用于估计周期信号的系统和方法
【专利摘要】根据一种实施方式，一种重构周期信号的方法，包括：从感测电路接收周期信号的随机电子样本；通过处理器按照相继次序对电子样本进行排序以形成有序样本；以及通过处理器基于有序样本来估计周期信号的形状。
【专利说明】用于估计周期信号的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开内容总体上涉及电子设备，具体地涉及一种用于估计周期信号的系统和方法。
【背景技术】
[0002]公用事业供应商比如电力供应商、水供应商或者天然气供应商已经引入了自动读表(AMR)，例如为了能够从电表装置、水表装置或气表装置自动地收集消费数据、诊断数据和状态数据。这些数据被传送给中央数据库用于开账单、排错和分析，这使得关于消费的信息几乎实时可用。这个与分析耦合的适时信息可以帮助公用事业供应商和消费者二者更好地控制电能的使用和生产、天然气使用或水消耗。
[0003]以前几代的模拟表比如用于测量耗电量的法拉利模拟计数器具备电力消耗与计数器内的转轮之间的一对一的物理上可靠的关系。因此，对于用电户和电力共用事业公司而言，监测当前功耗和所度量的电耗的有效性是很简单的事情。例如，用电户可以很简单地比较电费账单上列出的计量表读数与实际的计量表读数。在电子实现自动读表的系统中，对于客户或者服务供应商而言，可能更难验证由电子式表检测的功耗与账单的电能是否彼此一致，或者电子式表标记或传输的所报告的耗电量是否已经被修改或篡改。这样的篡改可能是由于用户试图操纵标记的数据以减少公用事业账单，或者该篡改可能是由于供应商试图增加客户的账单。
【发明内容】
[0004]根据一种实施方式，一种重构周期信号的方法，包括:从感测电路接收周期信号的随机电子样本；通过处理器按照相继次序对该电子样本进行排序以形成有序样本；以及通过处理器基于该有序样本来估计周期信号的形状。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]为了更完全地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中:
[0006]图1图示了智能表装置的框图；
[0007]图2a至图2b图示了智能度量设备的更详细的框图；
[0008]图3图示了计量算法实施方式的框图；
[0009]图4a至图4b图示了方法实施方式的框图；
[0010]图5a至图5e图示了一种波形图，该波形示出了正弦信号的一个实施方式重构；
[0011]图6a至图6c图示了一种波形图，该波形示出了失真信号的一个实施方式重构；以及
[0012]图7图示了处理系统实施方式的框图。
[0013]除非另外说明，不同附图中的相应的附图标记和符号总体上指代相应的部件。绘制这些附图是为了清楚地图示优选实施方式的有关方面，这些附图并非必须按比例绘制。为了更清楚地图示某些实施方式，附图编号后面跟有指示相同结构、材料或处理步骤的变体的字母。
【具体实施方式】
[0014]下面详细讨论当前优选实施方式的进行和使用。然而，应当理解，本发明提供了很多可用发明概念，这些发明概念可以在多种具体背景中来实施。所讨论的【具体实施方式】仅为了说明用于进行和使用本发明的具体途径，而非限制本发明的范围。
[0015]将关于提供可验证的测量数据的智能电表的具体背景、系统和方法的优选实施方式来描述本发明。然而，本发明还可以应用于其他应用，包括但不限于电表、气表和水表、一般流量表和能量表、远程感测系统、数据标记应用、数据处理系统和其他提供可验证记录数据的系统。
[0016]图1图示了根据本发明的实施方式的示例功率测量场景100。如所示出的，客户102经由电源线110从公用事业公司106接收功率，智能电表104测量客户102消耗的功率。智能电表104可以存在于例如客户102的建筑物或住所内。在一些实施方式中，智能电表104被配置成接通和断开客户102的电源。表数据经由通信链路112向公用事业公司发送。通信链路112可以是无线通信链路、电话链路、有线互联网链路、电源线链路、专用有线链路或其他通信链路。在正常操作期间，智能电表104向公用事业公司106发送表示客户102消耗的电量的数据。这个数据可以以预定间隔来发送并且可以表示比如实际功率、无功功率、视在功率、功率因子、谐振功耗、系统状态信息和其他数据的值。因此，公用事业公司106可以将这个数据用于开账单的目的和/或用于监测功率分配系统的整体完整性的目的。例如，公用事业公司106可以使用功率因子信息和谐振功耗来确定向客户102递送的功率的效率，并且可以基于这些接收的测量值来调节功率分配系统。
[0017]在一个实施方式中，智能电表104也与验证机构108通信，验证机构108可以是公共组织、私有组织或政府组织，其任务是验证智能电表104给出的测量值的完整性。智能电表104给出的测量值可能丢失完整性的情况是例如智能电表104已经损坏或被篡改的情况。篡改可能潜在地发生在用电户102和公用事业公司106 二者的一部分上。例如，客户102可能篡改智能电表104以便将智能电表104发送的测量数据报告在消耗的电量以下。客户102进行的篡改可能包括试图对智能电表104重新编程，或者物理上绕过智能电表104。
