一种高频同步用电数据采集装置的制作方法

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1.本发明涉及一种高频同步用电数据采集装置。


背景技术：

2.随着电力改革的进行，配售分离日益成型化，售电市场的竞争日趋激烈。电力企业需要尽可能多的留住客户并通过自身用电管理能力的提高来吸引更多的电力客户。如何保留电力用户，提升电力用户价值的同时自身价值，以达到用户与企业的互利，成为了电力企业日益关心的问题。目前电力企业对电力用户的用电分析管理以及相关服务还处于初级阶段，对用户的大量的值得挖掘的用电信息并没有形成细致化的分析系统，因而并不能根据市场动向，进行销售方面的改进，依据市场需求更改自身的发展目标和发展战略。
3.目前，对电力公司用户的用电信息的采集模式比较传统，主要体现在两方面：
4.1、用户用电信息采集装置只有简单电能计量功能，该采集装置多为普通电表和智能电表，此类设备由于受到通讯链路资源限制，只能做到很低的采集频率，例如1天上传24个电量信息点，即使智能电表目前的采集频率也只能达到96点/天的上传频率，如此低密度的用电信息数据根本无法支撑对电力用户用电行为和特征的深度分析，导致高级分析策略受限于低质量的用电信息数据，无法做出有效的客户用电信息管理。
5.2、用户用电信息采集装置只能采集计量回路的总口信息，该信息只能反映该回路总体的电能消耗情况，该类信息只能描述用户级别的负荷水平，对于用户其他用电宏观和微观信息则根本无法反映，这也是导致目前客户用电信息管理及服务水平不高的重要原因之一。
6.采集装置采集密度低：目前用电信息采集装置多采用专用电能计量芯片方式实现，采集频率很低，只能达到日、小时或15分钟的采集密度。
7.采集装置采集数据项种类单一：目前用电信息采集装置只能采集用户级别总体耗能信息，该信息又在较低的采集频率下实现采集，只能用作简单计量。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种实现了高密度采集和负荷级用电信息的输出的一种高频同步用电数据采集装置。
9.上述的目的通过以下的技术方案实现：
10.一种高频同步用电数据采集装置，步骤一是通过同步、滤波信号调理电路对采集回路电压、电流信号进行模拟信号前级调理；
11.步骤二是通过可编程逻辑元件cpld采用有限状态机方法同步控制两路高度分离收集ad采样芯片完成对电压、电流两路波形的同步128点离散化；
12.步骤三是利用可编程逻辑元件cpld多逻辑元和超高速集成电路硬件描述语言vhdl语言多线程模块管理特性，设计高速物理层协议phy片，使得信号采集数据输入和信号处理数据输出完全同步独立，互不干扰；
13.步骤四是采用高速数字信号处理芯片，对高速物理层协议phy片存储的高密度数据进行读取，并进行数据预处理；
14.步骤五是对高密度采集数据进行特征比对、归类和特征成型；
15.步骤六是最终根据成型特征对新采集点进行负荷分类统计，并通过高速物理层协议phy片输出结果。
16.所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤一是首先获取采集回路的电压和电流信号，通过典型信号调理电路对两路信号进行相位、幅值的同步和滤波，并最终输入到两路同步控制两路高度分离收集ad采集芯片中。
17.所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤二是选择高速同步控制两路高度分离收集ad采样芯片ltc1606对调理后的电压和电流信号进行同步采集，同步控制两路高度分离收集ad控制电路通常采用单片机mcu进行同步控制两路高度分离收集ad芯片的控制。
18.所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤三，在可编程逻辑元件cpld中设计了一软高速物理层协议phy片，用来缓冲数据采集与处理之间产生的异步时差。
19.所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤四，选用tms320c5402作为算法处理芯片，通过并行总线从可编程逻辑元件cpld中的高速物理层协议phy片中读取实时数据，采用128点数字信号处理器fft算法计算电压、电流有效值，并通过有效值计算有功、无功、相角、功率因数谐波等基本数据，为后续负荷细分算法提供基础数据。
20.所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤五，通过对周波级的128点离散数据进行存储、去残点，对一次数据点进行不同时间窗口的聚类分析，得到不同波形的一次特征分类结果。
21.所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤六，设备中已经含有特征库的前提下，会对新采集的周波数据和有效值数据进行甄别，每组数据会遍历特征库，如果满足特征库参数，其所行为所产生的结果则会被归类到该类负荷特性上，最终经过累计会得到分钟、小时、日、月、年的负荷级别的用电信息，其密度最小达到1分钟，该类信息通过高速需求方平台dsp驱动高速物理层协议phy片dm9000上传到后台或主站进行用户行为分析高级应用。
22.有益效果：
