电网信号处理方法及装置与流程

本技术涉及电网实时控制，尤其涉及一种电网信号处理方法、电网信号处理装置、电网信号处理芯片以及电网信号处理系统。

背景技术：

1、快速傅里叶变换（fast fourier transform，fft）作为频域分析的核心算法，被广泛应用于智能电网、工业物联网以及高端装备中的实时信号分析与故障诊断场景。

2、目前，fft通常基于通用处理器（如数字信号处理器（digital signal processor，dsp）或精简指令集处理器（advanced risc machine，arm））或软件库以串行方式执行。以基2-fft算法为例，首先，处理器将待计算的n点时域采样数据存储于内存中。然后，按照蝶形运算的级数（共log2n级）逐级进行计算，每一级包含n/2个蝶形单元，每个蝶形单元需要从内存中读取两个复数操作数及一个旋转因子，执行复数乘法与加法运算，并将计算结果写回内存，作为下一级运算的输入。重复上述过程直至完成所有级的运算，最终得到n个频点的频域结果。这n个频点的频域结果包含了原始信号从直流分量到奈奎斯特频率范围内的各频率成分的幅值和相位信息，在智能电网中用于提取电力谐波特征以判断电能质量、在工业物联网中用于识别设备故障的特定频率特征、在高端装备中用于实现高速旋转机械的振动频谱分析与故障预警。

3、然而，随着时域采样时刻数n的增加，蝶形运算级数呈对数增长，总运算次数与n·log2n成正比，导致计算延迟随点数增加而显著上升。例如：对于1024点fft，需完成数万次复数乘加运算及相应的内存访问，单次变换耗时可达数百微秒甚至毫秒级，难以满足智能电网、工业物联网及高端装备中微秒级控制周期的实时性要求，降低了系统在高实时性场景下的响应速度。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种电网信号处理方法、电网信号处理装置、电网信号处理芯片以及电网信号处理系统，以将fft计算延迟压缩至纳秒级且与点数解耦，从而在电机驱动、并网逆变器、储能变流器等实时控制场景中实现微秒级控制周期内的确定性频域分析，以及在电弧故障检测、电力谐波分析等故障诊断场景中实现故障特征的即时识别与快速保护响应。

2、为解决上述技术问题，本技术实施例提供如下技术方案：

3、本技术第一方面提供一种电网信号处理方法，方法包括：获取当前采样时刻对电网信号进行采样得到的时域新数据，电网信号为电网中的电压信号或电流信号，时域新数据为对电压信号或电流信号进行采样得到的瞬时幅值；读取n个采样时刻之前的一个目标历史数据，并计算时域新数据与目标历史数据的差值，其中， n为快速傅里叶变换包括的频点数，历史数据为不同采样时刻对电网信号进行采样得到的时域数据；对于每个频点，将差值、当前频点对应的旋转因子以及上一采样时刻输出的频域计算结果进行复数乘加计算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果；输出每个频点的频域计算结果，以根据每个频点的频域计算结果识别当前采样时刻电网信号中的特征频率成分。

4、相较于现有技术，本技术第一方面提供的电网信号处理方法，通过读取n个采样时刻前的目标历史数据并与当前时域新数据求差，将单一差值并行处理，对于每个频点，仅依赖该差值、自身固化的旋转因子及上一采样时刻的频点计算结果进行独立复数乘加，避免了传统fft中每级蝶形运算所需的反复内存读取与中间结果写回操作，消除了数据搬运开销。多个迭代运算同时工作，独立负责一个频点的递推计算，使得任意点数的fft均只需单个采样时刻输入后经固定4个时钟周期即可完成全部频点更新，计算延迟与点数完全解耦。最终，将各频点结果输出至电网控制器，使控制器能够在微秒级控制周期内即时获得全频域信息，从而大幅提高了电机驱动、并网逆变器、储能变流器等实时控制场景的响应速度，以及提高了在电弧故障检测、电力谐波分析等故障诊断场景中特征频率成分的识别及时性与保护动作的快速性。

5、在本技术提供的其它实施方式中，对于每个频点，将差值、当前频点对应的旋转因子以及上一采样时刻输出的频域计算结果进行复数乘加计算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果，包括：对于每个频点，将差值分别与当前频点对应的旋转因子的实部、虚部进行第一乘法运算；将上一采样时刻输出的频域计算结果的虚部与当前频点对应的旋转因子的实部、虚部分别进行第二乘法运算；将第一乘法运算的乘积与第二乘法运算的乘积进行加法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果，当前采样时刻每个频点的频域计算结果包括实部和虚部。

