIndex[i]，k加1；
2，判断k是否等于M，如果是，则执行结束，如果不是，S减1，判断S是否为零，如果是，则按等概率随机控制方法完成剩下的工作；如果不是，则重复1步骤继续执行。
最后对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt。指针初始为aControl首地址即pt=aControl。如果运行次数n与*pt相等，即本次操作被随机抽中，则本次操作按预设要求执行，同时pt指针后移一步。否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
该方法实现的原理是先指定区间，在区间内每产生一个随机数，就用区间外的数来补充，这样既实现了随机数的不重复，又能实现指定区间内的随机数被抽中的概率较高，而后进入区间的数据被抽中的概率较低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。6.根据权利要求1所述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤3）中的b步适用于全范围等概率随机控制方式，具体步骤为：
（1）设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数；当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K;数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1）；
（2）首先调用等概率随机函数在（0到N-1）范围内产生等概率随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，最后把aIndex[N-1]的值复制到aIndex[i]；
（3）调用等概率随机函数在（0到N-2）范围内产生等概率随机数j，并将产生的随机数j作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[j]赋给aContril[1]，其中j可以等于i，最后把aIndex[N-2]的值复制到aIndex[j]；
以此类推，直到取出M个元素为止；
4）经过上述步骤后，对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt；指针初始为aControl首地址，即pt=aControl；如果窗长度内运行次数n与*pt相等，n指相对本次窗数据起始时刻的延时t与单位时间内额定运行次数的乘积，本次操作被随机抽中，同时pt指针后移一步；否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。7.根据权利要求1所述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤3）中的c步适用于指定区间的不等概率控制方式，具体步骤如下：
（1）设立数组aControl[M]及aIndex[N]，N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数；当K不大于N/2时，M=K，否则M=N-K;数组aIndex[N]的各个元素初值分别为（0，1，2……N-1），指定区间为[t,t+M],t∈[0,N-M)，区间外长度S=N-M；
（2）调用等概率随机函数产生[t,t+M]区间中的随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，并将区间外的数据进行随机抽取得到j,把aIndex[j]的值复制到aIndex[i]，k加1；
（3）判断k是否等于M，如果是，则执行结束，如果不是，S减1，判断S是否为零，如果是，则按等概率随机控制方法完成剩下的工作；如果不是，则重复（2）步骤继续执行；
（4）最后对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt；指针初始为aControl首地址，即pt=aControl；如果运行次数n与*pt相等，n指相对本次窗数据起始时刻的延时t与单位时间内额定运行次数的乘积，即本次操作被随机抽中，pt指针后移一步；否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
Claims (5)
1.一种组态控制窗数据的实现方法，包括如下步骤：
1)针对不同模拟/仿真需求，通过单选控制字方式提供连续、等间距、随机三类控制方式，随机控制方式分为全范围等概率随机控制方式和指定区间的不等概率随机控制方式；
2)设立运行、计算双缓存区，每运行累计一个窗数据长度N，则运行计数清零，同时切换运行、计算状态；
3)a借助随机函数srand()和rand()，通过特定算法实现不同窗数据长度N内的等概率随机数；
或b设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机控制总次数，M表示连续控制时间/次数，当K不大于N/2时，M＝K，否则M＝N-K，数组aIndex[N]的各个元素初值分别为(0，1，2……N-1)；通过调用递减随机数长度的等概率随机函数产生不重复随机数i，并经过索引准确对aControl[0]元素值赋值；循环执行M次得到aControl[M]中各个元素值；对数组aControl[M]各个元素值进行排序，通过移位指针及数据比较，从而确定窗数据；