23.1.本发明采用高速分离采集器件和多路控制器件对用电信息进行高密度采集，对一周波的数据进行128点的离散化电压和电流同步采集，通过高速板内总线将高密度数据输入高速运算芯片进行高级算法处理。
24.2.本发明采用高速运算芯片对前级的高密度采集数据进行周波级一次数据比对、归类、特征成型、负荷分类统计最终输出负荷级用电信息。
25.3.本发明通过两路分离高度采集芯片对电压、电流信号进行同步采集，分别利用cpld在并行控制和线程管理的优势结合dsp芯片高速运算的特点分别实现了高密度采集和负荷级用电信息的输出。
附图说明：
26.附图1是本发明的硬件架构图。
27.附图2是本发明的采样控制电路图。
28.附图3是本发明的软件架构图。
29.附图4是本发明的ltc1606工作时序图。
30.附图5是本发明的采集进程状态转换图。
31.附图6是本发明的双口ram结构图。
32.附图7是本发明的双口ram程序流程图。
33.附图8是本发明的双口ram进程仿真结果图。
34.附图9是本发明的dsp算法处理电路图。
35.附图10是本发明的负荷细分算法归类流程图。
36.附图11是本发明的负荷细分算法统计流程图。
具体实施方式：
37.下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
38.实施例1：
39.一种高频同步用电数据采集装置，步骤一是通过同步、滤波信号调理电路对采集回路电压、电流信号进行模拟信号前级调理；
40.步骤二是通过可编程逻辑元件cpld采用有限状态机方法同步控制两路高度分离收集ad采样芯片完成对电压、电流两路波形的同步128点离散化；
41.步骤三是利用可编程逻辑元件cpld多逻辑元和超高速集成电路硬件描述语言vhdl语言多线程模块管理特性，设计高速物理层协议phy片，使得信号采集数据输入和信号处理数据输出完全同步独立，互不干扰；
42.步骤四是采用高速数字信号处理芯片，对高速物理层协议phy片存储的高密度数据进行读取，并进行数据预处理；
43.步骤五是对高密度采集数据进行特征比对、归类和特征成型；
44.步骤六是最终根据成型特征对新采集点进行负荷分类统计，并通过高速物理层协议phy片输出结果。
45.实施例2：
46.实施例1所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤一是首先获取采集回路的电压和电流信号，通过典型信号调理电路对两路信号进行相位、幅值的同步和滤波，并最终输入到两路同步控制两路高度分离收集ad采集芯片中。
47.实施例3：
48.实施例1所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤二是选择高速同步控制两路高度分离收集ad采样芯片ltc1606对调理后的电压和电流信号进行同步采集，同步控制两路高度分离收集ad控制电路通常采用单片机mcu进行同步控制两路高度分离收集ad芯片的控制。
49.本发明一是考虑到保证两路信号的同步和高速采集，二是考虑到后续ram进程的并发管理，因此采用了emp7128stc100
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15利用可编程逻辑元件cpld芯片来对高速同步控制两路高度分离收集ad进行并行采样。
50.如附图2为采样控制电路，利用可编程逻辑元件cpld分别通过两片模数转换器
ltc1606的引脚来同步控制两片高速同步控制两路高度分离收集ad的采样与启动转换，而转换器ltc1606则通过的状态来通知利用可编程逻辑元件cpld转换完成，使得利用可编程逻辑元件cpld通过16位数据总线读取采样结果，ref引脚通过旁路电容接地采用内部2.5v参考电压，经过滤波整形的电压电流信号通过ain引脚输入到高速同步控制两路高度分离收集ad中以待转换。
51.如附图3为软件架构，主结构(architecture)包含4个进程(process)，而每个进程在程序执行时是并发执行的，并不受到它们在主结构中的编写顺序的影响。4个进程分别是一个加减计数器的进程、两个信号并行采集的进程以及一个双口ram缓存区进程。
52.采集进程可以通过分析采样芯片ltc1606的工作时序设计两个并行的状态机进程来同时控制两路转换器的采样保持、转换、输出。
53.此工作时序为当拉低时，由来控制1606工作，其中是用来表示转换是否完成的引脚。初始状态时，与都置高，没有启动转换，数据线上呈高阻状态；第一状态时，将引脚拉低，启动一次转换，此时变低表示转换正在进行；第二状态时，将引脚拉高，并判断是否为高，若为高则表示转换完成进入下一状态，若位低表示转换仍在进行，则还应停留在二状态进行等待；第三状态时，在的上升沿发出数据锁存有效信号，将转换结果存入缓存区以等待后续处理。其中用vhdl语言实现状态机的主进程如下：
54.com:process(current_state,busy)
–
进程开始，敏感信号为状态信号和busy引脚信号
55.begin
56.case current_state is
–
判断当前状态为哪一状态，并进入相应状态处理分支
57.when st0＝>rc<＝'1'；lock<＝'0'；
‑
状态零rc引脚拉高，转换未启动，锁存信号无效
58.next_state<＝st1；