[0018]另一方面，公用事业公司106可能有动机来调节智能电表104以便报告比实际消耗的更高的电耗。公用事业公司106进行的篡改可以包括例如修改智能电表104内的软件、硬件和/或数据。在公用事业公司106提供和/或制造智能电表104的情况下，智能电表内的软件或硬件可以被具体设计成伪造实际消耗的电量。
[0019]在本发明的实施方式中，存在多种方式使得验证机构108可以验证智能电表104给出的测量值的完整性。一种可以执行验证的方式是以受控的随机方式向验证机构108发送原始电压测量值和电流测量值，意味着通过涉及随机或伪随机分量的方法来选择随机样本。这样，很小百分比如1%或2%在时间随机化或随机时间的基础上被发送给验证机构。在实施方式中，这个随机化可以在不将数据中间存储在无保护的存储器比如RAM、闪存等中并且在不使用存储在无保护的存储器中的其他临时数据或处理数据的情况下来实现。在一些实施方式中，中间数据可以写入受保护的SRAM中。
[0020]在一个实施方式中，验证机构108接收这些随机发送的测量样本，重新计算功耗测量值，并且将重新计算的测量值与报告的消耗测量值相比较。在随机发送的值被标记和/或加密的实施方式中，验证机构108可以首先验证签名和/或对测量值进行解密。如果重新计算的消耗测量值在智能表和/或公用事业所报告的测量值的误差的裕度内，则所报告的测量值可以认为有效。另一方面，如果重新计算的测量值在误差的裕度外，则已经检测到了篡改的可能性。在这样的实施方式中，智能电表104被配置成使用不可能被篡改或修改的硬件和软件来对数据样本进行电标记。这些电标记的数据样本可以表示在执行另外的处理之前智能电表进行的电源线110上的电流和电压的原始数据测量值。通信信道114可以使用例如通用异步收发器(UART)、串行通信接口、或者无线或有线网络接口来实现。在一些实施方式中，随机数据块的传输不可以被系统中的任何其他块、设备或实体中断。例如，可以使用现有技术中公知的加密的电子签名技术和方法来生成电子签名。例如，可以使用哈希值来对数据进行标记，和/或使用对称或非对称加密算法比如高级加密标准(AES)、Rivest, Shami, Mdleman(RSA)算法、SHA1/256、汉明码、消息摘要算法(MD5)或椭圆曲线加密(ECC)方法来对数据进行加密。
[0021]一旦验证机构108已经接收到电子标记的数据，则验证机构108可以将所接收到的电子标记的数据与从公用事业公司106接收的数据或者智能电表104生成的测量数据相比较。在电子标记的原始数据由验证机构108使用以便验证智能电表104的完整性的实施方式中，由智能电表104实现的测量算法和计量算法由验证机构108来重新产生，并且这些重构的测量值的结果与智能电表104产生的测量值和/或公用事业公司106接收到的功率测量值相比较。例如，如果重构的功率测量值不匹配，或者不在智能电表104产生的测量值的或者公用事业公司106报告的测量值的误差或偏差的可接受的裕度内，则篡改可能变得很清楚。应当理解，图1的实施方式场景还可应用于其他类型的测量值。例如，在一些实施方式中，可以测量其他公用事业类型，比如天然气、水或任何种类的消耗的液体或能量。实施方式的概念也可以用于测量其他变量并且验证测量值。
[0022]由于数据的随机发送，假定基本上恒定的功耗，发送足够的数据以在具体时间帧内重构平均功耗。给定随机样本，重构所接收的波形，并且基于重构波形来重新获得测量数据。可以从重构波形中获得参数比如均方根(RMS)功耗，并且可以将其与报告给公用事业公司106的数据相比较。在一个示例中，原始数据的一个周期可以包含大约80至大约160个样本。通过传输I %的原始数据,传输原始数据的每个周期的平均大约I至2个样本。这表示，为了得到一个完整的近似正弦波，在50Hz的线频率需要大约100个周期或者需要2秒。
[0023]在一个实施方式中，智能电表104被配置成使得不能够防止发送随机样本。随机或者伪随机生成的值用于判定是否要发送给定样本。在一些实施方式中，原始数据的这个随机传输以及随机选择测量值用于传输的处理不依赖于在前数据传输的细节。原始数据可以在样本获取之后立刻进行打包和发送。例如，取决于所使用的具体的模数变换器(ADC)的给定采样率，每秒钟可能有η个获取时间点。智能电表104可以被配置成防止中断向验证机构108发送的采样的原始数据。在一些实施方式中，系统、方法和技术可以合并，尤其是这些涉及原始数据的随机传输的系统、方法和技术可以合并，这些在2012年3月23日提交的名称为“Method to Detect Tampering of Data”的美国专利申请13/428，718以及2012年4月30日提交的名称为“Method to Detect Tampering of Data”的美国专利申请13/459，772中进行了描述，这些申请的全部公开内容通过引用合并到本文中。
