基于Zynq的RTU遙測量計算與誤差補償實現

鐘漢華，陳劍云，周 歡

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013）

基于Zynq的RTU遙測量計算與誤差補償實現

鐘漢華，陳劍云，周 歡

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013）

使用Zynq-7000系列FPGA開發電力RTU的過程中，采集遙測信息時需要計算交流電信號的電壓電流有效值。討論基于模塊化的設計方法和一系列Xilinx IP核來實現此功能。首先通過數字過零檢測法計算輸入信號的頻率，然后使用積分法計算信號有效值，因為信號的實際頻率會隨著電負荷的變化而在一個微小的范圍內波動，這就使得對遙信量的測量存在一定的誤差，根據分析計算方法的誤差情況來實現誤差補償，使得交流信號電壓電流有效值的測量精確度提高，最后通過相關參數設置，完成IP核的實現。對該設計進行了Matlab和FPGA仿真，仿真結果一致。

Zynq-7000；電力RTU；Xilinx IP；交流信號電壓電流有效值；FPGA

在監測與控制高速鐵路10 kV電力供電系統的運行時，需要一種高性能RTU（remote terminal unit）設于鐵路沿線上,用于采集和計算電流、電壓和功率等實時數據。隨著微電子技術的高速發展，Xilinx公司出產的Zynq系列FPGA產品因其集成度高，功耗低等功能正逐漸成為高性能系統開發設計的主流，它是一種FPGA+ARM結構的高性能芯片，本文考慮用Zynq-7000芯片開發新一代高性能高集成度RTU。

目前，鐵路供電線路的鋪設越來越廣泛，而且鐵路線路的環境惡劣很容易導致線路發生斷線、短路等，影響線路正常運行。需要設計一種小巧、低成本的、計算快速的高性能RTU來對10 kV供電線路上的交流電壓電流量進行監測與控制。該高性能RTU裝置僅對遙測數據進行采集和計算。本文基于積分法設計信號有效值測量模塊利用數字過零檢測算法計算信號頻率，并根據誤差補償算法提高測量的精確度。

Xilinx公司為Zynq系列產品開發提供了Vivado平臺，系統帶有大量的不同用途的Xilinx IP核，用其乘法器IP、除法器IP、Cordic算法IP核進行程序設計，開發過程簡單方便。下面討論各模塊的設計過程、運行結果，并用Matlab仿真進行驗證。

1 遙測計算功能設計

1.1 遙測量測量原理

首先，我們討論下遙測基本電量測量的原理。基本電參量測量主要包括隊交流電壓電流信號有效值的計算等。如式（1）所示[1]

式中：S為積分梯形面積；I為交流電流值；ω為角頻率；α為相位角；t為時間變量；T為交流電壓電流正弦波的周期。積分面積可以通過采樣點的值累加得到，如

式中：i0，ik，iN表示第一個列第N個采樣點的瞬時電流值；TiN表示采樣間隔時間。

最后可以得到有效值如

式中：t為采樣間隔時間；f為待測信號的頻率，Hz；Ivd表示交流電流有效值。

供電線路中，由于現場用電設備或者環境的干擾，使得被測量的三相電壓和電流信號的頻率會在小段范圍內波動，使得計算出的頻率微小于或者微大于50 Hz。本文設計的基本電量測量程序是基于50 Hz的基波的頻率，因此微小的頻率波動會造成計算量的不準確，使得RTU裝置對現場信號的監測造成影響。通過分析誤差原理，在FPGA開發軟件上通過模塊的設計思想來完成基本電量的誤差補償算法[2]。

設被測電壓信號為 u（t）=Umsin ωt,有效值為。實際電壓頻率為fp，以采樣頻率fsamp等間隔采樣，一周內采樣N點，已知采樣周期Tsamp=20 ms，N=32，采樣初始時刻為t0[3]。圖1表示系統頻率在偏離額定值（50 Hz），NTsamp>Tp和NTsamp

式中：T0表示初始時間；Tsamp表示采樣間隔時間；Tp表示被測信號周期；I表示信號峰值，求出誤差面積后將此面積補償進入有效值公式中即可求得

式中：f表示待測信號頻率。

根據上述原理，將本設計分為3個模塊：頻率測量模塊；誤差補償模塊；有效值計算模塊。

圖1 NTsamp≠Tp時誤差分析圖Fig.1 Error analysis diagram(NTsamp≠Tp)

