蓝奥声核心技术分享——电能信号瞬态异常响应技术

1.技术背景
电能信号瞬态异常响应属于面向用电安全监控的关键技术之一，通过对电能信号状态变量进行跟踪监测，快速获得瞬态异常响应，用以解决用电监控的安全性问题。该项技术涉及物联网智能硬件设备与测控技术领域，主要涉及电能信号监测与用电安全监控。
电力能源的综合利用效率主要体现在安全性、节能性及经济性方面。随着物联网智能技术的发展，电能监测与安全监控管理不仅面向电力生产、传输、配送环节，还需要更广泛、深入地涵盖到分布式用电节点的用电全过程，对用户范围内不同用电场景中用电负载对象及终端设备进行监测监控。
电能监测节点设备（如电能表、电能计量传感器、电能计量插座等）可支持电能监测数据采集，通过状态监测、位置感知、远程控制及异常处理，实现诸多智能管理能力，但在用电设备匹配、瞬态异常响应及保护等方面，其安全性仍需要进一步提升。
电能监测节点与用电负载对象设备关联绑定，对分布式设备用电时段及电能状态进行监测，根据预案进行安全预警及保护的监控。系统可根据实时监测数据与分段记录数据进行在线统计，为用户提供在线可视化监控及信息服务。
面向目标场景的物联网边缘智能技术需要解决的问题是，基于场景感知的关联决策与服务。感知监测设备作为目标感知节点，也是边缘感知网络所服务的目标对象设备，直接与所服务目标场景的移动对象或位置环境建立了关联绑定关系。

2.2现有电能监测技术对于用电过程的安全监控，主要存在以下缺陷：
1)安全保护缺乏对目标场景的关联性：现有技术基于物联网边缘网络进行电能监测时，现场环境由分布式电能监测节点进行监测数据采集（并上传给上位主机）时，多个电能监测节点各自作为相对独立的目标监测节点，相互之间缺乏必要的协同服务，包括协同感知监测、协同数据处理、协同通信及协同保护，以及针对不同目标场景状态，以动态调整电能监测策略及预案的灵活性。
2)对接入接出瞬态缺乏安全保护：现有技术的安全保护主要针对用电负载运行过程，而对负载对象接入接出（插拔）的瞬态过程，缺乏更有针对性行的有效保护。对于特殊工业环境的负载热插拔，为了进行防弧而不得不采取过于结构过于复杂、成本极高的特殊防弧保护技术。
3).节能性与安全监控能力的平衡问题：现有技术电能监测模式，在用电负载处于不同运行状态（如未接入或接入后的正常运行、潜在异常或临界异常状态），缺乏根据当前目标场景及负载对象状态进行由针对性的灵活选择与适应能力。不加区别的实时监测数据处理，不仅会导致敏感性资源（如功耗、算力、带宽）的无谓损失、大量的数据冗余；也会导致在重点目标负载对象真正出现瞬态异常时，缺乏更为实时、有效的异常处理能力。
4)实时性与稳定性之间的平衡问题：现有技术并没有很好地解决的瞬态保护的实时性与稳定性之间的平衡问题。若异常保护按一段时间的有效值响应，则因缺乏实时性导致瞬态异常响应时间过长，而且在电能信号出现瞬态畸变时，有效值并不能很好地反映瞬态冲击量；但是，若若对瞬态监测值进行响应，则会产生较大的误差与不稳定性，尤其在瞬态脉冲畸变较大时。
2.3现有电能监测技术对于电能信号瞬态异常的响应方法，主要存在以下缺陷：
1)按有效值响应，缺乏实时性：现有技术大多对根据对电能信号电流或功率的有效值的变量监测而获得瞬态异常响应，并进行异常处理及保护；但这种方法不仅瞬态异常响应时间过长，而且在电能信号出现瞬态畸变时，不同的瞬态畸变（即便相同的有效值，）也会有很大不同的瞬态冲击量。
2)按瞬态值响应，缺乏稳定性：若直接按电能信号状态变量的瞬态值进行判断响应，因瞬态值的随机性而误差较大，导致稳定性差；当出现并不具备足够瞬态冲击量的谐波信号时，将会因瞬态值响应而导致不必要的瞬态异常响应。
3)按信号预测性响应，缺乏准确性：如果为了提高响应速度，按信号状态变量的预测值（或增大预测值响应的比例），但在瞬态脉冲畸变较大时，将会导致较大的瞬态预测性误判，而导致不必要的瞬态异常响应。
4)状态变量的延时问题：对处于异常状态的电能信号进行监测，单纯地采取实时数据处理通过对状态变量跟踪计算判断而获得瞬态异常响应，会对处理器资源及软件算力带来更大的负担，难以解决软件计算导致的状态变量的延时问题；尤其对瞬态异常响应难以解决实时性与准确性之间的平衡问题。
因此，如何对处于临界异常状态的电能信号的瞬态冲击量进行跟踪监测，使得当电能信号的瞬态冲击量达到或超过预设的额定值时，快速且准确地获得瞬态异常响应，成为亟待解决的技术问题。