59.when st1＝>rc<＝'0'；lock<＝'0'；
‑
状态一rc引脚拉低，转换启动，锁存信号无效
60.next_state<＝st2；
61.when st2＝>rc<＝'1'；lock<＝'0'；
‑
状态二rc引脚拉高，等待转换完成，锁存信号无效
62.if(busy＝'1')then
‑
busy为1，转换完成，进入下一状态
63.next_state<＝st3；
64.else next_state<＝st2；
‑
busy为0，转换未完成，停留状态二等待
65.end if；
66.when st3＝>rc<＝'1'；lock<＝'1'；
‑
状态三rc引脚拉高，转换完成，锁存信号有效，存入数据
67.next_state<＝st0；
68.when others＝>next_state<＝st0；
69.end case；
70.end process com；
–
进程结束
71.状态附图5:
72.实施例4：
73.实施例1所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤三，在可编程逻辑元件cpld中设计了一软高速物理层协议phy片，用来缓冲数据采集与处理之间产生的异步时差。
74.其结构和工作原理如附图6所示，所设计的存储器空间为16字的容量，当信号采集部分向新地址写入每一个采样点的三个信息量时(附图6中所示为地址13、14、15)，信号处理部分则读取先前采集点的三个信息量进行负荷细分等处理(附图6中所示为地址0、1、2)，当存储器写满数据后，写地址指针又会重新定位到首地址写入新的数据，这种缓存结构的设立不会丢失信息点，保证了还原信号的连续性和可靠性，虽然还原信号滞后源信号3到4个字的时间，但保证了每一个点三个信息量的同步性，这是c语言等顺序结构语言所无法达到的。
75.附图7为采用超高速集成电路硬件描述语言vhdl描述的高速物理层协议phy片进程的程序流程图。
76.首先是定义实体与外部端口，包括时钟、输入输出、读写地址端口。它们的作用分别是：时钟端口：利用时钟的脉冲边沿来触发读写进程，使得新老数据在高速物理层协议phy片中交替进出。输入输出端口：分别为16位的位矢量类型，用来保证与16位同步控制两路高度分离收集ad和高速需求方平台dsp的数据格式匹配。读写地址端口：2位的位矢量类型，用来设置16位字的存储器容量，并在读写ram操作时提供地址选址信号。
77.其次是定义结构体，包括定义内部缓冲地址信号，并定义了一个容量为16字的mem(存储器类型)型变量。
78.最后是并发进程的定义，包括写进程和读进程的定义，以时钟的脉冲信号作为敏感信号来触发进程的启动，每一个时钟周期完成一次对高速物理层协议phy片的读写，其中时钟频率由可编程逻辑元件cpld根据同步控制两路高度分离收集ad的采样速度和高速需求方平台dsp的处理速度来设定，要保证当采集信号写入尾地址的时刻，至少要保证首地址已经被高速需求方平台dsp所读取。
79.附图8为该进程的仿真结果，由附图8可见在第一个时钟的上升沿数据输入端口data的值为4，此时写选通端口write_address选通地址1，注意到对应着地址1的存储器模块ram_block1内的值在此刻刷新为4，说明写进程正确。同时应注意到读地址的选通信号read_address被传递到内部寄存器地址address_reg，address_reg中的值被刷新为1。当第一个时钟的下降沿到来时，信号输出端口q根据内部寄存器地址address_reg中的地址值1选通ram_block1，把q的值刷新为4，说明读进程也正确。在实际操作中，分别指定读写地址选通信号，来实现对不同地址的访问。
80.实施例5：
81.实施例1所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤四，选用tms320c5402作为算法处理芯片，通过并行总线从可编程逻辑元件cpld中的高速物理层协议phy片中读取实时数据，采用128点数字信号处理器fft算法计算电压、电流有效值，并通
过有效值计算有功、无功、相角、功率因数谐波等基本数据，为后续负荷细分算法提供基础数据。
82.实施例6：
83.实施例1所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤五，通过对周波级的128点离散数据进行存储、去残点，对一次数据点进行不同时间窗口的聚类分析，得到不同波形的一次特征分类结果。每种结果代表一种负荷的启动、停止或者中间状态，通过该结果与有效值的关联分析，可以得出某个负荷的完整启停序列，该序列累计到一定容量后可启动二次聚类，二次聚类的最终结果就包含了带有启停信息的完成特性的负荷特征分类结果(特征库)。流程图如附图10。
84.实施例7：
85.实施例1所述的一种高频同步用电数据采集装置，所述的步骤六，设备中已经含有特征库的前提下，会对新采集的周波数据和有效值数据进行甄别，每组数据会遍历特征库，如果满足特征库参数，其所行为所产生的结果(用电行为特性、电量)则会被归类到该类负荷特性上，最终经过累计会得到分钟、小时、日、月、年的负荷级别的用电信息，其密度最小达到1分钟，该类信息通过dsp驱动高速phy片dm9000上传到后台或主站进行用户行为分析高级应用。