CN113702700B - 一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路。该专用集成电路包括：顶层专用电路和参数计算专用模块，所述参数计算专用模块包括电流电压有效值专用计算电路、电流电压均值专用计算电路、电流电压峰值专用计算电路、功率专用计算电路、基波频率专用计算电路、谐波专用计算电路，以及三相电能和功率因数专用计算电路中的至少一种。所述顶层专用电路，与各专用计算电路电连接，用于根据参数计算指令调用相应的专用计算电路计算相应参数。本发明由于设计了针对单一参数的专用计算电路以及顶层专用电路，与现有技术中基于软件的通用处理器相比，本申请的运算性能得到了提升。

Description

一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路

技术领域

本发明涉及数字集成电路领域，特别是涉及一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路。

背景技术

随着电力系统的发展，智能电网终端对于多功能电能参数测量的需求逐步增加，其电能和电能质量参数测量功能要求达到尽可能多样、快速和低功耗。现有的电能参数量测系统大多基于MCU+DSP的架构，其中MCU主要用于控制，DSP适合进行大量数据的处理，能够快速实现FFT、滤波等算法，它们之间协同工作具备相对强大的数据处理能力，其性能强大的主要原因在于采用指令与数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，能快速完成一些复杂的浮点运算。然而其本质依然是基于软件的通用处理器，其可编程性和灵活性的优势使其运算速度受到了限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路，以提高运算速度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路，包括：顶层专用电路和参数计算专用模块，所述参数计算专用模块包括电流电压有效值专用计算电路、电流电压均值专用计算电路、电流电压峰值专用计算电路、功率专用计算电路、基波频率专用计算电路、谐波专用计算电路，以及三相电能和功率因数专用计算电路中的至少一种；

所述顶层专用电路，与各专用计算电路电连接，用于根据参数计算指令调用相应的专用计算电路计算相应参数。

可选的，所述顶层专用电路用于：

存储电压电流采样数据，所述电压电流采样数据包括电力系统的电压采样数据和电流采样数据；

接收参数计算指令；

对所述参数计算指令进行译码；

根据译码后的参数计算指令调用相应的专用计算电路以及电压电流采样数据，所述电压电流采样数据用于计算所述相应参数。

可选的，所述参数计算专用模块中涉及的加运算电路、减运算电路、乘运算电路、除运算电路均由XilinxIP核直接例化得到。

可选的，所述电流电压有效值专用计算电路用于基于数乘的累加操作，根据电流采样数据计算电流有效值以及根据电压采样数据计算电压有效值；

所述电流电压均值专用计算电路用于基于数乘的累加操作，根据电流采样数据计算电流均值以及根据电压采样数据计算电压均值；

所述电流电压峰值专用计算电路用于比较操作，根据电流采样数据计算电流峰值以及根据电压采样数据计算电压峰值；

可选的，所述电流电压有效值专用计算电路、电流电压均值专用计算电路、电流电压峰值专用计算电路能够进行并行计算。

可选的，所述功率专用计算电路用于：

根据所述电压电流采样数据计算全波有功功率；

根据所述电流电压有效值专用计算电路输出的电压有效值和电流有效值计算全波视在功率；

根据所述全波有功功率和所述全波视在功率计算全波无功功率。

可选的，电压有效值、电流有效值、电压均值、电流均值以及全波有功功率的计算采用准同步采样算法进行校正。

可选的，所述基波频率专用计算电路用于根据所述电压电流采样数据确定基波频率。

可选的，所述谐波专用计算电路用于根据所述基波频率专用计算电路输出的基波频率计算各次谐波的有效值和相角，总谐波失真，各次谐波有功功率，各次谐波无功功率，各次谐波视在功率，以及各次谐波含有率。

可选的，所述三相电能和功率因数专用计算电路用于：

根据全波相关功率参数以及基波相关功率参数，计算三相总电能、三相基波电能、正反向有功电能、四象限无功电能、基波功率因数以及总功率因数；

其中，所述全波相关功率参数由所述功率专用计算电路计算得到；所述全波相关功率参数包括：全波有功功率、全波无功功率和全波视在功率；

所述基波相关功率参数由所述谐波专用计算电路计算得到；所述基波相关功率参数包括：基波有功功率、基波无功功率和基波视在功率。

根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本申请针对电力系统电能和电能质量参数的计算，设计了针对单一参数计算的专用计算电路，同时还设计了用于根据参数计算指令调用相应的专用计算电路的顶层专用电路，当需要计算某一或某些参数时，顶层专用电路调用相应的专用计算电路进行参数的计算。由于本申请设计了针对单一参数的专用计算电路以及顶层专用电路，与现有技术中基于软件的通用处理器相比，本申请的运算速度得到了提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中计算电能和电能质量参数的专用集成电路的结构示意图；