2.关于蓝奥声电能异常监测（电能信号瞬态异常响应）技术
2.1蓝奥声电能信号瞬态异常响应技术所解决的技术问题
该项技术要解决的技术问题在于，通过对所述电能信号状态变量的瞬态冲击量进行实时预判监控，解决瞬态异常响应的实时性与稳定性问题；并通过临界实时跟踪处理及临界反馈监测，解决瞬态异常响应的延时问题；从而解决对电能信号瞬态异常响应的实时性与稳定性之间的平衡问题。
2.2类似竞争技术（用电安全监控）的缺陷问题（→见前述2.2）
2.3类似竞争技术（电能异常响应）的缺陷问题（→见前述2.3）

3.技术解决方案
3.1概述
根据该项技术，电能监测节点对电能信号状态变量X(t)进行跟踪监测，获得瞬态异常响应。
首先，通过对电能信号状态变量X(t)安全跟踪监测，在所述状态变量X(t)的瞬态脉冲上升沿获得临界异常响应；对所述状态变量X(t)进行临界实时跟踪处理，对瞬态冲击量Px进行实时预判监控；当所述瞬态冲击量Px的预测值将达到或超过其预设的瞬态冲击额定值Pm时，即获得瞬态异常响应。

其次，通过对电能信号状态变量X(t)安全跟踪监测，在所述状态变量X(t)的瞬态脉冲上升沿获得临界异常响应；通过临界实时跟踪处理，在每一个追踪监测时间步长Δt后计算当前累积形成的瞬态冲击量Px；根据所述瞬态冲击量Px的预测值，以临界反馈方式设置额定比较信号Xm；当所述状态变量X(t)对应的前端输入信号在某一个追踪监测时间步长Δt内达到所述额定比较信号Xm时，即获得瞬态异常响应。
1)反馈监测：所述电能监测节点在用电负载对象接入或运行过程中，通过临界实时跟踪处理，根据当前对所述瞬态异常特征参数的趋近程度，动态调整所述临界反馈监测的前置触发条件。
2)临界相位：基于临界异常响应，根据所获得的与所述临界值Xr对应的临界相位φr，通过反馈设置追踪监测时间步长Δt与/或额定比较信号Xm，从而对电能耦合信号输入进行所述临界反馈监测，以在符合所述瞬态异常条件时直接获得快速触发响应。
3)瞬态追踪：根据所述瞬态冲击量Px，按照当前给定的追踪监测时间步长Δt内预测允许的瞬态冲击增量Pm–Px，设置调整所述额定比较信号的瞬态额定值Xm：Pm – Px = Q((X(t) + Xm)/2)Δt，其中Q(X)为瞬态冲击模拟计算函数；近似地，Pm – Px = ((X(t) + Xm)/2 – Xr)Δt，其中Xr为所述状态变量X(t)形成瞬态冲击的临界值，Pm为瞬态冲击额定值。
4)瞬态预测：对于当前周期为T的交流电能信号，所述电能监测节点在获得临界异常响应时，通过对临界瞬态函数P(φr)的索引，按Px = T * P(φr)预测计算瞬态冲击量；所述临界瞬态函数P(φr)为反映所述瞬态冲击量与临界相位φr关联的单调（单减）函数。
5)交流脉冲：若所述瞬态脉冲近似为交流正弦脉冲，所述瞬态冲击量Px为超过预设的电流临界值Xr在瞬态冲击时间δt内形成的冲击量；以过零相位φ代替过零时间t，可得到对所述瞬态冲击量Px的预测值：Px = ∫(X(t)-Xr)dt，其中，X(t) = Xpsin(ωt)，因此，Px = 1/ω = 1/ωXr(2cotφr+2φr-π)，其中，φ=ωt，ω=2π/T，ω、T分别为交流信号的角频率与周期；Xr = Xp*Sinφr，Xp为交流电流信号幅值。
基于该项技术开发的一种电能信号瞬态异常的响应装置，所述装置为电能监测节点对电能信号状态变量X(t)进行跟踪监测，获得瞬态异常响应，所述装置包括以下模块：临界异常响应模块：用于通过对电能信号状态变量X(t)安全跟踪监测，在所述状态变量X(t)的瞬态脉冲上升沿获得临界异常响应；实时跟踪处理模块：用于对所述状态变量X(t)进行临界实时跟踪处理，对瞬态冲击量Px进行实时预判监控；瞬态异常响应模块：用于当所述瞬态冲击量Px的预测值将达到或超过其预设的瞬态冲击额定值Pm时，即获得瞬态异常响应。
基于该项技术开发的另一种电能信号瞬态异常的响应装置，所述装置为电能监测节点对电能信号状态变量X(t)进行跟踪监测，获得瞬态异常响应，所述装置包括以下模块：临界异常响应模块：用于通过对电能信号状态变量X(t)安全跟踪监测，在所述状态变量X(t)的瞬态脉冲上升沿获得临界异常响应；实时跟踪处理模块：用于通过临界实时跟踪处理，在每一个追踪监测时间步长Δt后计算当前累积形成的瞬态冲击量Px；临界反馈监测模块：用于根据所述瞬态冲击量Px的预测值，以临界反馈方式设置额定比较信号Xm；瞬态异常响应模块：用于当所述状态变量X(t)对应的前端输入信号在某一个追踪监测时间步长Δt内达到所述额定比较信号Xm时，即获得瞬态异常响应。
6)瞬态保护：当所述电能监测节点获得瞬态异常响应时，立即触发自身与/或关联节点的瞬态保护控制模块，对处于瞬态异常状态的所述负载对象进行瞬态异常保护；所述瞬态保护控制模块包括临界异常响应单元、冲击量反馈单元、闪断保护控制单元。

