一种电能表及其计量装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种电能表及其计量装置。

背景技术

随着智能电网的发展，电力系统的谐波污染日益严重，新一代智能电能表技术规范中，不仅要求提供传统的全波及基波的计量和测量数据，还要求提供包括电能质量和电表运行状态等相关的数据，需要实现谐波分析和谐波计量的功能，精确地分析谐波的频率、幅值和相位，快速有效地检测和分析电网中的谐波成分以减小电网的谐波污染，从而可以帮助更好地做配电决策。

目前的方案中，直接由计量主控芯片使用纯软件将采样上传的电能数据进行处理，经过FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)得到各次谐波分量的幅度和相位。有效地监测和分析电网中的谐波成分，需要得到谐波分量的有功无功功率、电压电流有效值、电压谐波含有率以及总的谐波畸变率等信息。运算操作如下：

FFT中的谐波分量信息的复数表示形式如下：

各谐波分量的电压电流有效值：

各谐波分量的有功无功功率：P

各谐波分量的电压电流谐波含有率：

总谐波畸变率：

FFT分析需要提供一个整周波的采样数据，对于50hz的电网信号频率而言，每隔一个很短的周波的时间，就需要更新一次FFT结果，目前的方案是直接由计量主控芯片在内核中使用纯软件完成相应的处理操作，这会一直占用内核运行资源，影响主控芯片执行其他的应用功能。与此同时，运算处理需要大量访问内存，存在大量的计算消耗，这对于多数据量的处理，例如21次分次谐波的FFT后的数据处理，会消耗过多的时间，无法满足计量数据处理的实时性要求。

综上所述，如何快速、高效地进行电能数据处理，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电能表及其计量装置，以快速、高效地进行计量装置的电能数据处理。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种计量装置，包括：计量装置结构主体，第一计量芯片以及计量主控芯片；

所述第一计量芯片用于：进行电能数据的基波和全波处理；

所述计量主控芯片中包括：主控芯片内核，协处理器以及存储部件，所述主控芯片内核与所述协处理器共用所述存储部件；

所述协处理器用于：基于所述存储部件，基于指令的方式进行电能数据的谐波处理。

优选的，所述协处理器，具体用于：

在单相模式时，基于所述存储部件，通过将目标指令集复用N次，进行电能数据的单相的N次谐波的处理；

在三相模式时，基于所述存储部件，通过将目标指令集复用3N次，进行电能数据的各相的N次谐波的处理；N为正整数。

优选的，所述协处理器中包括：

指令控制器，用于按照预设的指令跳转规则，通过指令总线从所述存储部件的目标指令集中获取指令；

指令译码执行器，用于解析所述指令控制器发送的指令并执行，并且，在执行数据获取时，基于当前模式以及当前的计数寄存器的数值，通过数据总线并基于虚拟重映射的方式从所述存储部件中获取当前所需要的目标次谐波的数据信息并存储在通用寄存器中；

所述通用寄存器，用于进行与所述存储部件之间以及与基本运算逻辑器之间的数据交互；

所述基本运算逻辑器，用于根据所述指令译码执行器发送的运算命令，对所述通用寄存器中存储的数据进行逻辑运算，以使得所述协处理器实现电能数据的谐波处理。

优选的，所述协处理器中还包括：

配置数据寄存器，用于调整所述协处理器的配置信息。

优选的，所述存储部件包括RAM和闪存，且所述目标指令集存储在所述闪存中。

优选的，所述存储部件中包括：

用于存储所述目标指令集的指令空间区域；

用于存储待处理的源数据的待处理数据区；

用于存储运算中间值以及运算结果的运算数据区；

用于存储校正参数的校正参数区。

优选的，所述存储部件中还包括：

用于存储所述运算结果中的目标数据的交互数据寄存器区。

优选的，所述运算数据区包括映射区和非映射区，所述映射区用于存储运算中间值以及运算结果中的全部的分次谐波相关量，所述非映射区用于存储运算中间值以及运算结果中的全部的非分次谐波相关量。

一种电能表，包括上述任一项所述的计量装置。

应用本发明实施例所提供的技术方案，第一计量芯片只需要进行电能数据的基波和全波处理，本申请中，专门在计量主控芯片中设置了协处理器，由协处理器进行电能数据的谐波处理，使得不会挤占第一计量芯片的资源。并且，协处理器是基于存储部件，基于指令的方式进行电能数据的谐波处理，可以有效地保障谐波电能数据处理的高效性。与此同时，主控芯片内核与协处理器共用存储部件，即本申请在计量主控芯片中设置协处理器，并不需要额外为协处理器配置存储部件，有利于节约本方案的硬件成本。综上所述，本申请的方案可以快速、高效地进行计量装置的电能数据处理，同时节约了硬件成本。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明中一种计量主控芯片的结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式中的计量主控芯片的结构示意图；

