CN103699382B - 电能质量数据运算的ip核处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能质量数据运算的IP核处理方法，包括以下步骤，1），通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算；2），通过仿真软件将硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算方法，转换为硬件描述语言文件，并生成控制编译的脚本；3），通过编译的脚本编译硬件描述语言文件；4），将硬件描述语言文件下载到可编程逻辑器件；5），可编程逻辑器件工作，实现电能质量数据分析与处理过程。本发明用硬件逻辑单元搭建的IP核实现电能质量数据运算，提高了装置整体的运行速度，使得对电能质量中实时性瞬态变化过程的准确的捕捉变得更容易实现，精确度高，实时性强，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电能质量分析技术领域，具体涉及一种电能质量数据运算的IP核处理方法。
背景技术
电力系统中的电能质量在线监测装置要求快速、精确地测量模拟量的瞬态特征，目前，通常的使用方法是使用一个主控CPU 对采集到的模拟量数据进行运算，以便获得电能质量中谐波电压、电压偏差、电压波动以及闪变等等一系列的参数指标。但是，对于具有高监测指标的电能质量监测装置来说，每个周波需达到512点采样及以上的数据运算，以其中的一个参数指标谐波监测为例，在512点采样的基础上，还必须计算到50次谐波及以上，而数据运算是电能质量在线监测装置软件中最关键的部分，传统的采用主控CPU进行大量数据运算会导致主控CPU运行速度较慢，实现对电能质量中实时性瞬态变化过程的准确的捕捉不太容易，影响电能质量在线监测装置的精确度和实时性。
发明内容
本发明所解决的技术问题是克服现有技术的电能质量在线监测装置的大量数据运算会导致主控CPU运行速度较慢，对电能质量中实时性瞬态变化过程的准确的捕捉不太容易，影响电能质量在线监测装置的精确度和实时性的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（1），通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算；
步骤（2），通过仿真软件将硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算方法，转换为硬件描述语言文件，并生成控制编译的脚本；
步骤（3），通过编译的脚本编译硬件描述语言文件；
步骤（4），将硬件描述语言文件下载到可编程逻辑器件；
步骤（5），可编程逻辑器件工作，实现电能质量数据分析与处理过程。
前述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（1）通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算的方法为，
(1)，利用MATLAB计算电能质量数据分析与处理选用的小波包的高通滤波器和低通滤波器的系数；
（2），对MATLAB计算的系数进行浮点定点形式转换，得到定点形式的滤波器系数；
（3），根据得到的定点形式的滤波器系数，在Simulink软件中构建对应的高、低通滤波器组，构建的高、低通滤波器组为步骤（1）所述的硬件逻辑单元。
前述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（2）所述仿真软件为Simulink软件，利用Simulink软件内部的Signal Compiler模块单元，所述硬件描述语言文件为Verilog硬件描述语言文件。
前述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（4）所述可编程逻辑器件为FPGA。
前述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（5）可编程逻辑器件工作，实现电能质量数据分析与处理过程，具体步骤如下，
（1）根据采样定理，通过硬件逻辑单元对电能质量数据的交流周期信号S进行第一层小波包分解和二抽取运算，得到低频段A和高频段D；
(2),分别对低频段A和高频段D进行第二层小波包分解和二抽取运算，低频段A分解后为低频段AA和高频段AD，高频段D分解后为低频段DA和高频段DD，以此类推，在对应的尺度空间上得到交流周期信号S的基波信号及畸变信号的分量；
（3）完成电能质量数据的分析与处理。
本发明的有益效果是：本发明电能质量数据运算的IP核处理方法，用硬件逻辑单元搭建的IP核实现电能质量数据运算，代替传统的主控CPU软件程序实现, 提高了主控CPU的运行速率，在保持原本的数据运算功能不变的情况下，提高了装置整体的运行速度，使得对电能质量中实时性瞬态变化过程的准确的捕捉变得更容易实现，精确度高，实时性强，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的电能质量数据运算的IP核处理方法的流程图。
图2是本发明的可编程逻辑器件分析与处理电能质量数据的示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（1），通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算，硬件逻辑单元构成的过程如下，