[0024]如上所述，原始数据测量数据可以在发送至验证机构108之前进行标记和/或加密。处理后的测量数据也可以进行加密和发送。相同或不同的加密方法可以用于原始数据和处理后的数据。在一些实施方式中，可以由以特许模式运行的处理器来执行对原始数据测量值和处理后的数据测量值的处理、签名生成、哈希操作和加密。在一些实施方式中，可以使用特许执行模式的系统和方法以及其他系统和方法，这些系统和方法在2012年8月20 日提交的名称为 “System and Method for Processing Device with DifferentiatedExecut1n Mode”的美国专利申请13/590，017以及2013年5月29日提交的名称为“Systemand Method for Processing Device with a Pr1rity Interrupt，，的美国专利申请13/904, 957中进行了描述，这些申请的全部公开内容通过应用合并到本文中。
[0025]图2a图示了耦合至验证机构204的智能电表202的实施方式。智能电表202包括传感器单元206、处理单元220、通信设备222和显示器224。传感器单元206耦合至电源线110，并且包括一个或多个电压传感器208以及一个或多个电流传感器210。每个电压传感器208和电流传感器210产生耦合至处理单元220内的模拟前端(AFE) 212的模拟信号。AFE212可以包括例如一个或多个模数转换器，该模数转换器将来自电压传感器208和电流传感器210的模拟输出转换成数字表示。处理器214对由AFE212产生的数据执行操作。这些操作可以包括例如数据采集、计量算法的执行、原始数据或测量数据的加密签名生成以及其他系统任务。在工作期间，处理器214可以从存储器216读取数据以及向存储器216中写入数据。通信设备222被配置成向验证机构204或公用事业公司(未示出)发送数据，或从验证机构204或公用事业公司(未示出)接收数据。通信设备222可以包括例如无线和/或有线接口。示例接口可以包括但不限于近距离通信接口如无线M总线、M总线、ZigBee和电源线通信(PLC)接口以及远距离通信接口如PSTN、GSM、UMTS和WLAN。
[0026]在一个实施方式中，显示器224提供示出了智能电表202测量的电量的可视界面。显示器224可以包括例如由显示控制器218来控制的液晶显示器(IXD)。备选地，可以使用其它显示器类型，和/或可以将测量的计量表数据馈送到室内数据通信网络中。可以设置硬件安全块219，以提供用于对数据进行加密和解密以及生成验证签名的基于硬件的加密支持。此外，硬件安全块219还可以向在处理器214上执行的基于软件的加密例程提供基于硬件的支持。基于硬件的支持的一个这样的示例为真随机数生成器，其输出可以由加密算法如椭圆曲线加密(ECC)或例程来使用以对原始数据的发送进行随机化。此外，硬件安全块219还可以包含对于其他随机数生成算法的硬件支持。硬件安全块219可以用作例如加速器或协处理器，或者整个可以实现整个加密算法。
[0027]验证机构204经由通信信道114从通信设备222接收数据。在一些实施方式中，验证机构204可以使用例如计算机和/或处理器226来实现。在一些实施方式中，验证机构204可以经由网络如广域网或互联网耦合至智能电表202。在一些实施方式中，智能电表202还可以被配置成例如经由W1-Fi连接或有线LAN连接如以太网连接与局域网(LAN)通信。在一些实施方式中，智能电表202可以经由LAN向用电户102传输功耗测量值和统计值，使得用电户可以监控功率使用。
[0028]在本发明的实施方式中，以如下方式来处理进行稍后的验证的数据如标记的原始数据和标记的测量数据:该方式使得能够防止被不信任的软件和/或非授权的用户篡改。保护这个数据的一种途径是以如下受保护模式来操作实施方式系统:该模式使得受信任的硬件和软件例程能够向存储器的受保护区域写入数据并且能够访问关键系统资源，但是避免被不信任的硬件和软件访问。在实施方式中，使用AFE212生成的优先级中断来将处理器214置于受保护模式。在这个受保护模式下，处理器214可以写入AFE212生成的原始数据，并且对这个原始数据执行受信任的操作。在一些实施方式中，这个受保护模式经由处理器工作时间的非可屏蔽、非可中断的时间片来实现。这可以使用标准CPU处理引擎的最高中断水平来实现。一旦处理器214完成了执行受信任的软件例程，则处理器退出受保护模式，并且可选地保护处理单元220的各种资源以防止篡改。处理单元220的可保护的资源可以包括但不限于对随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、非易失性存储器如闪存、系统配置寄存器的一部分的写入和/或读取访问，对各种外围设备、测试模式和其他系统资源的配置和访问。