图3为本发明一种场合中的指令跳转示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种计量装置，可以快速、高效地进行计量装置的电能数据处理，且有利于节约成本。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

本申请的计量装置可以包括：计量装置结构主体，第一计量芯片以及计量主控芯片；

第一计量芯片用于：进行电能数据的基波和全波处理；

计量主控芯片中包括：主控芯片内核，协处理器以及存储部件，主控芯片内核与协处理器共用存储部件；

协处理器用于：基于存储部件，基于指令的方式进行电能数据的谐波处理。

具体的，计量装置结构主体表示的是在计量装置中，除了第一计量芯片和计量主控芯片之外的其他器件结构，具体则取决于实际应用中的计量装置的具体结构设计，根据实际需要进行设定即可，本申请不在此展开说明。

第一计量芯片可以进行电能数据的基波和全波处理，第一计量芯片的具体类型以及结构可以根据实际需要进行设定，当然，在其他场合中，还可以让第一计量芯片完成其他的工作，根据实际需要进行设定和调整即可，并不影响本发明的实施。

计量主控芯片则是用来进行电能数据的谐波处理，在传统的部分方案中，是基于纯软件实现电能数据的谐波处理，效率很低，且大量占用资源。本申请的方案中，在计量主控芯片中设置了专门用于进行电能数据的谐波处理的协处理器。

可参阅图1，为本发明的一种具体实施方式中的计量主控芯片的结构示意图。计量主控芯片中包括：主控芯片内核10，协处理器20以及存储部件30。

在图1中，存储部件30可以由一种或者多种不同类型的存储构成，是计量主控芯片中主要的存储空间。并且，本申请的主控芯片内核10和协处理器20共用存储部件30，也就是说，本申请的方案无需额外为协处理器20配置存储部件30，直接采用计量主控芯片原有的存储部件30的设计即可，降低本申请方案的硬件成本。

主控芯片内核10，可以与协处理器20进行数据交互，可以实现对于协处理器20的参数配置，数据调配和读取等功能。当然，计量主控芯片中的除了电能数据的谐波处理之外的其他功能，也可以设置为由主控芯片内核10实现，根据实际需要在主控芯片内核10中进行相应的程序设计即可。

本申请专门设置的协处理器20，用于进行电能数据的谐波处理，从而不会挤占主控芯片内核10的资源，并且协处理器20是基于指令的方式进行电能数据的谐波处理，从而可以高效地处理电能数据的谐波。具体地，可以选取为DSP协处理器20。

进一步的，本申请考虑到，进行谐波处理时，需要大量的源数据存储空间和计算结果的存放空间，并且，各分次谐波虽然数据不同，但运算步骤是相同的，对于三相而言，每一相的运算步骤也都是相同的，只是不同相的数据不同，因此，协处理器20可以通过指令复用的方式实现电能数据的谐波处理，从而有利于降低所需要的指令个数，也就有利于降低本申请方案所需要的存储空间。

在本发明的一种具体实施方式中，协处理器20，可以具体用于：

在单相模式时，基于存储部件30，通过将目标指令集复用N次，进行电能数据的单相的N次谐波的处理；

在三相模式时，基于存储部件30，通过将目标指令集复用3N次，进行电能数据的各相的N次谐波的处理；N为正整数。

该种实施方式中，通过指令复用，可以降低方案所需要的指令存储空间，降低所需要的指令数量。并且，该实施方式支持单相模式和三相模式，可以根据实际需要自由选择，提高了方案的灵活性。

此外还需要指出的是，指令复用指的是那些各次谐波运算均需要用到的指令，以单相模式为例，例如，在进行某一相的各次谐波分量的电压电流有效值的计算时，相关的指令需要被复用N次，而例如进行某一相的总谐波畸变率的计算时，在一个计算周期中，相关指令只需要使用一次。也就是说，将目标指令集复用N次，并不表示其中的全部指令都会被复用N次，指的其中的各次谐波运算均需要使用的指令会被复用N次，其余还有少部分指令，例如总谐波畸变率的计算相关指令，开始指令，结束条件判断指令等无需复用N次。

可参阅图2，在本发明的一种具体实施方式中，协处理器20中包括：

指令控制器201，用于按照预设的指令跳转规则，通过指令总线从存储部件30的目标指令集中获取指令；

指令译码执行器202，用于解析指令控制器201发送的指令并执行，并且，在执行数据获取时，基于当前模式以及当前的计数寄存器的数值，通过数据总线并基于虚拟重映射的方式从存储部件30中获取当前所需要的目标次谐波的数据信息并存储在通用寄存器203中；