或c从指定区间通过等概率随机控制在区间内每抽取一个随机数，就从区外随机抽取一个数据来填充，实现不等概率分布的随机控制；
步骤3)的a步适用于全范围等概率随机控制方式，a步具体过程为：借助C库随机函数srand()和rand()，srand()参数选用系统实时时间time或T2，T2表示累计次数计数器，尽量使每次产生的种子不重复；rand()的上限是RAND_MAX，分为两种情况考虑：
(1)如果N<RAND_MAX,则找到RAND_MAX范围内能被N整除的最大值R，再调用rand()函数产生随机数，如果大于R，则舍弃重新产生，否则通过i＝rand()％N得到等概率的随机数i；
(2)如果N≥RAND_MAX，考虑分段产生随机数，分成[N/(RNAD_MAX+1)]段，先等概率得到段再得到每段内的某个元素，得到的段包括整数段和余数段；
步骤3)中的c步适用于指定区间的不等概率控制方式，具体步骤如下：
(1)设立数组aControl[M]及aIndex[N]，N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数；当K不大于N/2时，M＝K，否则M＝N-K；数组aIndex[N]的各个元素初值分别为(0，1，2……N-1)，指定区间为[t,t+M],t∈[0,N-M)，区间外长度S＝N-M；
(2)调用等概率随机函数产生[t,t+M]区间中的随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，并将区间外的数据进行随机抽取得到j,把aIndex[j]的值复制到aIndex[i]，K加1；
(3)判断K是否等于M，如果是，则执行结束，如果不是，S减1，判断S是否为零，如果是，则按等概率随机控制方法完成剩下的工作；如果不是，则重复(2)步骤继续执行；
(4)最后对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt；指针初始为aControl首地址，即pt＝aControl；如果运行次数n与*pt相等，n指相对本次窗数据起始时刻的延时t与单位时间内额定运行次数的乘积，本次操作被随机抽中，pt指针后移一步；否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
2.根据权利要求1所述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤1)的连续控制方式具体为：设定连续控制时间/次数M和窗数据长度N，起始时刻以命令下达时刻计时/数，从区间[0，N-M]中等概率产生起始点i或者从控制命令下达时刻“0”，并开始计时/次，累计控制时间/次数M后则本窗数据控制结束。
3.根据权利要求1所述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤1)的等间距控制方式具体为：设定窗数据长度N，起始时刻以命令下达时刻计时/数，从区间[0，N-1]中等概率产生控制点i或者以控制命令下达时刻“0”为控制点，每执行窗数据长度N，当前点数据接受控制；如此循环，直至控制结束。
4.根据权利要求1所述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤2)中设立窗数据执行次数计数器T1和运行累计次数计数器T2，每运行一个窗数据长度N，则T1清零。
5.根据权利要求1所述的一种组态控制窗数据的实现方法，其特征在于：步骤3)中的b步适用于全范围等概率随机控制方式，具体步骤为：
(1)设立两个一维数组aControl[M]和aIndex[N],N表示窗数据长度，K表示随机抽取控制总次数；当K不大于N/2时，M＝K，否则M＝N-K；数组aIndex[N]的各个元素初值分别为(0，1，2……N-1)；
(2)首先调用等概率随机函数在0到N-1范围内产生等概率随机数i，并将产生的随机数i作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[i]赋给aContril[0]，最后把aIndex[N-1]的值复制到aIndex[i]；
(3)调用等概率随机函数在0到N-2范围内产生等概率随机数j，并将产生的随机数j作为数组aIndex下标索引找到数组的具体位置，然后把这个位置的元素值aIndex[j]赋给aContril[1]，其中j可以等于i，最后把aIndex[N-2]的值复制到aIndex[j]；
以此类推，直到取出M个元素为止；
4)经过上述步骤后，对aControl[M]数组进行排序，并设立一个数据访问指针pt；指针初始为aControl首地址，即pt＝aControl；如果窗长度内运行次数n与*pt相等，n指相对本次窗数据起始时刻的延时t与单位时间内额定运行次数的乘积，本次操作被随机抽中，同时pt指针后移一步；否则本次操作未被抽中，按正常操作执行。
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