1.2 頻率測量模塊

該模塊主要用于計算待測信號的頻率。選用數字過零檢測法進行測量，根據過零檢測法原理，設計程序共有如下幾個步驟：

1）對 AD 采樣數據進行最大值最小值搜尋得：f（max），f（min）。

2） 將最大值，最小值相加除以 2 得出零點值：f（zero）=［f（max）+f（min）］/2。

3）將零點值與AD采樣的數據進行比較，當前一個數據小于零點值、后一個數據大于零點值則獲取一個過零脈沖

if（prev＜＝zero&&aft＞＝zero）

pulse＜＝1

else

pulse＜＝0

4）設置1 s的檢測時間，計算這一過程時間內的過零脈沖最后得出待測信號的頻率。

prev，aft分別表示在與零點值比較時，AD的前一個數據和后一個數據zero表示為零點值，pulse表示脈沖值。

1.3 誤差補償模塊

該模塊主要用于對有效值的計算進行誤差補償。根據對非整周期誤差進行分析后，根據誤差補償公式，將程序設計分為以下幾個步驟：

2）利用 CORDIC IP 核求解正弦函數值：step2=sin ω（Tp+t0）+sin ω（Tsamp+t0）。

3） 最后使用乘法器：setp3=step1×step2×constant1。

constant為公式簡化后的定值整數。

1.4 有效值計算模塊

該模塊用于計算待測信號的有效值。根據積分公式，將程序設計分為以下幾個步驟：

1）使用累加器，將采集到的32個數據加起來：value1=i1+i2+…+i32。

2）使用乘法器：value2=value1×t。

3） 再次使用乘法器：value3=value2×f×constant2。

4）將得出的結果加上誤差補償模塊的計算結果：value4=value3+step3。i1，i2，…，i32分別為各時間點電流采樣值。

2 遙測功能程序設計

在FPGA開發軟件Vivado下對該設計進行仿真，首先，使用數字信號發生器模擬輸入信號，完成激勵信號的。設計各模塊程序實現相關功能，各模塊流程圖如圖2所示。

圖2 各模塊程序流程圖Fig.2 Program flow chart

數字過零檢測模塊檢測信號中的最大值與最小值，設定檢測時間，最后得出最大值與最小值，搜尋最大值最小值過程是不停的循環的，求解出零點之后，通過對比零點前后的數據，滿足條件就產生過零脈沖，最后根據脈沖個數計算頻率。

使用Verilog編寫程序時，經常使用標志位來識別出計算步驟[5]。flag0，flag1，flag2分別表示計算步驟的標志位。在有效值計算模塊中，首先需要存儲一個周波的數據點，當存儲完時，將flag標志位置為1，表示存儲數據的步驟完成，開始進入計算過程。Verilog語言中使用加、減、乘除法需要使用IP核，在IP核的使用中，需要一個IP核使能位來表示IP核的數據輸入的有效。因此在進行加法過程時，將flag1置為1表示加法IP核開始使用，同時將flag0表示為置0，表示不在進行數據存儲步驟。加法運算結束后，開始運行乘法運算，這時將flag2表示為置1，表示乘法IP核的輸入位是有效的，將flag1置為0，表示加法運算步驟結束，最后等待誤差補償模塊的數據傳輸就可以計算出最后的有效值數據。err-flag0，err-flag1，err-flag2分別表示誤差計算過程中頻驟的標志位。

在誤差補償模塊中，根據公式可以看出，需要根據數字過零檢測模塊計算出的頻率來計算Tsarnp，所以首先需要使用除法器，除法器IP計算完成后，會輸出一個標志位，以此標志位來進行表示下一步計算的開始，即erro_flag=1。當標志位置為1后，開始計算公式中的絕對值，判斷前者后者大小，最后通過減法IP核求出結果。同理計算弧度，計算正弦值也是將上一步驟的標志位置為0，IP的輸入有效位置為1，最后得出誤差補償的數據[6]。

