一种单相费控电能表的无功功率测量方法与流程

本发明涉及无功功率测量，具体涉及一种单相费控电能表的无功功率测量方法。

背景技术：

1、在新型电力系统建设背景下，企业能碳管理平台对底层的电力计量装置提出了较高的感知要求，新一代绿色单相费控智能电能表普遍采用底层采集与交互控制分离的双芯硬件架构，为了响应节能低碳的号召，该类智能电能表往往被设置了严格的约束，其电压线路的自身有功功耗需要控制在极低的极限阈值，如0.8w以下；然而，在工业生产现场，电网中大规模接入了中频逆变焊机、大型伺服电机等非线性负载用电单元，这些用电单元在频繁启停过程中，会导致电网电压和电流信号中混入大量的高频毛刺与换相缺口，在此环境中，为了准确测量无功功率，需要首先精准过滤噪声，定位真实的电压过零点，以此作为动态积分的时间基准。

2、现有的无功功率测量与抗干扰技术通常依赖于数字滤波或相位补偿机制，例如，公告号为cn102890173b的中国专利文件公开了一种改善无功误差的无功功率计量方法及装置，其指出无功计量功能需要准确实时的电网频率，并通过移相补偿来进行无功测量；然而，在面对工业级高频畸变时，若不进行深度的前置滤波，极易受到高频震荡产生的伪过零点的欺骗，导致移相积分时间窗发生严重漂移。

3、为了避免严重的波形畸变，传统的改进思路是引入数字滤波器，如公开号为cn102128976a的中国专利申请文件公开了电能表的能量脉冲输出方法、装置及电能表，其通过引入低通滤波器对信号中的噪声部分进行衰减，在过零检测逻辑之前，引入全局频域的高阶数字滤波，如高阶有限脉冲响应滤波器；然而，这种基于全局频域的滤波方法，在执行层面要求微控制器对连续的高频离散采样数据进行密集的浮点卷积与乘加运算，而这种庞大的运算流会瞬间击穿低功耗计量芯片的算力极限，导致微控制器始终处于满负荷运转状态，从而使得智能电能表的整体有功功耗大幅度超标，无法满足极低功耗硬件红线；但如果为了降低功耗而削减数字滤波器的阶数或降低采样频率，则无法有效滤除电网中的高能量干扰信号，导致最终生成的无功功率测量值严重失真。

技术实现思路

1、为了解决现有技术在处理工业现场复杂电网信号时，无法平衡高精度滤波算力需求与极低功耗红线的问题，本发明提出一种单相费控电能表的无功功率测量方法，该方法包括：

2、s1，获取电网的数字信号序列并存入预设的缓冲区内，所述数字信号序列包括离散电压时间序列与离散电流时间序列；s2，在预设的时间索引范围内设定有限数据滑动窗，计算所述有限数据滑动窗对应的局部电压变化率与残差均方根，结合预设的归一化阈值，利用非线性分类函数对所述局部电压变化率与所述残差均方根进行映射，计算过零概率判定系数，提取所述过零概率判定系数最高的时间索引作为真实过零点；s3，基于相邻周期的所述真实过零点计算动态周期采样点数，基于所述动态周期采样点数执行移相积分，生成无功功率测量值；s4，基于所述无功功率测量值与预设的下限阈值的比对结果，生成控制指令并输出至外部无功补偿装置。

3、本发明有效滤除了电网中的高频干扰信号，解决了传统全局滤波运算开销过大的技术问题，提升了复杂工况下无功功率计量的精度与响应速度。

4、进一步地，所述获取电网的离散电压时间序列与离散电流时间序列，并将其存入预设的缓冲区内，具体包括：通过预置的采集单元获取模拟电压信号与模拟电流信号，以预设的采样率将所述模拟电压信号与所述模拟电流信号离散化为数字信号序列，在处理模块处于休眠状态时，通过直接内存访问机制将所述数字信号序列存入所述缓冲区内。

5、本发明通过将模拟电压信号与模拟电流信号离散化为数字信号序列，并在处理模块处于休眠状态时通过直接内存访问机制将数字信号序列存入缓冲区内，避免了处理模块在数据搬运过程中的算力消耗，降低了电能表的自身有功功耗，保障了低功耗硬件限制下的稳定连续运行。

6、进一步地，计算所述有限数据滑动窗对应的局部电压变化率包括：获取所述有限数据滑动窗内离散采样点的时间戳与离散电压采集值，计算所述时间戳的算术平均值与所述离散电压采集值的算术平均值，基于所述时间戳、所述时间戳的算术平均值、所述离散电压采集值与所述离散电压采集值的算术平均值，计算总协方差；基于所述时间戳与所述时间戳的算术平均值计算时间方差累加总和，将所述总协方差与所述时间方差累加总和的比值作为所述局部电压变化率。