[0029]在一个实施方式中，发送给客户102的数据可以包括基于AFE212提供的原始样本获得的功率消耗数据。在一些实施方式中，这些获得的测量值是使用快速计量算法结合慢速计量算法来计算的。快速计量算法可以计算例如AFE212测量的电压和电流的过零点，并且提供中间计算值或变量，接着通过慢速计量算法使用这些计算值或变量来计算功耗和其他计算变量。在一个实施方式中，每次AFE212提供样本时，由处理器214来执行测量例程。这可以以例如IkHz、2kHz、4kHz、8kHz的采样率或其他采样率来发生。在一些实施方式中，提供了脉冲信号，其以预定功耗间隔照射LED225。照射LED225的时间间隔可以由用户102或验证机构108用于在视觉上验证智能电表的精度和工作。
[0030]在已经使用快速计量算法处理了预定数量的样本之后，可以执行慢速计量算法，以确定一组计算变量，如功耗、功率因子、谐波功率和其他计算变量。在一些实施方式中，在已经采集了来自整个波形周期的中间值之后，执行慢速计量算法。在一些实施方式中，在已经采集了大约10至80个样本之后，执行计算例程。备选地，可以在这个范围之外的多个样本已经被采集之后执行慢速计量算法。
[0031]在本发明的实施方式中，以如下方式来处理进行稍后的验证的数据如标记的原始数据、标记的测量数据和随机传输的数据:该方式使得能够防止被不信任的软件和/或未授权的用户篡改。保护这个数据的一种途径是以如下受保护模式来操作实施方式系统；该模式使得受信任的硬件和软件例程能够向存储器的受保护区域写入数据并且能够访问关键系统资源，但是避免被不信任的硬件和软件访问。在实施方式中，使用AFE212生成的优先级中断来将处理器214置于受保护模式。在这个受保护模式下，处理器214可以写入AFE212生成的原始数据，并且对这个原始数据执行受信任的操作。一旦处理器214完成了执行受信任的软件例程，则处理器退出受保护模式，并且保护处理单元220的各种资源以防止篡改。处理单元220的可保护的资源可以包括但不限于对随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、非易失性存储器如闪存、系统配置寄存器的一部分的写入和/或读取访问，对各种外围设备、测试模式和其他系统资源的配置和访问。
[0032]将处理器214置于受保护模式的优先级中断可以使用在复位以下的最高优先级中断来实现。在一些处理系统中，这个优先级中断为非可屏蔽中断(匪I)。图2b图示了根据本发明的实施方式的智能电表系统230，其还图示了受保护模式工作中涉及的硬件块。如所示出的，智能电表系统230包括AFE212、处理器214、控制单元236、存储器216和总线232。在实施方式中，每次AFE212输出测量样本时，生成优先级中断，在电子计量应用中测量样本例如可以以约IkHz至约4kHz的采用率发生。这个优先级中断由处理器214来接收，处理器214转而向控制单元236发送表示需要受保护模式的操作的请求。
[0033]一旦控制单元236接收到了将系统230置于受保护模式的通知，则经由信号PROT将AFE212、存储器216和硬件安全块219置于受保护模式。在受保护模式下，使得不可访问的存储器216的一部分经由总线232对于处理器214可访问。受保护的存储资源的示例可以包括例如用于暂时存储原始数据样本的SRAM的一部分、用于计算加密数据签名的SRAM的一部分、用于存储私有密钥的非易失性存储器的一部分、以及用于存储受信任的处理例程的存储器的一部分。在受保护模式下，对于AFE212和硬件安全块219的访问通过受保护设备来允许。
[0034]控制单元236还可以使得在受保护模式工作期间不可访问的其他系统资源可用。例如，可用使得系统的监视计时器(WDT)通过未受保护的代码不可访问，以防止经由声明或频率和不期望的复位来篡改系统。此外，可以在正常工作期间保护系统控制单元(SCU)、块生成单元(CGU)、配置加密单元(CEU)、实时块(RTC)、功率模式单元(PMU)和显示单元，并且使得其在受保护模式的工作期间可访问。保持这些块的操作处于受保护有助于提供更安全的系统，因为S⑶控制正常模式工作和受保护模式工作之间的切换，并且可以对CGU和CEU进行篡改攻击。保护RTC和PMU可以防止系统在工作期间被关闭，并且保护显示单元有助于确保显示正确的功耗值。
[0035]如上所述，AFE212在每次新样本准备好时声明优先级中断，这取决于AFE212的采样率可以以Ims或更短的间隔发生。例如，可以使用2kHz、4kHz和8kHz的采样率。在一些实施方式中，可以使样本与测量电压波形的过零点同步对准，或者可以异步地执行采样。取决于具体的系统、规定和功率要求，也可以实现更高和更低的采样率。然而，在给原始数据样本的集合指定了数字签名的实施方式中，加密或哈希处理可能占用几秒钟，这远远超过了 AFE212的采样间隔。