對系統進行設計，并在Matlab上進行仿真，最后得出結果如表1所示，峰值均為16 204。

表1 實現與仿真結果Tab.1 Implementation and simulation results

將Verilog設計的測量算法通過SDK軟件加載進板子中實現可以得出結果，同樣在Matlab中設計測量算法并對比實現結果數據和Matlab中直接計算所得的數據，可以得到計算結果有小部分差異，這是由于在使用硬件語言計算時，小數部分進行二進制運算過程中會出現誤差導致的，但是這種誤差的幅度非常小，這種誤差值對計算得出的結果影響非常小，因此在實際運用中，FPGA實現的誤差可以忽略不計，可以認為設計與預期是相符的。

3 Xilinx IP核使用和優化方案

本文基于Xilinx IP核的方法來進行程序設計，使用到的IP核包括加法器、減法器、乘法器、除法器和Cordic算法IP核等，下面對Cordic算法IP、乘法器除法器IP核的使用和優化進行分析。

Xilinx IP核接口主要包括輸入輸出data通道、tvalid通道、tready通道、tlast通道、tuser通道等。輸入輸出數據通道主要用于信號的傳輸，信號輸入過程中需要tvalid信號來表明負載端數據輸入的有效性，信號輸出時需要tready信號表明信號輸出的有效性，tlast信號表明數據輸入端一個周期內數據的最后一個樣點。

Coedic IP核中可用的功能選項有sin and cos，平方根，轉換，雙曲正弦，余弦和反雙曲函數功能選項。當選擇平方根模式，存在兩種新的數據類型：無符號整數和無符號分數。Cordic算法IP核主要用于計算正弦函數值，因此選擇使用sin and cos功能選項。對于計算正弦值，輸入的相位角的數據位定義為：第1位是符號位，第2位、第3位是正數位，其他是小數位，Cordic IP核規定相位角度的輸入僅僅在-π～π。輸出數據高位為正弦函數值數據，第1位為符號位，第2位為整數位，其他為小數位；輸出數據地位為余弦函數值數據，第1位為符號位，第2位為整數位，其他為小數位[7]。

Cordic IP核結構配置包括并行結構配置和字串行結構配置：

1）并行配置：以犧牲硅面積來完成完全并行配置的單周期數據吞吐量。

2）字串行配置：通過占用一個小硅面積來完成一個字串行實現多個周期的吞吐量。

數據格式：Cordic核心提供了表達的實部數據和虛部數據的3種格式數據樣本的組成。3種格式分別為Signed Fraction模式；Unsigned Fraction模式；Unsigned Integer模式。

Signed Fraction：默認設置。x和y輸入和輸出表示為定點補碼數的一個2位整數的寬度。例如11100000表示-0.5。x，y分別表示實部輸入和虛部輸入。

Unsigned Fraction：x和y輸入和輸出表示為無符號具有1位整數的定點數。僅用于平方根功能配置。例如：11100000表示值+1.75。

Unsigned Integer：x和y輸入和輸出表示無符號整數。僅用于平方根功能配置。

相位格式：Cordic核提供兩種相位數據格式。兩種格式分別為Radians模式和Scaled Radians模式。

Radians：相位表示為一個定點補碼數3位的整數寬度、弧度單位。例如：01100000代表價值3弧度。

Scaled Radians：相位表示為定點補碼數隨著3位整數的寬度，與π弧度單位。一個尺度的弧度等于1π弧度。例如：11110000表示0.5π弧度值。

本文考慮速度與資源的平衡性，選擇并行結構配置，數據格式選用默認的有符號型數據，相位格式選用Radians格式。

乘法器IP核有兩種類型，一種為并行乘法器，一種為固定常數型乘法器，本文計算過程中使用的兩個輸入均為變量，所以使用并行乘法器，數據類型為無符號定點數據。乘法器結構有使用LUT查找表結構即為和單獨使用乘法結構。資源選項有速度選項和可配置選項來完成資源與速度的合理配置，速率模式有很好的計算特性、區域選項模式則減少寄存器的使用。根據測試LUT查找表結構數據延遲為一個時鐘，有很好的時序性，因此選擇使用LUT查找表結構。

