报文离散性可控的标准数字功率源分析

报文离散性可控的标准数字功率源分析

叶跃华

广东省计量科学研究院  510405

摘要：数字化电表逐渐推广，并使用数字功率源进行性能评判，但由于其存在输出报文随机的问题，导致检测结果无法适应行业标准。因此，需要对算法进行优化，保障标准数字功率源输出质量。本文提出一种新型算法，采用混沌映射的方式，对其进行应用，报文离散度的可控性有所增加，误差较小，可广泛应用到数字电能表检测之中。

关键词：报文离散性；可控性；数字功率源；数字化电表

引言：数字化电表功率计算准确性会影响电能交易市场的公平性，为保障电表性能良好，使用标准数字功率源进行验证。但在应用过程中，可能出现报文数据丢失问题，离散性的控制能力比较弱。因此，亟需一种新型报文离散性可控算法，减少验算过程中的数据丢包问题，提高功率源数字计算的准确度，将离散值降至200ns以内。

1报文数据算法

传统的数据算法通过逻辑边长的方式，在FPGA内部生成随机序列，实现对报文数据丢失问题的控制，该算法使用RS触发器作为竞争的基本单元，并依据瞬时电平和内部噪音进行数据输出。在算法系统内部电路关联，存在竞争风险，使得FPGA状态不可控，概率分布系数大于0.3，无法保障随机性良好。

因此，针对报文数据丢失问题，采用混沌映射的方式进行随机算法序列生成，采用等概率无记忆信源进行数据生成。通过在内部安装循环计时器，设置区间（0-255），随机控制指令传递到计时器后，可记录并提取数值，将其作为序列生成基本依据。生成数据选取种子，设定其频率为60MHz，循环时间为170ms，根据种子进行随机序列的生成。该算法机理以FPGA特性为基础，当出现误码问题时，也不会进入到循环状态，且生成的随机数据具有可控性，熵值较大[1]。

2标准数字功率源系统设计

2.1数字功率源结构

   配置以太网芯片进行序列的输出，将FPGA阵列作为基础，采用RMII接口进行数据的输出，可以有效控制验算时报文的离散度符合要求。按照标准数字功率源的结构，将其分为主控、计时模块、以太网光口、脉冲输出模块、串口等，串口主要发挥串口配置命令的作用，计时模块则采用分频计时的方式，以太网主要负责数据传递，均以主控阵列为核心进行数据验算。标准数字功率源串口配置使用EP4CE17C8作为主控芯片，通信媒介则选择应用ES336，实现芯片与控制界面的连接，为保障计时模块运行过程中具备实时测量的功能，使用参数为50MHz的温补晶振，可获取离散度信息，且与以太网通信之间具有良好的兼容性。RMII接口传输数据的速率可以达到100Mbps，可以降低报文数据发布的误差值，提高可控性。

2.2以太网接口设计

以太网接口芯片使用RMII接口，其具备一定的初始化功能，并支持PHY与主控设备之间的数据交换，该接口的通信模式如图1内容所示：

图 1 RMII通信接口模式

在使用上述接口模式的过程中，使用并行线路支持数据的传输，两条信号链路分别为RXD、TXD。控制时钟选择应用CLK，该元件具有良好的上升效果，且频率值在50MHz上下。设计数字功率源内的通信数据传输模式为高位至低位的传输模式，FPGA则采用相反的数据传输模式，主控芯片在获取波束信息后，需要进行赋值后，方可传输到RMII接口位置。使能信号的接收与发送则依靠TX、RX实现，为保障数据可以直接传输到TXD链路中，则需要预先将使能信号传输模块拉低，在完成数据传输过程中上升。将数据线连接到MDIO接口之中，可对芯片进行初始化处理，为数据的稳定传输提供保障[2]。

3报文离散性可控效能验证

目前，国内外并未制定数字化溯源的功能验证标准，对其效能进行验证需要采用依据电能表的检测项目规范，将其作为参考进行指标设计，从而实现对离散性及功能的验证，具体数字量功能验证的内容如下：

3.1数字量验证平台

参考数字化电能表的相关规范，其中包括《计量合并单元测试技术条件》、《交流电测量设备：数字化电能表》等文件标准，进行了数字量验证平台的建设，作为数字量检验的基础依据。验证平台在流程上从数字功率源中发布SV报文，将其传输到硬件解码系统内，随后将检测的结果传递到上位机进行展示。

数字量验证平台将数字功率源与以太网连接在一起，发挥将报文输入到硬件装置中的作用，芯片可判断接收信号是否出现中断情况，从而反馈丢包数据，并在上位机上展示最终的数据传输结果。离散值的记录依据高频时钟，片选信号出现下降后，可对报文发布时间及离散值进行展示。数据传输接口的随机度在20ns左右。

3.2数据丢包测试

依据验证平台进行报文的离散性检验，将10min内采集的数据作为基础进行测试，设置丢包率分别为1/s、5/s、10/s，对最终的数值进行统计。平台验证最终丢包结果采用相关系数和显著性进行评价，具体验证数值如表2内容所示：

表 1 丢包数验证结果表

根据表2中对丢包进行验证的结果表示，其相关系数和显著性均比较低，表明其具有一定的随机性。因此，采用累积丢包计算的方式，对不同时间比例下的丢包率进行分析，具体内容如图3所示。

图 2 累积丢包变化趋势图

对相关系数结果进行分析，设置不同的时间点，采用累积丢包计算的方式，其在数值上呈现出上涨的趋势（1/s、5/s与其一致）。因此，丢包累积数与时间呈正比例关系。在初始阶段条件下，并未出现丢包的情况，可采用正比例函数对其进行拟合计算，将拟合直线对最终的丢包数进行确认。最终结果表明，丢包概率具有一定的可控性。

3.3离散可控性测试

   对离散可控性进行测试，依据相关标准文件的要求，其离散值应在10us以内，方可满足数字电能表测量结果要求。同时，依据《计量用合并单元测试技术条件（通用）》中作为测试依据。依据平台设置报文离散值基础为250us，分别为对其进行加减计算，对最终结果进行验证，明确其误差值是否符合要求，具体内容如图4所示。

图 3 报文发布时间离散测量验证图

以250us为基础进行离散值误差验证，其最终的误差值应控制在200us以内。依据图4中的测量内容，设定测试时间持续10min，对最终过度误差数据进行记录，其最终误差值结果如表5内容所示。

表 2 离散测量误差结果表

根据相关文件中对离散值误差要求，采用上述的设定值进行计算，最终结果显示，最大误差值在20ns以内，且在设定值上为1us，满足在3us以下的要求。因此，在标准数据源设计过程中，使用此方法进行验证可有效提高报文离散性的可控程度，效果良好。

结论：综上所述，离散性可控的标准数字功率源应用以以太网芯片为基础，采用混沌映射生成随机序列对其进行验算，有效避免了数据丢包问题的产生，并且计算过程中的离散值误差控制在200ns以内，满足数字化电能表性能试验的基本要求。因此，该技术可在数字化电能表效验中推广和使用。

参考文献：

[1]唐维尧,白铁男,谭海波,等.贵州省GNSS/MET水汽报文自动化处理系统的设计与实现[J].中低纬山地气象,2022,46(03):122-125.

[2]李姿佳,李伟,邓鹏.基于北斗短报文的水下试验数据海上快速回传技术应用[J].数字技术与应用,2022,40(06):62-65.