7、进一步地，计算所述残差均方根包括：基于所述局部电压变化率、所述时间戳、所述时间戳的算术平均值与所述离散电压采集值的算术平均值，计算所述离散采样点的理论预测电压值；计算所述离散电压采集值与所述理论预测电压值之间的差值的平方和，基于所述平方和与所述有限数据滑动窗包含的离散采样点的数量，计算均值后进行开平方处理，得到所述残差均方根。

8、进一步地，所述归一化阈值包括归一化梯度阈值与归一化能量阈值，所述归一化阈值是通过一个样本寻优实验得到的。

9、进一步地，所述生成无功功率测量值包括：获取当前时间点对应的所述离散电压时间序列中的离散电压采集值，并根据所述动态周期采样点数确定偏移时间点；获取所述偏移时间点对应的所述离散电流时间序列中的离散电流采集值，将所述离散电压采集值与所述离散电流采集值相乘，得到单点无功乘积；在所述动态周期采样点数对应的时间周期内，对所有所述单点无功乘积进行累加求和并计算算术平均值，得到所述无功功率测量值。

10、进一步地，所述一种单相费控电能表的无功功率测量方法还包括：将所述无功功率测量值附加时间戳标识，通过硬件隔离的总线将附加所述时间戳标识的所述无功功率测量值发送至交互控制模块，利用加密引擎对接收到的所述无功功率测量值进行加密封装，生成密文数据流并上传。

11、本发明将无功功率测量值附加时间戳标识，通过硬件隔离的总线发送至交互控制模块，并利用加密引擎对接收到的无功功率测量值进行加密封装以生成密文数据流进行上传，确保了底层计量数据在传输过程中的防篡改特性，提升了信息交互的安全级别。

12、进一步地，所述生成控制指令并输出至外部无功补偿装置包括：判断所述无功功率测量值是否低于所述下限阈值，若所述无功功率测量值低于所述下限阈值，根据无功缺额计算占空比参数，基于所述占空比参数生成脉宽调制高低电平信号，作为所述控制指令，将所述控制指令输出至所述外部无功补偿装置以驱动补偿电容器阵列。

13、本发明在无功功率测量值低于下限阈值时，根据无功缺额计算占空比参数，并基于该占空比参数生成脉宽调制高低电平信号，以此作为控制指令驱动外部无功补偿装置的补偿电容器阵列，实现了对无功功率缺口的及时就地补偿，改善了工厂车间电网的整体用电质量。

14、进一步地，所述计算过零概率判定系数包括：计算所述局部电压变化率与所述归一化梯度阈值的比值，得到归一化梯度比值；计算所述残差均方根与所述归一化能量阈值的比值，得到归一化能量比值；获取预设的分类过渡带调节因子，基于所述归一化梯度比值、所述归一化能量比值、所述分类过渡带调节因子构建指数自变量，利用包含所述指数自变量的自然指数幂函数，计算得到所述过零概率判定系数。

15、进一步地，所述有限数据滑动窗包含长度参数，所述长度参数的获取方式包括：构建包含真实低频过零点片段的正样本集与包含高频震荡片段的负样本集，在预设的长度参数遍历区间内，分别执行局部特征提取操作，并统计不同参数下的查准率与查全率；计算不同长度参数对应的评价分数，选取所述评价分数最高时对应的数值作为所述有限数据滑动窗的长度参数。

16、本发明通过构建包含真实低频过零点片段的正样本集，与包含高频震荡片段的负样本集，在预设的长度参数遍历区间内统计查准率与查全率，并选取评价分数最高时对应的数值作为有限数据滑动窗的长度参数，增强了特征提取环节在不同电网噪声环境下的适用性。

17、本发明具有以下技术效果：

18、本发明利用硬件的直接内存访问机制与休眠调度策略，在较低算力开销的前提下完成了大量高频离散数据的静默采集，保证了智能电能表的低功耗红线；同时，采用局部线性特征提取手段，计算有限数据滑动窗内的电压变化率与残差均方根，配合非线性分类函数的概率映射，能够有效分离电网中由重型工业负载频繁启停带来的高频毛刺与换相缺口干扰，锁定真实的电网过零点。

19、本发明降低了离散截断误差，在积分计算环节生成了高精度的无功功率测量数据，在执行控制环节将无功功率测量结果与控制逻辑相结合，实时生成脉宽调制控制指令以驱动电容器阵列，完成了从微弱信号感知到高精度计量的数据处理，实现了就地无功功率补偿，减轻了配电网络的无功输送负担，提高了企业重点用能单元的电能质量。