除法器使用過程中首先設置除法器類型為Radix2模式，經過檢驗，這種模式下，除法器消耗資源最少。然后設置輸入輸出數據類型為有符號型，在設置輸入數據除數時，可以設置TLAST信號和TUSER信號，表示數據輸入時遵守一個嚴格的時序，當信號輸入完畢時，TLAST信號會拉高，數據不在輸入IP中。輸入通道中，分為整型數據和小數數據，小數數據可以設置為商類型數據和小數數據[8]。

本文選用的IP核配置模式如上述所示，標識為custom模式。速率模式（speed）為以消耗資源為前提達到最大計算速度的模式，對比兩種資源使用結果；區域選項模式（area）則以消耗資源最少為前提。

表2顯示了Vivado軟件report報告中資源使用情況，獲得了3種優化模式下占用邏輯資源的數量。可以知道area模式占用資源最少，speed模式最多，custom模式可以兼顧資源與速度練個方面的要求。

表2 資源使用結果Tab.2 Results of resource use

使用custom模式，可以自行定義各個IP核中需要的功能，可以根據參數設置選擇合適的硬件資源。所以當在速度作為最重要的考量因素時，選擇speed模式效果最好；當數據處理速率的要求不高時，可以選擇area模式。若在一般場合，根據custom模式更加靈活，可以兼顧占用資源和速度兩個方面的要求。

4 結束語

本文基于Xilinx IP核的方法，設計基本電參量的計算與誤差補償算法，并在Zynq-7000平臺的FPGA上實現，完成了RTU遙測計算中的基本電量測量。通過Matlab仿真對比，驗證了程序設計正確性。該實現方式可以大大的縮短研發周期，減少成本，根據參數設置選擇合適的硬件資源和數據處理速率。

[1]李沂乘.采樣計算方法測量交流電壓有效值誤差分析[J].電子測量與儀器學報，2008，22（S1）：62-65.

[2]楊鵬，凌代儉，史旺旺.非同步交流采樣誤差分析及濾波器設計[J].河海大學學報：自然科學版，2000，28（1）：106-108.

[3]邱昀.非整周期采樣的誤差分析及算法研究[C]//南寧：中國電工技術學會電器智能化系統及應用專業委員會2013年學術年會，2013.

[4]張建秋，沈毅，邸麗敏.非整周期采樣算法的誤差分析[J].哈爾濱工業大學學報，1995，27（5）：77-82.

[5]WANG YAQIN，LIU XUEBIN，HU BINGLIANG.Implementation of a LMS filter on FPGA employing extreme DSP and smart IP-core design[C]//10th International Conference on Electronic Measurement&Instruments，2011：341-345.

[6]奧本海默.離散時間信號處理[M].2版.西安：西安交通大學出版社，2001：143-147.

[7]高亞軍.基于FPGA的數字信號處理[M].2版.北京：電子工業出版社，2012：76-79.

[8]劉東華.Xilinx系列FPGA芯片IP核詳解[M].北京：電子工業出版社，2013：135-142.

Calculation and Error Compensation of RTU Measurement Based on Zynq

Zhong Hanhua，Chen Jianyun，Zhou Huan
（School of Electrical and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

In the process of developing power RTU by using Zynq-7000 series FPGA,the effective value of AC signal voltage current should be calculated in collecting telemetry information.This paper discusses measurement of the effective value through the use of modularization-based design methods and a series of Xilinx IP core.Firstly,the frequency of the input signal was calculated by digital zero-crossing method.Then RMS of the signal was calculated through integrated method.The measurement of remote communication data had certain errors as actual frequency of signal fluctuated in small scope with the changes of electrical load.And error compensation was realized by the analysis of error condition of calculation to improve the measurement accuracy of the effective value of the AC signal voltage current.Finally,IP core was made by setting interrelated parameters.Matlab and FPGA simulation results were verified consistent.

Zynq-7000；power RTU；Xilinx IP；RMS of AC signal voltage current；field programmable gate array（FPGA）

TP274

A

（責任編輯 姜紅貴）

1005-0523（2017）04-091-06

2017－03－27

鐘漢華（1992—），男，碩士研究生，研究方向為電能質量檢測和FPGA數字信號處理。

陳劍云（1962—），男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統監控及自動化、遠動技術。