[0036]为了确保用于加密算法或需要超过AFE212的采样间隔的执行时间的例程的特许模式工作，使用半特许中断机制。在一个实施方式中，在特许中断下运行的例程声明半特许中断。这个半特许中断是低于特许中断的一个中断水平。可以以这个特许模式来执行响应于半特许中断运行的例程，并且这个例程可以访问否则在标准工作模式下不可用的存储器和系统资源。可以在声明特许中断时中断执行以半特许模式运行的例程。例如，如果加密算法正在以半特许模式运行，并且AFE212声明特许中断，则中断半特许模式的执行，并且在优先级中断下执行被配置成处理AFE212提供的数据的例程。在这个时间期间，通过退出特许模式并且等待非特许软件例程执行的完成，优先级中断下工作的例程可以调用非特许软件例程，之后执行继续进行以在特许模式下工作。在AFE212触发的例程的执行完成时，通过在优先级中断下工作的例程来对半特许例程的执行进行周期中断。在半特许例程完成时，进行系统调用，退出特许模式，并且可以执行非特许用户例程。在一个实施方式中，通过确保以防止可能访问受保护区域直到重新声明特许中断的方式退出特许模式，防止访问或篡改受保护存储器区域和其他受保护系统资源。这可以通过例如当半特许例程完成操作时在特许中断下运行的例程将半特许中断的中断服务例程(ISR)指针设置成普通默认位置来实现。
[0037]在一些实施方式中，使用特许中断和/或半特许中断下运行的例程来确定什么时候将原始数据随机发送至验证机构204。在一个实施方式中，半特许中断下运行的例程确定要发送哪些原始数据样本。在一些实施方式中，例程选择要发送给验证机构204的约1%的原始数据样本。在其他实施方式中，发送约2%至5%。备选地，可以发送其他百分比的原始数据。
[0038]图3图示了框图500，其概述了在快速计量例程502和慢速计量例程504期间进行的计算。在一个实施方式中，分别对表示感测线电压的电压样本UP和UN以及表示感测线电流的电流样本IP和IN进行处理以及通过滤波器510和512进行带通滤波。确定计分块520计算的平方输入电压、计分块522计算的平方输入电流、乘法块508计算的实际功率和90°相移块506和乘法块507计算的无功功率，以提供全谱功率测量值。
[0039]对于仅对波形进行操作的功率测量值，平方块524用于计算平方基波电压，计分块526用于计算平方滤波电流输入，乘法块528用于计算实际基波功率，相移块529和乘法块530用于以计算基频的无功功率。这些功率测量值中的每个通过快速计量例程502来计算，或者使用累加器514来累加用于全谱测量，并且使用累加器516来累加用于基频测量。在每个正弦周期的最后，如在滤波器510的输出端处通过过零检测器511检测的，累加器514和516的内容被传送至慢速计量例程504。在一些实施方式中，在每个电压周期的结尾处重置累加器514和516的内容。
[0040]在一个实施方式中，慢速计量例程504在预定数量的正弦周期的结尾处执行计算。例如，在一个实施方式中，慢速计量例程504以IHz的速率来工作，或者对于在欧洲的电源系统每50个正弦周期来工作，或者对于在美国的电源系统每60个正弦周期来工作。在本发明的备选实施方式中，慢速计量算法504可以以不同的间隔来工作。在一个实施方式中，通过获得累计平方电压测量值的均方根并且用缩放因子kU进行缩放，计算输入电压的全谱均方根(RMS)测量值，以经由平方根块532和乘法器534产生变量Urms。类似地，通过获得累计平方电流测量值的均方根并且用缩放因子kl进行缩放，计算输入电流的全谱RMS测量值，以使用平方根块536和乘法器538产生变量Irms。使用乘法器540以及缩放因子kU和kl来计算全谱实际功率P，使用乘法器542以及缩放因子kU和kl来计算全谱无功功率。使用除法块544来计算全谱功率因子，使用平方块546、548和550来计算输出失真功率，使用加法块552来计算全谱有功电能。
[0041]使用均方根块560和乘法器562应用缩放因子kU来计算基频RMS电压，使用均方根块564和乘法器566应用缩放因子kl来计算基频RMS电流。使用乘法器568应用缩放因子kU和kl来计算基频实际功率Pfund，使用乘法器570来计算基频无功功率Qfund。使用乘法器572来计算视在功率Sfund，使用除法器574来计算基频功率因子PFfund，使用除法块576来计算电压波形与电流波形之间的相角的正弦。正切块578用于计算电压波形与电流波形之间的相角。应当理解，框图500中所示的示例计算仅是很多示例实施方式之一。在本发明的备选实施方式中，可以使用不同的实现来计算不同的测量值。例如，在一些系统中，可以仅以基频给出功率测量值，或者仅使用全谱测量值来给出功率测量值。
