本发明涉及电量计量领域中的数字电能表校验技术，具体涉及一种报文离散性可控的标准数字功率源及其应用方法。
背景技术：
：数字化电能表是数字化变电站广泛使用的设备，其计量性能的准确性与可靠性是数字化电能计量系统平稳持续发展的重要保障，标准功率源是校验数字化电能表的核心设备，保证其性能可靠，功能完备是全面检测数字化电能表的前提基础。随着智能电网的不断发展，对于设备在异常工况下的要求不断提升，多影响因子校验试验不断增加。标准《gb/t17215.303-2013交流电测量设备特殊要求第三部分：数字化电能表》明确规定数字化电能表的校验项目涉及丢包试验以及异常事件通信试验，这要求数字功率源必须能够产生随机报文数据丢失，且丢包概率可控。传统数字功率源随机性报文数据丢失的生成方法基于fpga本身所拥有的特性，通过人为的逻辑编程使得fpga内部产生竞争冒险，根据该现象的不确定性生成相应的随机序列，以此控制报文数据随机丢失，rs触发器为硬件随机数产生的基本元。如图1所示，当s、r同时为0时，rs触发器输出稳定为当s与r同时置1时，触发器进入亚稳态，输出量q具有随机性，取决于与非门的瞬时电平及其内部的噪声。故而每当系统需要随机数时，先把s、r同时置0，再将s、r同时置1产生随机数。由于内部电路相互关联，使用竞争冒险等不利条件产生随机数可能会使fpga的状态机跑飞，且同时利用多个与非门电路增加了fpga的功耗。此外，fpga内部的布局布线通过编译已经确定，这种依靠逻辑竞争产生的随机数在时间上的概率分布不均(相关系数大于0.3)，统计上无法认定其具有良好的随机性。有鉴如此，如何满足报文离散度低和概率可控等特点来实现数字电能表校验，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。技术实现要素：本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种报文离散性可控的标准数字功率源及其应用方法，本发明生成的随机序列信息熵较大、丢包概率可控，能够报文数据丢失的随机性的要求，能够实现对被校验的数字电能表的校验，能较好的模拟实际的异常工况，满足数字化电能表异常通信状态的检测要求。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种标准数字功率源，包括主控fpga模块和光口以太网输出模块，所述主控fpga模块中包括用于生成计数值作为种子输出的循环计数器以及用于根据种子生成随机数的随机数生成器，所述随机数生成器将随机数作为丢包控制参数输出给光口以太网输出模块，所述光口以太网输出模块用于基于丢包控制参数生成iec-61850报文输出。可选地，所述随机数生成器为改进型logistic映射随机数生成器。可选地，所述主控模块、光口以太网输出模块之间通过rmii接口相连。可选地，所述主控fpga模块和光口以太网输出模块还共同连接有时钟模块，所述时钟模块的输出端分别与主控fpga模块和光口以太网输出模块的时钟信号输入端相连。可选地，所述时钟模块为温补晶振时钟模块。可选地，所述主控fpga模块还连接有人机交互模块，所述人机交互模块为串口屏，所述串口屏通过rs232接口和主控模块相连。可选地，所述主控fpga模块还连接有用于输出理论电能值的脉冲输出模块。此外，本实施例还提供一种前述标准数字功率源的应用方法，实施步骤包括：1)循环计数器进行循环计数并等待随机数控制指令，当收到随机数控制指令后停止循环计数器并记录此时的计数值作为用于生成随机序列的种子发送给随机数生成器；2)随机数生成器根据生成的种子，采用改进型logistic映射生成满足混沌随机序列要求的随机数，并将随机数作为丢包控制参数输出给光口以太网输出模块；3)光口以太网输出模块基于丢包控制参数生成指定丢包率的iec-61850报文输出。可选地，步骤2)中采用改进型logistic映射生成随机数的函数表达式如式所示；xn 1＝1-k×xn×xn上式中，xn 1表示第n 1次生成的随机数，xn表示第n次生成的随机数，k为系数，所述系数k的取值区间为1.4<k<2，当n等于0时xn表示种子。可选地，步骤2)中将种子补齐为浮点数具体是指将有效位数为23位的种子左侧添加010000000使其生成一个大于0小于1的32位的浮点数。