【摘要】：隨著泛在電力物聯網的加速建設,越來越多的傳感節(jié)點被部署在感知層中,用以實現電能計量和電信號測量功能。傳統(tǒng)的實現方式有兩種,軟件方式和專用集成電路方式,各有利弊:軟件方式較靈活,但不能保證及時性和可靠性,功耗較大;專用集成電路雖然功耗較小,但不能滿足多種應用需求。因此,本文提出一組精簡指令集,滿足電能計量和電信號測量中的基本運算和多速率運算需求,并提出三種DSP架構,分別為基礎DSP架構、可配置DSP架構和雙核DSP架構。本文首先提出的基礎DSP架構,在設計上采用了哈佛結構和二級流水線的實現方式�；诨ADSP架構,提出了世界上第一個無需外部晶振的電能計量芯片中的數字集成電路設計及實現方法。通過減少晶振和減少通訊所需光耦的數量,大大降低了智能計量和智能監(jiān)測設備的生產成本。該芯片中數字集成電路的功耗也低于同類型商業(yè)芯片。其次,為滿足泛在電力物聯網的廣泛應用場景,本文在基礎DSP架構的基礎上,提出了一個可配置DSP架構。在不改變DSP程序的條件下,實現了DSP運算頻率、計量帶寬、數字濾波器響應時間和穩(wěn)定時間可配置的效果�；诳膳渲肈SP架構,本文提出了一個具有靈活運算引擎的電能計量和測量芯片的數字集成電路設計及實現方法。靈活運算引擎根據不同的應用環(huán)境調整運算任務,以降低DSP運行功耗。通過程序復用,可選擇計算基波有功功率、基波無功功率或基波有效值。同時,該芯片也根據IEC-61000-4-30的電網監(jiān)測需求,集成了基于1/2基波周期有效值和10或12基波周期有效值的測量單元,可測量電壓幅值、電壓驟升和驟降、電壓中斷和電壓瞬變這些事件。最后,為了提高該DSP架構的運算能力,本文提出了一個用于電能計量和電信號測量的雙核DSP架構,并集成在了一個電能計量和電信號測量的SoC中。該DSP架構集成了快速運算核和慢速運算核,根據運算任務需求,可選擇關閉慢速運算核或降低慢速運算核的運行頻率,以降低DSP運行功耗。在該SoC中,DSP不僅可讀取存儲在ROM中的固定程序,也可以通過AHB-lite總線,讀取存儲在SoC中FLASH或SRAM的程序,實現了DSP的軟件可編程。此外,本文提出了一種基于波形數據的快速檢測算法,用于檢測過流、過壓、欠流和欠壓事件。通過調整檢測閾值、采樣點數和檢測周期以調節(jié)檢測靈敏度。應用這三種DSP架構的電能計量和電信號測量芯片和SoC已經實現商業(yè)化并量產。
【圖文】：

量計量方法。基波能量計量是只對基波信號產生的能量進行計量；而直流能量計逡逑量則對直流能量進行計量，其應用于新能源用電的場景。電能計量算法的結構如逡逑圖２．１￣２．４所示。逡逑原始電壓波逡逑ｕ（ｔ）邐￣邐｜邋形數據逡逑邐？傳感器Ｓ－ＡＡＤＣ邐—？邐ＣＩＣ邐—？邐ＨＢＦ邋邐？逡逑原始電流波逡逑ｉ（ｔ）邐｜邋形數據逡逑邐？傳感器－？邋Ｉ－Ａ邋ＡＤＣ邐—？邐ＣＩＣ邐—？邐ＨＢＦ邋邐？逡逑圖２－１電能計量算法－信號采集逡逑在圖２．１中，電壓信號和電流信號通過芯片外的傳感器轉換為能被ＡＤＣ采集逡逑的電壓信號。通過ＡＤＣ轉換為Ｉｂｉｔ的數據碼流，通過級聯積分－梳狀濾波器逡逑（Ｃａｓｃａｄｅｄ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ－ｃｏｍｂ邋ｆｉｌｔｅｒ，ＣＩＣ）濾波器和半帶濾波器（Ｈａｌｆ－ｂａｎｄ邋ｆｉｌｔｅｒ，逡逑ＨＢＦ）濾除高頻噪聲。ＣＩＣ的降采樣率和ＨＢＦ的數目可調節(jié)計量帶寬，通過這兩逡逑個濾波器的信號可得到原始電壓波形數據和原始電流波形數據。逡逑ＩＩ逡逑

／／（＃）和分別為ＣＩＣ濾波器和ＩＳＯＰ補償濾波器的傳遞函數。當該ＣＩＣ逡逑濾波器的采樣頻率為８１９．２ｋＨｚ，降采樣率為１２８時，ｃ設定為９．７５，，邋Ｉ為１。在本逡逑文的計量算法中，ＣＩＣ濾波器和ＣＩＣ＆１ＳＯＰ濾波器的幅頻響應如圖２．６？２．７所示。逡逑Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｏｆＣＩＣ邋ａｎｄ邋Ｃ１Ｃ＆ＩＳ０Ｐ邋ｆｉｌｌｅｒ逡逑￣邐Ｔ邋￣ｊ逡逑Ｎｓ邐１邋（：ＩＣＶ｜ＳＵＰ［逡逑ｈ邋：逡逑－１５０邐｜逡逑－２００邐ｆ逡逑０邐１邐２邐３邐４邐５邐６邐７邐８邐９邐ｉ（）逡逑Ｆｒｃｑｕｃｎｃｙ（邋Ｉ邋Ｆｚ）邐ｘ邋｜0４逡逑圖２－６Ｃ１Ｃ和ＣＩＣ＆ＩＳＯＰ濾波器－幅頻響應逡逑１５逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM764;TN911.72

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本文編號：2705382