[0042]如上所述，可以以随机时间间隔将原始数据样本发送至验证机构108。通过使用这些随机样本，验证机构108可以重构或者估计原始电压和电流波形并且重新产生所计算的测量数据。图4a图示了实施方式方法的框图600，其可以由验证机构108用于重构随机采样的数据点。在步骤602，接收随机波形样本。例如，可以经由通信信道114来接收这些随机波形样本。在一些实施方式中，使用例如处理器将所接收的随机波形样本存储在存储器中。接着，如果使用加密签名标记了随机采样的数据，则在可以省略的可选步骤604验证这个加密签名。在一个实施方式中，可以取决于用于产生签名的加密方法来使用本领域公知的签名验证例程。
[0043]接着，在步骤606按照数字相继次序对随机采样的波形样本的集合进行排序以确定波形的第一象限和第三象限。在一些实施方式中，可以用这样的方式来确定第一象限和第四象限、第二象限和第三象限、或者第二象限和第四象限。这样的排序可以使用本领域公知的排序算法如冒泡排序法、快速排序法、二叉树排序法、梳排序法或归并算法来进行。接着，在步骤608，对恢复的象限进行镜像，以重构电压和电流波形的完整周期。这样的镜像可以通过复制、重新排序和连结排序后的数据点来实现。一旦已经确定了波形的至少一个完整周期，则可以重新产生功率度量，如以上通过参考图7描述的快速和慢速计量例程计算的那些功率度量，以在步骤610确定功率度量的估计的集合。在一些实施方式中，在应用慢速计量算法之前，采集大约一秒钟的数据(即，50至60个周期的数据)。在其他实施方式中，可以通过应用谱分析或其他技术确定实际功率和视在功率、功率因子、谐波功率等等来确定功率度量。例如，可以使用快速傅里叶变换(FFT)或其他本领域公知的算法来实现这个操作。可以将所确定的功率度量与在步骤612中采用随机样本的时间期间智能电表所传输的实际计量表数据相比较。可以使用假定的基频正弦波作为参考并且使用最高样本作为正弦波的峰值通过算法如最小二乘法来对样本进行预先平滑。假定第一谐波、第二谐波和随后的谐波的某个很小的百分比产生覆盖基频以及基本谐波的选择的最佳拟合算法，则重复这个操作。
[0044]图4b图示了可以由处理单元220用于确定要生成和经由通信设备222来发送哪些数据点的实施方式方法700。在一个实施方式中，处理器214在步骤702接收优先级中断。接着，在步骤704，生成随机值并且将其与触发器裕度相比较。如果随机值不在触发器裕度内，则处理等待直到在步骤702接收到下一个优先级中断。如果随机值在触发器裕度内，则捆绑电流样本和电压样本用于在步骤706传输。这些值可以在可选步骤708中与哈希和加密签名一起标记。在一些实施方式中，可以省略步骤708。一旦已经捆绑和/或标记了电流样本和电压样本，则在步骤710传输电流样本和电压样本。
[0045]在一些实施方式中，在几秒钟的周期内获得随机样本。例如，在一个实施方式中，智能电表随机选择2%至5%的原始数据样本用于在大约10秒至15秒的周期内传输。备选地，可以使用其它随机数据百分比和测量间隔。图5a图示了表示输入正弦波650和随机采样的数据点652的波形。在所示示例中，随机选择2%的波形样本用于传输。图5b图示了一种波形图，该波形图示出了随机采样的点的曲线。如上所述，一旦接收到了随机采样的点，则根据数字值对这些点进行排序。图5c图示了与理想正弦波662的第四象限和第一象限相比的有序数据样本660的曲线。应当理解，在本发明的一些实施方式中，针对电压波形值和电流波形值二者对样本进行排序。图5d图示了镜像随机样本的波形曲线664，其是通过对图5c所图示的波形660的次序进行反转来生成的。图5e图示了通过对有序随机样本进行复制和连结而产生的重构波形666。
[0046]在实施方式中，验证机构可以接收两个样本的集合:电流样本和电压样本以重新计算功率测量值。然而，为了简化说明，图5a至图5e仅图示了单个波形。取决于AFE212的具体实现，相应的电压样本和电流样本可以彼此具有采样时间延迟。这个时间延迟可能是由于处理延迟、传输延迟或AFE212实现的采样时间的差异。例如，在一些实施方式中，AFE212可以包括在多个电流和电压通道之间复用的单个A/D变换器。在这样的实施方式中，电流和电压样本可能具有固定的时间偏差。验证机构108可以在计算电压波形与电流波形之间的差异时考虑这个固定的时间偏差。通过使用这个固定的时间偏差，验证机构还可以基于重构波形来估计功率因子(PF)。在一个实施方式中，可以通过估计重构电压波形与电流波形之间的相移来确定功率因子。
[0047]图6a至图6c图示了一种波形图，该波形图示出了失真波形的重构。图6a示出了输入波形670以及其相应的随机采样点672，输入波形670可以是正弦波，该正弦波已经经历了 10%的三阶谐波失真。图6b示出了输入失真正弦波674与有序随机采样点676之间的比较。图6c图示了相应的重构波形678。