和现有技术相比，本发明报文离散性可控的标准数字功率源具有下述优点：1、本发明主控fpga模块中包括用于生成计数值作为种子输出的循环计数器以及用于根据种子生成随机数的随机数生成器，采用循环计数器 随机数生成器的方式生成随机数，由于循环计数器进行循环计数的周期很小(例如fpga的主控时钟频率为50mhz，由0计数至255循环计数一个周期所用的时间为167ms)，而主控fpga模块接收命令来控制循环计数器生成一个种子所需的时间远远大于循环计数的周期，因此可以认为种子在循环计数的范围内服从随机分布。所以，采用循环计数器 随机数生成器的方式生成随机数的信息熵较大，保证了报文数据丢失的随机性的要求。2、本发明光口以太网输出模块根据随机数生成器输出的随机数控制输出iec-61850报文的丢包状态，通过光口以太网输出模块可实现丢包概率可控，能够保证报文数据丢失的随机性的要求。本发明报文离散性可控的标准数字功率源的应用方同样也具有本发明报文离散性可控的标准数字功率源的前述优点，故在此不再赘述。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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介绍。显而易见地，下面的附图仅为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取其他附图。图1为现有硬件随机数产生的基本元——rs触发器的结构示意图。图2为本发明实施例中标准数字功率源的结构示意图。图3为将本发明实施例的标准数字功率源应用于校验时的系统结构示意图。图4为本发明实施例中主控模块、光口以太网输出模块的通信接口示意图。图5为光口以太网输出模块的配置及工作原理示意图。图6为本发明实施例中设计的数字量验证平台示意图。图7为本发明实施例中设置丢包率为1个/s时的丢包数据图。图8为本发明实施例中设置丢包率为1个/s得到的丢包累积曲线。图9为本发明实施例中设置丢包率为4个/s得到的丢包累积曲线。图10为本发明实施例中设置丢包率为10个/s得到的丢包累积曲线。图11为本发明实施例中报文发布时间离散值为250±0us的实验数据。具体实施方式为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。如图2所示，本实施例中的标准数字功率源包括主控fpga模块1和光口以太网输出模块2，主控fpga模块1中包括用于生成计数值作为种子输出的循环计数器11以及用于根据种子生成随机数的随机数生成器12，随机数生成器12将随机数作为丢包控制参数输出给光口以太网输出模块(2)，光口以太网输出模块2用于基于丢包控制参数生成iec-61850报文输出。本实施例中采用循环计数器11 随机数生成器12的方式生成随机数，由于循环计数器11进行循环计数的周期很小(例如fpga的主控时钟频率为50mhz，由0计数至255循环计数一个周期所用的时间为167ms)，而主控fpga模块接收命令来控制循环计数器11生成一个种子所需的时间远远大于循环计数的周期，因此可以认为种子在循环计数的范围内服从随机分布。所以，采用循环计数器 随机数生成器的方式生成随机数的信息熵较大，保证了报文数据丢失的随机性的要求。本实施例光口以太网输出模块2根据随机数生成器输出的随机数并控制输出iec-61850报文的丢包状态，通过光口以太网输出模块2可实现丢包概率可控，能够保证报文数据丢失的随机性的要求。本实施例中，主控fpga模块1具体采用altera公司生产的ep4ce15f17c8芯片，是小批量系统提高系统集成度最佳选择之一，可靠性高，操作简单。本实施例中，循环计数器11为由0计数至255循环计数的循环计数器，由0计数至255循环计数一个周期所用的时间为167ms，主控fpga模块1的主控时钟频率为50mhz。本实施例中，随机数生成器12为改进型logistic映射随机数生成器，具有实现简单、生成的伪随机序列熵值较大的优点。常见的混沌序列映射方式有logistic映射、tent映射、chebyshev映射以及改进型logistic映射，经过测试改进型logistic映射基于fpga自身特性以及quartus计算资源即可实现，而且当输出序列的长度n＝10000时的信息熵要大于其他常见的混沌序列映射方式。为了实现报文发布时间离散值可控，本实施例中主控模块1、光口以太网输出模块2之间通过rmii接口相连，使标准数字功率源报文输出的时间不确定度降低至40ns以内，远小于标准中规定3us的误差要求，满足数字化电能表异常通信状态的检测要求。如图3所示，光口以太网输出模块2和主控fpga模块1之间通过rmii接口实现芯片的上电初始化，同时实现主控fpga与phy之间的数据通信。