6、通过将差值与上一采样时刻结果的虚部分别与当前频点的旋转因子的实部和虚部进行交叉乘加运算，实现了单周期内实部与虚部的同步并行更新，避免了复数运算需分解为多步串行乘加的时序开销，从而提高了信号处理的流水线效率与单次频点更新的计算速度。

7、在本技术提供的其它实施方式中，在将差值分别与当前频点的旋转因子的实部、虚部进行第一乘法运算之前，方法还包括：将差值与上一采样时刻输出的频域计算结果的实部进行求和，得到第一求和值；将差值分别与当前频点的旋转因子的实部、虚部进行第一乘法运算，包括：将第一求和值分别与当前频点的旋转因子的实部、虚部进行第一乘法运算。

8、通过将差值与上一频点实部先行求和后再参与后续乘加运算，使得时域采样值变化量直接累加至历史频点结果中，避免了差值独立参与乘算后再与历史值合并所带来的截断误差累积，从而提高了频域计算结果在长时连续迭代过程中的数值精准度。

9、在本技术提供的其它实施方式中，将第一乘法运算的乘积与第二乘法运算的乘积进行加法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果，包括：将第一乘法运算的两个乘积与第二乘法运算的两个乘积按照第一组合方式进行加法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果的实部；将第一乘法运算的两个乘积与第二乘法运算的两个乘积按照第二组合方式进行加法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果的虚部；其中，第一组合方式为将差值乘以当前频点的旋转因子的虚部的乘积，与上一采样时刻输出的频域计算结果的虚部乘以当前频点的旋转因子的实部的乘积相加；第二组合方式为将上一采样时刻输出的频域计算结果的虚部乘以当前频点的旋转因子的虚部的乘积，与差值乘以当前频点的旋转因子的实部的乘积相加。

10、通过将第一乘法运算的两个乘积与第二乘法运算的两个乘积按照两种不同组合方式分别累加，以同步独立输出实部与虚部，使单个迭代运算在无需额外串行化处理的情况下同时完成复数结果的实虚部更新，从而提高了信号处理的吞吐率与硬件利用率。

11、在本技术提供的其它实施方式中，将差值分别与当前频点的旋转因子的实部、虚部进行第一乘法运算，包括：将差值与当前频点的旋转因子的实部进行第一乘法运算，得到第一乘法结果，同时将差值与当前频点的旋转因子的虚部进行第一乘法运算，得到第二乘法结果；将上一采样时刻输出的频域计算结果的虚部与当前频点的旋转因子的实部、虚部分别进行第二乘法运算，包括：将上一采样时刻输出的频域计算结果的虚部与当前频点的旋转因子的实部进行第二乘法运算，得到第三乘法结果，同时将上一采样时刻输出的频域计算结果的虚部与当前频点的旋转因子的虚部进行第二乘法运算，得到第四乘法结果；将第一乘法运算的乘积与第二乘法运算的乘积进行加法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果，包括：将第二乘法结果与第三乘法结果进行加法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果的实部；将第四乘法结果与第一乘法结果进行减法运算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果的虚部。

12、通过将差值以及上一频域虚部分别与旋转因子的实部和虚部进行交叉乘算，并将所得四个乘积按照两种不同组合方式分别累加与相减，使得单个迭代运算单元在同一个计算周期内同步输出复数结果的实部和虚部，从而在不增加乘法器数量的前提下提高了硬件利用率和单周期吞吐率。

13、在本技术提供的其它实施方式中，在对于每个频点，将差值、当前频点对应的旋转因子以及上一采样时刻输出的频域计算结果进行复数乘加计算之前，方法还包括：识别时域新数据所来自的目标输入通道，并为时域新数据添加目标输入通道的标识，其中，不同输入通道用于接收不同信号源的时域数据；对于每个频点，将差值、当前频点对应的旋转因子以及上一采样时刻输出的频域计算结果进行复数乘加计算，包括：确定目标输入通道对应的目标频点，不同的输入通道对应不同频点；在目标频点，将差值、当前频点对应的旋转因子以及上一采样时刻输出的频域计算结果进行复数乘加计算。

14、通过为每个时域新数据添加其来源输入通道的标识，并根据该标识确定当前参与计算的目标频点，使不同输入通道的数据能够共享同一套迭代运算单元阵列，并在各自对应的目标频点上独立执行复数乘加计算，从而在无需为每个通道复制完整迭代阵列的前提下实现了多信号源的并行频域分析，提高了多通道场景下的硬件复用率和计算资源利用率。