通用寄存器203，用于进行与存储部件30之间以及与基本运算逻辑器204之间的数据交互；

基本运算逻辑器204，用于根据指令译码执行器202发送的运算命令，对通用寄存器203中存储的数据进行逻辑运算，以使得协处理器20实现电能数据的谐波处理。

便于理解，不妨以各次谐波分量的有功功率的计算过程为例进行说明。图3则为该例子中的指令跳转示意图。

从2次谐波开始，首先指令控制器201会按照预设的指令跳转规则，通过指令总线从存储部件30的目标指令集中获取装载指令，由指令译码执行器202解析并且执行该装载指令。

指令控制器201可以进行指令读取，并且可以进行读地址的跳转控制，从而实现指令的跳转。在协处理器20启动之后，指令控制器201可以基于地址发起相应的指令读请求，并且可以接收指定读响应以及由数据总线发送的数据执行响应。指令控制器201会按照预设的指令跳转规则执行各个指令，包括顺序执行和跳转执行，跳转执行则具体包括条件跳转和直接跳转，跳转的操作可以通过读地址跳转实现。运行到结束指令时，指令控制器201可以产生结束标示信号。

指令译码执行器202解析并且执行该装载指令，具体的，可以基于当前模式以及当前的计数寄存器的数值，执行该装载指令。例如当前是A相的单相模式，当前的计数寄存器的数值为2，则通过数据总线从存储部件30中获取A相电压电流的2次谐波的数据信息，并且存储在通用寄存器203中。

指令译码执行器202用于进行指令的译码执行，可以包含专用指令集的译码，从而产生对应的操作行为，包括进行存储部件30与通用寄存器203之间的数据搬移、针对基本运算逻辑器204的操作指令，还可以包括数据的移位、指令跳转命令以及运行状态更新等操作。

此外需要强调的是，由于需要进行指令的复用，即各分次谐波的运算步骤相同数据不同，每一相的运算步骤相同只是不同相的数据不同，该种实施方式中，是基于当前模式以及当前的计数寄存器的数值，并且基于虚拟重映射的方式实现的不同的数据获取。例如该场合中，基于虚拟重映射，可以从存储部件30中获取A相电压电流的2次谐波的数据信息，而后续例如针对A相3次谐波的计算时，指令译码执行器202接收到的装载指令是一样的，但是基于虚拟重映射，可以从存储部件30中获取A相电压电流的3次谐波的数据信息。

通过数据总线从存储部件30中获取A相电压电流的2次谐波的数据信息，并且存储在通用寄存器203之后，通过后续的指令完成所需要的乘法和加法操作，并经过移位调整运算结果的小数数位。

之后，读取所需要的校正参数，同样的，该操作需要经过虚拟重映射，得到的是2次谐波的校正值，从而与此前计算出的有功功率进行比差操作，将结果保存到存储部件30中。并且需要说明的是，将结果保存到存储部件30中，也是需要通过虚拟重映射，保存到2次谐波分量的有功功率的对应区域。此外，还会将当前结果累加到总谐波功率上，总谐波功率也可以存储在存储部件30的相应区域。

A相2次谐波的有功功率计算完成之后，可以按照预设规则调整计数寄存器的数值，例如将计数寄存器的数值加1，并且跳转至开始运算的指令，从而按照上述的流程，通过指令复用进行3次谐波的有功功率的计算，以此类推，直到处理到最高分次的谐波分量，即N次谐波分量的计算完成后，如果是单相模式，可以跳转至结束，如果是三相模式，可以按照上述流程，依次执行B相和C相的运算。

在图2的具体方案中，主控芯片内核10和协处理器20均是通过总线矩阵访问存储部件30，总线矩阵是计量主控芯片的总线架构的一部分，协处理器20既作为主控芯片内核10的从，又作为总线矩阵上的主模块，经过总线矩阵仲裁访问请求，下发总线命令访问系统中的存储部件30。

在本发明的一种具体实施方式中，存储部件30可以包括RAM和闪存，且目标指令集存储在闪存中，这样有利于方便用户的开发。

基本运算逻辑器204可以由指令译码执行器202执行控制，可以完成指令集对应的基本逻辑运算操作，包括移位、加减乘除、开方以及组合操作。

通用寄存器203可以根据需要进行设定，例如设定为内部有两组通用寄存器组，缓存从存储部件30中获取的数据以及运算结果，作为基本运算逻辑器204的输入和输出数据空间，仅协处理器20可访问，由指令控制，实现与存储部件30和基本运算逻辑器204交互数据。