4.技术效果
4.1解决的技术问题
电能监测节点对用电负载对象的用电异常状态进行监控，当负载对象处于潜在异常状态时，立即启动安全监测模式，当异常状态变量符合临界异常条件时，立即启动临界监测模式；以此避免在负载对象处于正常状态时，电能监测对于敏感性资源的过多占用，从而解决监测模式对于节能性与安全监控能力的平衡问题。
根据该项技术，电能监测节点对用电负载对象的用电异常状态进行监控，当负载对象处于临界异常状态时，通过临界实时跟踪处理获得瞬态异常特征参数和临界反馈监测，调整与瞬态异常条件对应的前置触发条件，使得当被跟踪监测的前端输入信号符合前置触发条件时，快速获得瞬态异常响应，从而解决实时性与稳定性之间的平衡问题。
因此，相对于现有技术，该项技术对于电能信号瞬态异常响应，通过对所述电能信号状态变量进行临界实时跟踪处理对瞬态冲击量进行实时预判监控，当所述瞬态冲击量的预测值将达到或超过其预设的瞬态冲击额定值时，即获得瞬态异常响应，以此解决基于瞬态冲击量的瞬态异常响应的实时性及稳定性问题。
通过临界实时跟踪处理，计算当前累积瞬态冲击量及其预测值，并以临界反馈方式设置额定比较信号，从而能够在前端输入信号出现瞬态异常时，直接（不必瞬态计算判断）获得前置触发响应，以此解决对瞬态异常响应的延时问题；从而解决对电能信号瞬态异常的响应速度与准确性之间的平衡问题。

4.2技术效果
该项技术对于电能信号瞬态异常进行追踪监测，具有响应快、稳定性好、准确度高的有益效果，并解决电能监测解决了的节能性与安全性等之间平衡问题；具体表现在以下几个方面：
1)电能监测节点在负载对象接人接出环节，通过对用电负载接入进行识别感知；对接收到的对象识别信号进行对象匹配核验，以配置调整与当前负载对象相匹配的监测模式参数，以此解决针对当前负载对象的匹配安全性及监测模式的灵活性问题。
2)电能监测节点对于用电负载在常态下采取低功耗的节能监测模式。当负载对象未接(空载）或正常运行时，电能监测节点处于节能监测模式，有利于节约电能监测功耗，减少数据冗余；尤其为了减少安装成本在无线窄带无线通信时，通过弹性数据上传，减少无线干扰及数据资源竞争。
3）通过目标场景状态感知及目标监测信息处理，通过状态模式评估对于处于异常状态的负载对象，通过提升监测模式等级而提升监测数据的实时性和安全性；在负载对象处于潜在异常状态时，启动潜在异常监测模式；有利于快速异常响应及异常响应处理，包括记录异常过程、保护数据、异常告警等处理。
4）电能监测节点在负载对象处于临界异常状态时，启动临界异常监测模式，以临界实时跟踪处理获得瞬态异常特征参数，有利于提升对异常响应的实时性与一致性；通过发送具有有更高活跃度的异常触发状态信标，具有触发响应快、优先级高，使得协同感知节点可以在短时间快速、可靠地获得前置触发响应。
5)电能监测节点在临界异常监测模式下，通过对状态变量Xi以临界实时跟踪处理获得瞬态异常特征参数，并通过瞬态冲击量预测及临界反馈监测，解决瞬态异常响应的稳定性与一致性问题；当电能信号出现瞬态畸变时可以快速响应，解决了实时性与稳定性之间的平衡问题。
6)电能监测节点（如电能表、电能计量传感器、电能计量插座等）可支持电能监测数据采集；基于对负载对象的感知识别，进行电能信号监测及异常响应处理，以对负载对象接入接出（插拔）的瞬态过程，进行更有针对性的有效保护。
7）电能监测节点基于边缘协同感知网络面向用电场景对象，其中全部或部分电能监测节既可作为目标监测节点又可作为协同感知节点，使得电能监测节点设备具有较好的硬件复用性和无线互操作协同性。
8)基于该项技术所开发的系统具有面向应用的边缘协同计算的协同服务能力：协同感知节点不仅提供无线网络通信服务、还具有针对感知监测应用（如定位追踪、能源监测、灯光控制）提供作为边缘协同计算的协同数据处理的服务能力、协同并发服务能力强、网络配置便利性好、自愈能力、稳定性高。