[0048]现在参考图7，提供了一种根据本发明的实施方式的处理系统800的框图。处理系统800描绘了可以用于实现验证机构所使用的智能电表和/或计算机或处理设备的一部分的通用平台以及通用部件和功能。处理系统800可以包括被配置成执行上述处理的连接至总线808的例如中央处理单元(CPU) 802、存储器804、以及大容量存储装置806。如果期望或者需要，则处理系统800还可以包括用于提供与本地显示器812的连接的视频适配器810以及用于为一个或多个输入/输出设备816如鼠标、键盘、打印机、磁带驱动器、CD驱动器等提供输入/输出接口的输入输出(I/o)适配器814。
[0049]处理系统800还包括网络接口 818，其可以使用网络适配器来实现，该网络适配器被配置成耦合至有线链路比如以太网线缆等和/或无线/蜂窝链路以与网络820通信。网络接口 818还可以包括用于无线通信的合适的接收机和发射机。应当注意，处理系统800可以包括其他部件。例如，处理系统800可以包括电源、线缆、母板、可移除存储介质、外壳等。虽然未示出，然而认为这些其他部件也是处理系统800的一部分。
[0050]根据一个实施方式，一种重构周期信号的方法，包括:从感测电路接收周期信号的随机电子样本；通过处理器按照相继次序对电子样本进行排序以形成有序样本；以及通过处理器基于有序样本来估计周期信号的形状。在一些实施方式中，上述相继次序可以是升序和/或降序。感测电路可以是例如公用事业计量表或其他设备。
[0051]在一个实施方式中，排序包括:按照有序象限对电子样本进行排序,估计包括:对有序象限进行镜像并且将经镜像的有序象限连结至有序象限以形成完整周期的周期信号。有序象限可以包括例如第一象限和第四象限，并且镜像的有序象限可以包括例如第二象限和第三象限。
[0052]估计可以包括通过对有序样本的次序进行反转来形成有序样本的经镜像的集合；以及将有序样本的经镜像的集合连结至有序样本。在一些实施方式中，周期信号包括电压波形和电流波形，随机电子样本各自包括电压样本和相应的电流样本。该方法还可以包括:基于电压波形和电流波形来确定耗电量度量。
[0053]在一个实施方式中，估计包括使用最小二乘法来估计周期信号的基波分量的频率、幅度和相位。此外，可以使用最小二乘法来估计周期信号的至少一个谐波分量的幅度和相位。
[0054]根据另外的实施方式，一种系统，包括存储器和处理器，该处理器被配置成:从感测电路接收周期信号的随机电子样本；将随机电子样本存储在存储器中；按照相继次序对电子样本进行排序以形成有序样本；以及基于有序样本来估计周期信号的形状。在一些实施方式中，上述相继次序可以是升序和/或降序。
[0055]在一个实施方式中，处理器被配置成:按照有序象限对电子样本进行排序；以及通过对有序象限进行镜像并且将镜像的有序象限连结至有序象限以形成完整周期的周期信号来估计周期信号的形状。处理器还可以被配置成:通过对有序样本的次序进行反转来形成有序样本的经镜像的集合并且将有序样本的经镜像的集合连结至有序样本。在一些实施方式中，周期信号的随机电子样本可以包括加密验证签名，处理器还被配置成验证加密验证签名。
[0056]在一个实施方式中，感测电路包括公用事业计量表，随机电子样本包括通过公用事业计量表测量的原始测量数据，处理器还被配置成从原始测量数据中获得计算的测量数据。此外，处理器还可以被配置成比较计算测量数据与由公用事业计量表生成的计算数据。
[0057]在一个实施方式中，周期信号包括电压波形和电流波形，随机电子样本各自包括电压样本和相应的电流样本，处理器还被配置成基于电压波形和电流波形来确定耗电量度量。
[0058]根据另外的实施方式，一种验证由公用事业电表给出的测量的方法，包括:从公用事业电表接收电功率波形的时间随机化的原始测量样本；通过处理器按照相继次序对时间随机化的原始测量样本进行排序以形成有序样本；通过处理器基于有序样本来估计所述电功率波形的形状；基于电功率波形的估计形状来获得功率消耗数据；以及比较获得的功率消耗数据与由公用事业电表报告的功率消耗数据。电功率波形可以包括电压波形和电流波形,时间随机化的原始测量样本各自可以包括电压样本和相应的电流样本。此外，时间随机化的原始测量样本可以代表在1%至5%之间的由公用事业电表测量的原始测量样本。
[0059]在一个实施方式中，时间随机化的原始测量样本还包括加密验证签名，并且该方法还包括验证加密验证签名。
[0060]实施方式的一个优点包括第三方有能力安全地验证计量数据的有效性。另一优点包括有能力在没有未授权用户和恶意软件的篡改的情况下使用改变时间长度的例程来保护数据。另外的优点包括有能力检测计量表是否已经被降低和/或被关闭，以及有能力基于计量表的检测来精确地进行网络故障定位，而不再发送数据。又一优点包括有能力通过对从不同计量表获得的随机数据进行平均来估计所选区域的功耗。还可以使用随机数据的聚合来估计无功功率在某个区域上的分布以及确定这样的无功功率的来源。
[0061]虽然已经参考示例性实施方式来描述了本发明，然而，这个描述并非意在要在限制意义上来理解。在参考这个描述时，本领域技术人员将很清楚这些示例性实施方式的各种修改和组合以及本发明的其他实施方式。