其中，数据传输通信线rxd[1:0],txd[1:0]，2路信号并行传输，数据控制时钟为clk_ref，时钟频率为50mhz；tx_en，rx_er为发送接收使能信号，发送数据时需先主动拉低tx_en，再将数据传到txd[1:0]上，数据发送完毕需上拉tx_en，rx_er与tx_en相似；mdc/mdio属于mdio接口的2根数据线，fpga通过该接口实现对芯片的初始化，从而使芯片能够正常的发送接收数据；crs_dv信号为双工载波监视信号。如图4所示，本实施例中主控fpga模块1、光口以太网输出模块2还共同连接有led控制模块，led控制模块用于控制配置指示灯、主控指示灯、以太网输出控制灯的状态。通过人机交互模块1可通过光口配置模块、数字量配置模块下达光口初始化、数字参数配置命令，主控fpga模块1可根据光口初始化、数字参数配置命令发送相关报文给光口以太网输出模块2来完成光口配置、数字量配置。配置指示灯可显示光口以太网输出模块2是否已经完成配置，主控指示灯用于现实主控fpga模块1的工作状态，以太网输出控制灯用于现实光口以太网输出模块2的工作状态。本实施例中，光口以太网输出模块2采用光口以太网dp83848芯片，通过配置光口芯片可以使其输出完全与光口完全一致，输出iec-61850报文(具体为iec-61850-9-2报文)，同时将输出光口的通信接口配置为时间不确定度为40ns的100mbps/rmii型通信接口，保证标准数字功率源报文离散度发送准确性。如图2所示，主控fpga模块1和光口以太网输出模块2还共同连接有时钟模块3，时钟模块3的输出端分别与主控fpga模块1和光口以太网输出模块2的时钟信号输入端相连。本实施例中，时钟模块3为温补晶振时钟模块，采用50mhz温补晶振计时模块作为主控时钟源，有效的降低了因时钟抖动产生的离散误差，使时间离散误差不超过20ns。本实施例中，主控fpga模块1还连接有人机交互模块4，人机交互模块1为串口屏，串口屏通过rs232接口和主控fpga模块1相连，串口屏采用rs232作为主控芯片与控制界面的通信媒介，通过串口进行人工切换选择，避免混沌随机数生成器因外部干扰由随机状态进入循环态。本实施例中，主控fpga模块1还连接有用于输出理论电能值的脉冲输出模块5。脉冲输出模块5用于输出高频脉冲作为标准数字功率源脉冲，以便对被校验的数字电能表进行校验。脉冲输出模块5可以根据需要采用现有脉冲产生电路。图5为本实施例标准数字功率源针对被测数字电能表的校验实例，光口以太网输出模块2的iec61850报文输出端直接或通过网络设备间接与被测数字电能表的校验端子相连，将标准数字功率源的高频脉冲输出端、被测数字电能表的低频脉冲输出端分别连接至一误差计算器，误差计算器用于对比脉冲输出模块5输出的高频脉冲、被测数字电能表输出的低频脉冲之间的电能值差异以实现对电能表计量误差的校验。此外，本实施例还提供一种前述标准数字功率源的应用方法，实施步骤包括：1)循环计数器11进行循环计数并等待随机数控制指令，当收到随机数控制指令后停止循环计数器并记录此时的计数值作为用于生成随机序列的种子发送给随机数生成器12；2)随机数生成器12根据生成的种子，采用改进型logistic映射生成满足混沌随机序列要求的随机数，并将随机数作为丢包控制参数输出给光口以太网输出模块2；3)光口以太网输出模块2基于丢包控制参数生成指定丢包率的iec-61850报文输出，从而实现丢包率可控的随机丢包控制。本实施例步骤2)中采用改进型logistic映射生成随机数的函数表达式如式1所示；xn 1＝1-k×xn×xn上式中，xn 1表示第n 1次生成的随机数，xn表示第n次生成的随机数，k为系数，系数k的取值区间为1.4<k<2，当n等于0时xn表示种子。系数k的取值区间为1.4<k<2时能够给有效的避免混沌随机数生成器因时钟电平抖动陷入已运行循环态，在保证丢包概率可控的情况下，输出的采样值随机序列信息熵较大。将得到的浮点数循环调用浮点数乘法ip核(quartus设计软件中有专门针对浮点数乘法的ip核)生成随机数，得到由随机数组成的随机序列。本实施例中，步骤2)中将种子补齐为浮点数具体是指将有效位数为23位的种子左侧添加010000000使其生成一个大于0小于1的32位的浮点数。根据浮点数的计算法则，本实施例中丢包的概率p为：上式中，k为系数，通过调整系数k可实现系统概率可控，此外，每次配置丢包概率时，由于种子会发生变化，整个混沌序列也会随之改变。