图2为本发明实施例中各专用计算电路之间的关系示意图；

图3为本发明实施例中参数计算指令执行流程示意图。

具体实施方式

为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一无线通信模块和第二无线通信模块仅仅是为了区分不同的无线通信模块，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路，以提高运算速度。

参见图1，本申请提供的专用集成电路包括：顶层专用电路1和参数计算专用模块2。其中，参数计算专用模块2包括电流电压有效值专用计算电路23、电流电压均值专用计算电路22、电流电压峰值专用计算电路21、功率专用计算电路24、基波频率专用计算电路25、谐波专用计算电路26，以及三相电能和功率因数专用计算电路27中的至少一种。顶层专用电路1，与各专用计算电路电连接，用于根据参数计算指令调用相应的专用计算电路计算相应参数。

本申请中的各专用电路基于Verilog硬件描述语言进行设计，能够实现对输入电压电流采样数据的均值、有效值、峰值、视在功率、有功功率、无功功率、频率、谐波分量有效值和相角、总谐波失真、功率因数和三相总电能等参数的计算功能。

上述顶层专用电路1主要用于：存储电压电流采样数据；接收参数计算指令；对所述参数计算指令进行译码；根据译码后的参数计算指令调用相应的专用计算电路以及电压电流采样数据，以进行相应参数的计算。

上述计算电能和电能质量参数的专用集成电路内部的工作原理如下：

顶层专用电路1接收来自测试模块3或主机的电能参数计算指令，同时将busy接口置位，之后对指令进行译码，从而决定指令计算类型以及指令计算类型所需的电流采样数据和/或电压采样数据的存储地址，之后根据指令计算类型对上述各专用计算电路进行使能并发出复位信号，并将顶层专用电路1储存的上述电流采样数据和/或电压采样数据通过采样数据接口传输到专用计算电路中，之后专用计算电路在外部时钟信号(由测试模块3或主机提供)和复位信号的激励下，进行相应参数的计算，并最终将计算结果通过结果传输接口返回到顶层专用电路1，存储于顶层专用电路1的结果寄存器组中，最后将busy接口复位，开始读取下一条指令。

需要说明的是，上述顶层专用电路1和各参数专用计算电路可由硬件可编程电路FPGA进行编程实现。

需要说明的是，为了实现对上述专用集成电路的性能测试，本申请设置了上述测试模块3。即上述测试模块3专门用于上述专用集成电路的性能测试。

图2展示了上述专用集成电路在电能量测系统中的工作方式，参见图2，电力系统电流电压数据的采样以及电流电压采样数据的模数转换均由外部电路实现，外部主处理器将上述经模数转换后的电流电压采样数据传输到电能和电能质量参数计算专用集成电路IP，该专用集成电路IP(包括顶层专用电路1和各参数专用计算电路)，顶层专用电路1将电流电压采样数据存储在其特定的存储区域内，并在外部主处理器提供的时钟信号和参数计算指令的指导下使能相关的参数专用计算电路进行高速数据运算。运算结果数据(电压、电流、有功、无功、THD等)存储于顶层专用电路1的结果寄存器组中。

用户如需对上述结果数据进行分析与综合，只需从人机接口通过相应按键读取数据，上述外部主处理器将根据按键输入从结果寄存器组中读取相应参数并将其输出。

需要说明的是，上述外部电路以及外部主处理器是本申请提供的专用集成电路之外的电路和处理器，旨在说明其不属于本申请所提供的专用集成电路的组成部分。

图1展示了本申请中专用集成电路IP各功能电路模块之间的关系，参见图1，其中，测试模块3负责向专用集成电路IP输出复位信号和高速时钟信号，并依次输送32位参数计算指令，专用集成电路IP根据参数计算指令进行参数计算处理，并存储结果数据。图1中同时还显示了各参数专用计算电路之间的依赖关系。

下面对上述顶层专用电路1和各参数专用计算电路进行介绍：

1)顶层专用电路1

顶层专用电路1定义了电能和电能质量参数计算专用指令集，该指令集为32位指令编码，第0到25位代表指令类型，以特定位表示特定类型的参数计算，最多支持26种电能和电能质量参数的计算；第26到31位表示采样数据通道来源，对应于A、B、C三相电压电流六个数据通道，顶层专用电路1可以同时对单个或多个通道采样数据储存区域进行访问。表1显示了所述专用指令集的指令编码及各自的含义。

表1

顶层专用电路1主要功能为：

(1)接收来自主机或测试模块3的电能参数计算指令；对指令进行译码确定采样数据地址和指令类型。

(2)确定该指令类型依赖的参数计算，控制相应专用计算电路优选进行该依赖参数的计算，以计算视在功率为例，其依赖参数为电压有效值和电流有效值，具体的操作方式为将当前指令(视在功率计算指令)压入栈堆，同时取出相应的依赖参数计算指令(电流电压有效值计算指令)，先完成该依赖参数计算指令的运算，然后将当前指令(视在功率计算指令)出栈，完成当前指令(视在功率计算指令)的计算。