【权利要求】
1.一种重构周期信号的方法，包括: 从感测电路接收所述周期信号的随机电子样本； 通过处理器按照相继次序对所述电子样本进行排序以形成有序样本；以及 通过所述处理器基于所述有序样本来估计所述周期信号的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相继次序为升序。
3.根据权利要求1所述的方法，其中: 排序包括:按照有序象限对所述电子样本进行排序；以及 估计包括:对所述有序象限进行镜像并且将经镜像的有序象限连结至所述有序象限以形成完整周期的所述周期信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述有序象限包括第一象限和第四象限，并且所述经镜像的有序象限包括第二象限和第三象限。
5.根据权利要求1所述的方法，其中估计包括: 通过对有序样本的次序进行反转来形成所述有序样本的经镜像的集合；以及 将所述有序样本的经镜像的集合连结至所述有序样本。
6.根据权利要求1所述的方法，其中: 所述周期信号包括电压波形和电流波形；以及 所述随机电子样本各自包括电压样本和相应的电流样本。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括:基于所述电压波形和所述电流波形来确定耗电量度量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述感测电路包括公用事业计量表。
9.根据权利要求1所述的方法，其中估计包括使用最小二乘法来估计所述周期信号的基波分量的频率、幅度和相位。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括:使用所述最小二乘法来估计所述周期信号的至少一个谐波分量的幅度和相位。
11.一种系统,包括: 存储器；以及 处理器，所述处理器被配置成: 从感测电路接收周期信号的随机电子样本； 将所述随机电子样本存储在所述存储器中； 按照相继次序对所述电子样本进行排序以形成有序样本；以及 基于所述有序样本来估计所述周期信号的形状。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述相继次序为升序。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述处理器被配置成: 按照有序象限对所述电子样本进行排序；以及 通过对所述有序象限进行镜像并且将经镜像的有序象限连结至所述有序象限以形成完整周期的所述周期信号，来估计所述周期信号的形状。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述处理器被配置成:通过对所述有序样本的次序进行反转来形成有序样本的经镜像的集合，并且将所述有序样本的经镜像的集合连结至所述有序样本。
15.根据权利要求11所述的系统，其中: 所述周期信号的所述随机电子样本包括加密的验证签名；以及 所述处理器还被配置成验证所述加密的验证签名。
16.根据权利要求11所述的系统，其中: 所述感测电路包括公用事业计量表； 所述随机电子样本包括通过所述公用事业计量表测量的原始测量数据；以及 所述处理器还被配置成从所述原始测量数据中获得计算的测量数据。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述处理器还被配置成比较所述计算的测量数据和由所述公用事业计量表生成的计算数据。
18.根据权利要求11所述的系统，其中: 所述周期信号包括电压波形和电流波形； 所述随机电子样本各自包括电压样本和相应的电流样本；以及 所述处理器还被配置成基于所述电压波形和所述电流波形来确定耗电量度量。
19.一种验证由公用事业电表进行的测量的方法，所述方法包括: 从所述公用事业电表接收电功率波形的时间随机化的原始测量样本； 通过处理器按照相继次序对所述时间随机化的原始测量样本进行排序以形成有序样本； 通过所述处理器基于所述有序样本来估计所述电功率波形的形状； 基于所述电功率波形的所估计的形状来获得功率消耗数据；以及 比较所述获得的功率消耗数据和由所述公用事业电表报告的功率消耗数据。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述时间随机化的原始测量样本代表在I%至5%之间的由所述公用事业电表测量的原始测量样本。
【文档编号】G01R35/04GK104252147SQ201410295560
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】J·黑尔姆施密特, F·帕罗迪, S·舍恩费尔特, S·罗西 申请人:英飞凌科技股份有限公司