15、在本技术提供的其它实施方式中，不同的频点对应不同的迭代运算单元，方法还包括：统计各输入通道在预设时间窗口内的数据到达频率，将数据到达频率高于预设频率的输入通道标记为活跃通道；当检测到当前存在空闲迭代运算单元时，将空闲迭代运算单元预置的标识变更为活跃通道的标识，并将活跃通道对应的频点的旋转因子写入空闲迭代运算单元，以使空闲迭代运算单元加入活跃通道的计算。

16、通过动态统计各通道数据到达频率并标记活跃通道，将空闲迭代运算单元的标识和旋转因子实时重配给活跃通道，使活跃通道的计算能力随其数据到达频率自适应扩展，从而在总迭代运算单元数量固定的约束下，将有限的计算资源动态集中调配至当前数据密集的通道，提高了多通道并发场景下的计算资源利用率与整体吞吐率，同时避免了对低频通道的无效算力分配。

17、在本技术提供的其它实施方式中，不同的频点对应不同的迭代运算单元，在获取当前采样时刻对电网信号进行采样得到的时域新数据之前，方法还包括：根据待监测的频率特征配置迭代运算单元的使用数量和处理的频点，并将频点对应的旋转因子写入相应的迭代运算单元并固化存储，关闭未配置的迭代运算单元的时钟或电源。

18、通过根据待监测的频率特征按需配置迭代运算单元的使用数量和处理的频点，并将旋转因子固化存储、关闭未配置单元的时钟或电源，使得硬件资源仅分配给实际需要监测的频点，无关单元不产生动态功耗，从而在保证所需频点计算能力的前提下提高了系统的能效比。

19、在本技术提供的其它实施方式中，根据待监测的频率特征配置迭代运算单元的使用数量和处理的频点，包括：根据待监测的频率特征确定迭代运算单元的当前需求数和处理的频点；根据当前可用的硬件资源总量，确定可同时使能的迭代运算单元的数量上限；当当前需求数大于数量上限时，判断处理的频点中是否存在频率间隔小于预设阈值的相邻频点对；若是，则将相邻频点对合并至同一个迭代运算单元，确定迭代运算单元的使用数量为当前需求数减去相邻频点对的数量，其中，合并后的迭代运算单元配置有两组旋转因子和两组乘加计算通路，共用输入的差值，并行输出两个频域计算结果；若否，则将处理的频点按照预定规则分批，每一批频点的数量不超出数量上限，确定迭代运算单元的使用数量为数量上限，其中，分批后的各频点分时复用数量上限的迭代运算单元。

20、通过在当前需求频点数超出可用迭代运算单元数量上限时，优先将频率间隔小于预设阈值的相邻频点合并至同一单元并行计算，否则将频点分批分时复用数量上限的迭代运算单元，使硬件资源总量受限时仍能覆盖全部所需频点，且合并方案以最小单元代价并行输出两个相邻频点，分批方案在保障所有频点均被计算的前提下以固定单元数完成整体任务，从而提高了硬件资源受限场景下的频点覆盖能力与配置灵活性，同时避免了因资源不足而丢弃部分频点导致的频谱信息缺失。

21、本技术第二方面提供一种电网信号处理装置，装置包括：获取单元，用于获取当前采样时刻对电网信号进行采样得到的时域新数据，电网信号为电网中的电压信号或电流信号，时域新数据为对电压信号或电流信号进行采样得到的瞬时幅值；差值计算单元，用于读取n个采样时刻之前的一个目标历史数据，并计算时域新数据与目标历史数据的差值，其中， n为快速傅里叶变换包括的频点数，历史数据为不同采样时刻对电网信号进行采样得到的时域数据；迭代运算单元，用于对于每个频点，将差值、当前频点对应的旋转因子以及上一采样时刻输出的频域计算结果进行复数乘加计算，得到当前采样时刻每个频点的频域计算结果；输出单元，用于输出每个频点的频域计算结果，以根据每个频点的频域计算结果识别当前采样时刻电网信号中的特征频率成分。

22、本技术第三方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现第一方面中的方法。

23、本技术第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第一方面中的方法。

24、本技术第五方面提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第一方面中的方法。

25、本技术第二方面提供的电网信号处理装置、第三方面提供的计算机设备、第四方面提供的计算机可读存储介质和第五方面提供的计算机程序产品，与第一方面提供的电网信号处理方法具有相同或相似的有益效果。