光口以太网输出模块2可以根据需要指定丢包控制参数，光口以太网输出模块2内部的实现机制如下：例如设定丢包率为n个/1s，1s一共会发出m个包(iec-61850报文)，则将n个丢包控制参数采用预设的映射规则映射到m个包中的n个包，对于生成的iec-61850报文而言，如果映射命中则将被丢弃，未命中则会被正常发出。预设的映射规则在不同的光口以太网输出模块2中可能有不同的实现方式，例如可以采用哈希映射的方式，将丢包控制参数采用哈希函数映射到m个包中某一个包的序号。目前国内外关于数字量溯源的标准较少，无法满足相关功能的验证，本文以数字化电能表的检测项目为准，参考标准中对应的参数指标，设计了准确度较高的数字量验证平台，对标准数字功率源的随机性报文数据丢失以及报文发布时间离散度可控等基本功能进行验证。参考《gb/t17215.303-2013交流电测量设备特殊要求第三部分：数字化电能表》、《dl/t1955-2018计量用合并单元测试仪通用技术条件》等标准规定，设计的数字量验证平台如图6所示，将标准数字功率源输出的iec-61850报文(sv报文)通过硬件解码装置解码后输出上位机，硬件解码装置通过以太网芯片dm9000a的接收中断信号判断采样频率以及丢包数，并将结果传输至上位机。通过高频时钟记录相邻片选信号的下降沿确定报文发布时间离散值。其中硬件解码装置含有标准的光口以太网接收模块，采用rmii接口接收光口数据，该接口时间不确定度为20ns，远小于3us的误差线。分别将标准数字功率源的丢包率设置为1个/s，4个/s，10个/s，各测10min数据，统计每秒的丢包数以及丢包总数，设置为1个/s时的丢包数据如图7所示。根据解得的丢包结果，计算每秒丢包数与时间的相关系数r及显著性水平p，结果如表1所示：表1：相关系数r及显著性水平p测试结果。丢包数设定值(/s)相关系数r显著性水平p1/s-0.03770.68154/s0.06010.876110/s0.02780.9037从表1可见，置信水平(1-p)均小于50％，可认定其分布与时间变量相关性极不显著，随机性较强，与实际情况相符。根据上述结果得到丢包累积曲线如图8～图10所示。参见图8～图10，10min测得丢包累积量与时间变量的相关系数分别为：0.9964(1个/1s)，0.9994(4个/1s)，0.9998(10个/1s)，可认为丢包累计与时间呈线性相关。由于在初始时刻丢包数为零，故丢包累计值可视作时间的正比例函数，使用y＝kx模型对个点进行拟合，则直线斜率即为每秒丢包数。拟合直线斜率即分别为：0.9915(1个/1s)，3.9991(4个/1s)，10.0002(10个/1s)，与设置值相符，满足丢包概率可控。标准《q/gdw11111-2013数字化电能表校准规范》以及《q/gdw11015-2013模拟量输入式合并单元检检测规范》均规定输入数字表的合并单元光口数据时间离散值不得超过10us，而标准《dl/t1955-2018计量用合并单元测试仪通用技术条件》在此基础上明确的提出了采样值发布离散值的检测标准。为校验这一功能，分别设置本实施例标准数字功率源报文发布时间离散值为250±0us、0.4us、1us、2us、5us和10us,每次测试10min，同时要求标准源的检测误差不得大于3us。报文发布时间离散值为250±0us的实验数据如图11所示。由图11可知，在报文发布时间离散值设定为250±0us的情况下，本实施例标准数字功率源的报文发布时间离散值误差最大不超过200ns。本实施例标准数字功率源具备报文发布时间离散值可调功能，设置离散值在250 0.4us、250 1us、250 2us、250 5us和250 10us,进行实验，每次测试10min，由于篇幅所限，其余各测试点的实验数据不在单独列出，将离散值误差记录在表2中。表2：离散值误差实验结果(单位：us)。设定值最小值最小值偏差最大值最大值偏差250249.83-0.17250.19 0.19250.4250.26-0.14250.57 0.17251250.96-0.04251.06 0.06252251.98-0.02252.01 0.01255254.86-0.14255.16 0.16260259.9-0.10260.14 0.14从表2可以看出，本实施例标准数字功率源的报文发布时间离散值误差不超过200ns，在离散值为250 2us时，离散值误差最大不超过20ns，小于3us的误差要求，满足标准数字源的设计需求。