(3)给各参数专用计算电路发出使能信号、时钟信号和复位信号。

(4)读取各参数专用计算电路返回的参数计算结果数据，并将结果数据存储到顶层专用电路1的结果寄存器组中。

图3展示了参数计算指令的执行流程。顶层专用电路1在接收到指令后，首先对指令进行译码，得到指令类型和计算数据通道，如果指令有效，则检查该指令对应的参数是否已经计算过，如果计算过则直接返回接收下一条指令，否则进一步计算指令执行的依赖参数，在依赖参数计算完成后进入到该指令的运算模块，计算完成后将结果返回至顶层专用电路1的结果寄存器组中，并开始接收下一条指令。

2)电流电压有效值专用计算电路23、电流电压均值专用计算电路22以及电流电压峰值专用计算电路21

在一些实施例中，电流电压有效值专用计算电路23、电流电压均值专用计算电路22以及电流电压峰值专用计算电路21封装于同一模块内，三者可以实现并行计算，其原理及计算公式如表2所示，其运算本质为对数乘的累加操作或比较操作(峰值)，具体实现方式为三者共用同一计数器，有效值和均值专用计算电路在每个时钟周期完成相应乘法运算并将结果依次累加到一个累加寄存器，峰值专用计算电路在每个时钟周期完成比较运算和峰值的更新，在达到计数周期时将结果返回到顶层专用电路1即可。

表2

需要说明的是，有效值和均值以及有功功率的计算采用准同步采样算法进行校正，该算法以采样周期数N和每周期采样点数n为输入，输出为一个宽为n*N+1的准同步采样窗，即为表2中的η，所述准同步采样窗系数预存于顶层专用电路1的只读存储器ROM内。

3)功率专用计算电路24

功率专用计算电路24根据电压电流采样数据计算全波有功功率；根据电流电压有效值专用计算电路23输出的电压有效值和电流有效值计算全波视在功率；根据全波有功功率和全波视在功率计算全波无功功率。

4)基波频率专用计算电路25

在一些实施例中，基波频率专用计算电路25可采用基于Blackman窗函数的傅里叶变换算法和双谱线插值算法来计算采样信号的基波频率，该算法以采样数据为输入，从采样数据接口读入，经过离散傅里叶变换和插值算法的校正得到采样序列的基波频率。其中涉及的三角函数值采用查表法取值，该三角函数数据预存于顶层专用电路1的只读存储器ROM内。

5)谐波专用计算电路26

在一些实施例中，谐波专用计算电路26可采用基于Blackman-Harris窗的FFT算法计算并校正采样信号各次谐波的有效值和相角，该算法以采样数据及采样信号的基波频率为输入，因此其计算依赖于基波频率专用计算电路25的计算结果，谐波计算指令在执行时会由顶层专用电路1自行调用基波频率计算指令，在完成基波频率计算后，通过频率传输接口传输到谐波专用计算电路26，最终谐波专用计算电路26的输出包括各次谐波有效值和相角、总谐波失真、各次谐波有功功率和各次谐波含有率的计算。

6)根据功率专用计算电路24和谐波专用计算电路26计算所得全波功率和基波功率的计算结果，对这些结果在A、B、C三相进行累加来计算三相总电能、三相基波电能、正反向有功电能、四象限无功电能、基波功率因数以及总功率因数。

需要说明的是，上述各参数专用计算电路的存储和运算数据格式均为符合IEEE标准的单精度浮点数格式，其涉及到的加、减、乘、除运算电路均可用XilinxIP核直接例化得到。所述各算法中的循环结构语句采用内部定时器+有限状态机的方式进行实现，可在单个时钟周期内完成单次循环体语句的运算。所述各目标参数的计算结果均存储于顶层专用电路1中的结果寄存器组内，结果寄存器组的定义如表3所示，该结果可由主机在所有参数计算完毕后进行读取。

表4

表2显示了所述各参数的计算算法以及仿真结果误差，该误差以采取相同算法的软件实现方式的计算结果为参照，结果显示本申请所提供的专用集成电路IP对各参数的计算均具有较高精度，满足实际应用需求。

本申请提供的计算电能和电能质量参数的专用集成电路具有以下优势：

(1)本申请基于硬件描述语言的专用集成电路设计，相对于现有的MCU+DSP的设计实现方式具有运算速度快、能效比高的优点。由各参数的计算仿真结果显示，本申请对于均值、有效值、峰值和功率以及频率的计算误差在0.0005％之内，对于谐波有效值的计算误差均在0.02％之内，谐波相角的计算误差在0.5％以内，总谐波失真的误差在0.02％以内，对于三相电能和功率因数的计算结果误差也都保持在0.001％以内，其计算精度满足实际应用的需求。