(1)，利用MATLAB计算电能质量数据分析与处理选用的小波包的高通滤波器和低通滤波器的系数，其中小波包的分解运算是实现电能质量数据分析与处理基础，依据mallat算法中小波包分解运算可以通过滤波器组迭代计算出的这一思想，可知小波包分解运算实现的关键在于滤波器组的设计，换言之，小波包分解运算中高低通滤波器组是电能质量数据分析与处理运算的硬件逻辑单元构成部分；
（2），由于MATLAB计算出的系数为浮点型的，不能直接使用，对MATLAB计算的系数进行浮点定点形式转换，得到定点形式的滤波器系数，转换后浮点形式的滤波器和定点形式滤波器幅频特性，浮点形式的滤波器和定点形式滤波器幅频特性基本一直，符合Simulink软设计的要求；
（3），根据得到的定点形式的滤波器系数，在Simulink软件中构建对应的高、低通滤波器组，构建的高、低通滤波器组为步骤（1）所述的硬件逻辑单元；
步骤（2），通过仿真软件将硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算方法，转换为硬件描述语言文件，并生成控制编译的脚本，所述仿真软件为Simulink软件，利用Simulink软件内部的Signal Compiler模块单元，所述硬件描述语言文件为Verilog硬件描述语言文件；
步骤（3），通过编译的脚本编译硬件描述语言文件；
步骤（4），将硬件描述语言文件下载到可编程逻辑器件，可编程逻辑器件选用FPGA，处理速度快；
步骤（5），可编程逻辑器件工作，实现电能质量数据分析与处理过程，具体步骤如下，
（1）根据采样定理，只需要一半的采样点数就可以恢复原信号，故对滤波后的信号进行二抽取，为提高处理速度，如图2所示，通过硬件逻辑单元对电能质量数据的交流周期信号S进行第一层小波包分解和二抽取运算，得到低频段A和高频段D；
（2）分别对低频段A和高频段D进行第二层小波包分解和二抽取运算，低频段A分解后为低频段AA和高频段AD，高频段D分解后为低频段DA和高频段DD，以此类推，在对应的尺度空间上得到交流周期信号S的基波信号及畸变信号的分量；
（3）完成电能质量数据的分析与处理。
根据本发明构建的电能质量数据运算的IP核，处理电能质量数据运算的一具体实施例为，
IEC(国际电工委员会)要求谐波分析以5Hz为频谱分辨率，检测时间间隔为200ms，电能质量在线监测装置中谐波检测最高能检测50次谐波，频谱分辨率则为5Hz~2500Hz，200ms为10个基波周期，每个周期采样点数为256点。传统的软件处理方法按照IEC的要求在200ms的时间间隔里对采样点数为2560点进行50次谐波的分析与运算的时间为150ms，而采用本发明的通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算方法需要的时间为90ms，大大提高了运算速度，提高了电能质量在线监测装置的实时性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和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。
Claims (4)
1.电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（1），通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算；
步骤（2），通过仿真软件将硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算方法，转换为硬件描述语言文件，并生成控制编译的脚本；
步骤（3），通过编译的脚本编译硬件描述语言文件；
步骤（4），将硬件描述语言文件下载到可编程逻辑器件；
步骤（5），可编程逻辑器件工作，实现电能质量数据分析与处理过程，具体步骤如下，
（5.1）根据采样定理，通过硬件逻辑单元对电能质量数据的交流周期信号S进行第一层小波包分解和二抽取运算，得到低频段A和高频段D；
（5.2）分别对低频段A和高频段D进行第二层小波包分解和二抽取运算，低频段A分解后为低频段AA和高频段AD，高频段D分解后为低频段DA和高频段DD，以此类推，在对应的尺度空间上得到交流周期信号S的基波信号及畸变信号的分量；
（5.3）完成电能质量数据的分析与处理。
2.根据权利要求1所述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（1）通过硬件逻辑单元构成电能质量数据分析与处理的运算的方法为，
（1.1），利用MATLAB计算电能质量数据分析与处理选用的小波包的高通滤波器和低通滤波器的系数；
（1.2），对MATLAB计算的系数进行浮点定点形式转换，得到定点形式的滤波器系数；
（1.3），根据得到的定点形式的滤波器系数，在Simulink软件中构建对应的高、低通滤波器组，构建的高、低通滤波器组为步骤（1）所述的硬件逻辑单元。
3.根据权利要求1所述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（2）所述仿真软件为Simulink软件，利用Simulink软件内部的Signal Compiler模块单元，所述硬件描述语言文件为Verilog硬件描述语言文件。
4.根据权利要求1所述的电能质量数据运算的IP核处理方法，其特征在于：步骤（4）所述可编程逻辑器件为FPGA。
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