综上所述，本实施例标准数字功率源通过基于混沌映射的随机序列生成算法和高性能光口以太网芯片相结合，解决了传统数字功率源报文数据丢失随机性不足的问题并控制报文发布时间离散值误差至200ns。所研制的标准数字功率源满足标准《gb/t17215.303-2013交流电测量设备特殊要求第三部分：数字化电能表》中提出的关于数字化电能表的异常通信影响试验，以及《dl/t1955-2018计量用合并单元测试仪通用技术条件》规定的采样值发布离散值的测试要求，可以用作数字化电能表的检定工作。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种标准数字功率源，其特征在于，包括主控fpga模块(1)和光口以太网输出模块(2)，所述主控fpga模块(1)中包括用于生成计数值作为种子输出的循环计数器(11)以及用于根据种子生成随机数的随机数生成器(12)，所述随机数生成器(12)将随机数作为丢包控制参数输出给光口以太网输出模块(2)，所述光口以太网输出模块(2)用于基于丢包控制参数生成iec-61850报文输出。
2.根据权利要求1所述的标准数字功率源，其特征在于，所述随机数生成器(12)为改进型logistic映射随机数生成器。
3.根据权利要求1所述的标准数字功率源，其特征在于，所述主控模块(1)、光口以太网输出模块(2)之间通过rmii接口相连。
4.根据权利要求1所述的标准数字功率源，其特征在于，所述主控fpga模块(1)和光口以太网输出模块(2)还共同连接有时钟模块(3)，所述时钟模块(3)的输出端分别与主控fpga模块(1)和光口以太网输出模块(2)的时钟信号输入端相连。
5.根据权利要求4所述的标准数字功率源，其特征在于，所述时钟模块(3)为温补晶振时钟模块。
6.根据权利要求1所述的标准数字功率源，其特征在于，所述主控fpga模块(1)还连接有人机交互模块(4)，所述人机交互模块(1)为串口屏，所述串口屏通过rs232接口和主控模块(2)相连。
7.根据权利要求1所述的标准数字功率源，其特征在于，所述主控fpga模块(1)还连接有用于输出理论电能值的脉冲输出模块(5)。
8.一种权利要求1～7中任意一项所述标准数字功率源的应用方法，其特征在于实施步骤包括：
1)循环计数器(11)进行循环计数并等待随机数控制指令，当收到随机数控制指令后停止循环计数器并记录此时的计数值作为用于生成随机序列的种子发送给随机数生成器(12)；
2)随机数生成器(12)根据生成的种子，采用改进型logistic映射生成满足混沌随机序列要求的随机数，并将随机数作为丢包控制参数输出给光口以太网输出模块(2)；
3)光口以太网输出模块(2)基于丢包控制参数生成指定丢包率的iec-61850报文输出。
9.根据权利要求8所述标准数字功率源的应用方法，其特征在于，步骤2)中采用改进型logistic映射生成随机数的函数表达式如式(1)所示；
xn 1＝1-k×xn×xn
上式中，xn 1表示第n 1次生成的随机数，xn表示第n次生成的随机数，k为系数，所述系数k的取值区间为1.4<k<2，当n等于0时xn表示种子。
10.根据权利要求8所述标准数字功率源的应用方法，其特征在于，步骤2)中将种子补齐为浮点数具体是指将有效位数为23位的种子左侧添加010000000使其生成一个大于0小于1的32位的浮点数。
技术总结本发明公开了一种报文离散性可控的标准数字功率源及其应用方法，标准数字功率源包括主控FPGA模块和光口以太网输出模块，主控FPGA模块中包括用于生成计数值作为种子输出的循环计数器以及用于根据种子生成随机数的随机数生成器，光口以太网输出模块用于基于随机数构成的丢包控制参数生成IEC‑61850报文输出；应用方法包括基于混沌映射的随机序列生成方法和通过光口以太网输出模块控制输出IEC‑61850报文的丢包状态实现概率可控的随机丢包控制。本发明标准数字功率源生成的随机序列信息熵较大、概率可控，报文离散度降低，能够实现对被校验的数字电能表的校验，能较好的模拟实际的异常工况，满足数字化电能表异常通信状态的检测要求。
技术研发人员：李恺;卜文彬;陈向群;谭海波;解玉满;黄红桥;谈丛;王海元;周宇烨;杨茂涛;黄瑞;陈浩
受保护的技术使用者：国网湖南省电力有限公司;国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心);国家电网有限公司
技术研发日：2020.03.12
技术公布日：2020.06.09