在本发明的一种具体实施方式中，存储部件30中可以包括：

用于存储目标指令集的指令空间区；

用于存储待处理的源数据的待处理数据区；

用于存储运算中间值以及运算结果的运算数据区；

用于存储校正参数的校正参数区。

该种实施方式中，存储部件30中至少包括了指令空间区，待处理数据区，运算数据区以及校正参数区，便于进行不同数据的划分。当然，其他实施方案中，可以有其他的划分方式。

指令空间区用于存储目标指令集，具体的，可以基于指令基地址映射的方式，映射到存储部件30的闪存或RAM的空间中，协处理器20启动之后，便可以自动从指令空间区读取指令。

待处理数据区用于存储待处理的源数据：可以基于待处理数据区的基地址映射，映射到存储部件30的闪存或RAM的空间中，指定协处理器20读取待运算处理的源数据，如FFT后保存的谐波分量的实部虚部信息。

运算数据区用于存储运算中间值以及运算结果，具体的，可以基于运算数据区的基地址映射，映射到存储部件30的闪存或RAM的空间中，运算数据区可以缓存运算中间值以及存储最终的运算结果。

进一步的，在本发明的一种具体实施方式中，运算数据区可以包括映射区和非映射区，映射区用于存储运算中间值以及运算结果中的全部的分次谐波相关量，非映射区用于存储运算中间值以及运算结果中的全部的非分次谐波相关量。

例如前述实施方式中，2次谐波的有功功率，3次谐波的有功功率等分次谐波相关量可以放置在运算数据区的映射区，而例如总谐波功率这样的非分次谐波相关量可以放置在运算数据区的非映射区，从而可以更精细地进行不同类型的数据划分。

校正参数区用于存储校正参数，可以包含有各分次谐波计算的功率及有效值的内部调整校正参数。

此外需要说明的是，与运算数据区类似，其他分区也可以设置有映射区和非映射区，并不影响本发明的实施。例如考虑到校正参数区中的数据均为分次谐波相关量，可以将校正参数区固定采用分次谐波映射地址，即校正参数区均为映射区。又如，可以将待处理数据区划分出映射区和非映射区，非映射区作为后续的功能扩展，提高方案的灵活性。在实际应用中，映射区中的不同谐波分量的同一类数据可以连续排放，对于指令来说仅访问同一个地址，实际访问地址则是根据当前模式以及计数寄存器的数值，通过虚拟重映射定位到各谐波分量的具体位置。

不同的分区的基地址不同，并且可以根据需要进行调整，协处理器20通过基地址映射可以定位到不同的分区。而获取某分区的具体的数据，协处理器20便可以利用虚拟地址重映射实现。在图2的实施方式中，具有由协处理器20的指令译码执行器202实现虚拟地址重映射。需要说明的是，对于各分区的访问，根据地址属性，可以有独立的重映射关系，可由软件配置寄存器控制，也可根据指令来设置重映射条件。对于各分次的谐波处理，采用相同的指令完成，根据当前模式以及计数寄存器的数值，便可以完成具体的地址重映射。

在本发明的一种具体实施方式中，存储部件30中还可以包括：

用于存储运算结果中的目标数据的交互数据寄存器区。

交互数据寄存器区可以存储运算结果中的目标数据，目的是方便后续进行计量时对于目标数据的快速读取，例如在能量统计需要对功率/有效值进行快速读取。交互数据寄存器区不同于RAM存储器，大量的寄存器会带来更多的逻辑面积的消耗，因此，为了实现快速地与其他计量相关模块进行交互，又不会带来大量的面积消耗，在实际应用中，会设置少量的数据寄存器作为交互数据寄存器区来保存特定的目标数据，从而与其他计量相关模块进行快速的目标数据的交互。

在本发明的一种具体实施方式中，协处理器20中还可以包括：

配置数据寄存器205，用于调整协处理器20的配置信息。具体的配置数据寄存器205可以与主控制器连接，使得用户可以对其进行设置以及调整，进而实现协处理器20的配置信息的调整，例如配置数据寄存器205具体可以包括，更改协处理器20的控制、模式、访存基地址、映射区分界地址、映射配置等配置信息，此外还可以获取协处理器20的运行状态。

应用本发明实施例所提供的技术方案，第一计量芯片只需要进行电能数据的基波和全波处理，本申请中，专门在计量主控芯片中设置了协处理器，由协处理器进行电能数据的谐波处理，使得不会挤占第一计量芯片的资源。并且，协处理器是基于存储部件，基于指令的方式进行电能数据的谐波处理，可以有效地保障谐波电能数据处理的高效性。与此同时，主控芯片内核与协处理器共用存储部件，即本申请在计量主控芯片中设置协处理器，并不需要额外为协处理器配置存储部件，有利于节约本方案的硬件成本。综上所述，本申请的方案可以快速、高效地进行计量装置的电能数据处理，同时节约了硬件成本。

相应于上面的实施例，本发明实施例还提供了一种电能表，可以包括上述任一实施例中的计量装置。可与上文相互对应参照，此处不再重复说明。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。