(2)本申请实现了均值，有效值，峰值，视在功率，有功功率，无功功率，频率，谐波分量有效值和相角，总谐波失真，功率因数和三相总电能等多种参数计算功能，且设计了电能参数计算专用指令集，该指令集的可扩展性使专用IP易于进行功能扩展。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，包括：顶层专用电路和参数计算专用模块，所述参数计算专用模块包括电流电压有效值专用计算电路、电流电压均值专用计算电路、电流电压峰值专用计算电路、功率专用计算电路、基波频率专用计算电路、谐波专用计算电路，以及三相电能和功率因数专用计算电路中的至少一种；

所述顶层专用电路，与各专用计算电路电连接，用于根据参数计算指令调用相应的专用计算电路计算相应参数；

设置有与所述专用集成电路连接的测试模块，所述测试模块用于对所述专用集成电路进行性能测试；

所述顶层专用电路接收来自所述测试模块或主机的所述参数计算指令，同时将busy接口置位，之后对所述参数计算指令进行译码，从而决定指令类型以及指令计算类型所需的电流采样数据和/或电压采样数据的存储地址，然后根据所述指令计算类型对上述各专用计算电路进行使能并发出复位信号，并将所述顶层专用电路储存的电流采样数据和/或电压采样数据通过采样数据接口传输到所述专用计算电路中，所述专用计算电路在由所述测试模块或所述主机提供的外部时钟信号和复位信号的激励下，进行相应参数的计算，并将计算结果通过结果传输接口返回到所述顶层专用电路，存储于所述顶层专用电路的结果寄存器中，将busy接口复位开始读取下一条指令；

所述顶层专用电路在接收到指令后，首先对指令进行译码，得到指令类型和计算数据通道，如果指令有效，则检查该指令对应的参数是否已经计算过，如果计算过则直接返回接收下一条指令，否则进一步计算指令执行的依赖参数，在依赖参数计算完成后进入到该指令的运算模块，计算完成后将结果返回至所述顶层专用电路的结果寄存器中，并开始接收下一条指令。

2.根据权利要求1所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述顶层专用电路用于：

存储电压电流采样数据，所述电压电流采样数据包括电力系统的电压采样数据和电流采样数据；

接收参数计算指令；

对所述参数计算指令进行译码；

根据译码后的参数计算指令调用相应的专用计算电路以及电压电流采样数据，所述电压电流采样数据用于计算所述相应参数。

3.根据权利要求1所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述参数计算专用模块中涉及的加运算电路、减运算电路、乘运算电路、除运算电路均由XilinxIP核直接例化得到。

4.根据权利要求2所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述电流电压有效值专用计算电路用于基于数乘的累加操作，根据电流采样数据计算电流有效值以及根据电压采样数据计算电压有效值；

所述电流电压均值专用计算电路用于基于数乘的累加操作，根据电流采样数据计算电流均值以及根据电压采样数据计算电压均值；

所述电流电压峰值专用计算电路用于比较操作，根据电流采样数据计算电流峰值以及根据电压采样数据计算电压峰值。

5.根据权利要求4所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述电流电压有效值专用计算电路、电流电压均值专用计算电路、电流电压峰值专用计算电路能够进行并行计算。

6.根据权利要求5所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述功率专用计算电路用于：

根据所述电压电流采样数据计算全波有功功率；

根据所述电流电压有效值专用计算电路输出的电压有效值和电流有效值计算全波视在功率；

根据所述全波有功功率和所述全波视在功率计算全波无功功率。

7.根据权利要求6所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，电压有效值、电流有效值、电压均值、电流均值以及全波有功功率的计算采用准同步采样算法进行校正。

8.根据权利要求2所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述基波频率专用计算电路用于根据所述电压电流采样数据确定基波频率。

9.根据权利要求2所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述谐波专用计算电路用于根据所述基波频率专用计算电路输出的基波频率计算各次谐波的有效值和相角，总谐波失真，各次谐波有功功率，各次谐波无功功率，各次谐波视在功率，以及各次谐波含有率。

10.根据权利要求1所述的计算电能和电能质量参数的专用集成电路，其特征在于，所述三相电能和功率因数专用计算电路用于：

根据全波相关功率参数以及基波相关功率参数，计算三相总电能、三相基波电能、正反向有功电能、四象限无功电能、基波功率因数以及总功率因数；

其中，所述全波相关功率参数由所述功率专用计算电路计算得到；所述全波相关功率参数包括：全波有功功率、全波无功功率和全波视在功率；

所述基波相关功率参数由所述谐波专用计算电路计算得到；所述基波相关功率参数包括：基波有功功率、基波无功功率和基波视在功率。

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