CN105956242A - 基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，包括：采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号；根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数；根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，对生物体触电的暂态过渡过程进行描述；根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型。该方法能计算生物体触电阻抗参数并建立响应精度较高的生物体触电多端口阻抗模型，实现在低压配电网工频状况下对生物体触电暂态过渡过程的精确描述。

Description

基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法。

背景技术

触电事故是较为常见的恶性事故。目前，触电现象的仿真缺少对生物体触电阻抗模型的研究和描述。在低压配电网中，触电事故中考虑的直接物理因素为流过生物体的工频触电电流，而触电电流幅值直接受到生物体触电阻抗的影响。发生触电事故时，生物体可以等效为电路组合，通常利用两种阻抗来描述触电路径阻抗：内部阻抗和接触皮肤阻抗，两种阻抗的矢量和为触电路径总阻抗。当前的生物体触电电路模型通常由定阻抗元件进行构建，其适用范围具有一定的局限性，同时也无法满足生物体触电暂态过渡过程描述的精度要求。

鉴于此，需提供一种生物体触电阻抗参数计算方法，并建立响应精度较高的生物体触电多端口阻抗模型，以实现在低压配电网工频状况下，对生物体触电暂态过渡过程的精确描述。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提供一种基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，能够计算生物体触电阻抗参数并建立响应精度较高的生物体触电多端口阻抗模型，实现在低压配电网工频状况下，对生物体触电暂态过渡过程的精确描述。

第一方面，本发明提供一种基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，包括：

采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号；

根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数；

根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，对生物体触电的暂态过渡过程进行描述；

根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型。

可选地，所述采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号，包括：

通过低压配电网，利用电压激励、测量电流的方式，采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组生物体触电信号；

其中，所述生物体触电信号，包括：触电电压信号序列U(m)和触电电流信号序列I(m)，其中，m＝0,1,…,M-1；采样参数包括：采样频率f_S，采样周期T_S，采样点数M，总采样时间T_P。

可选地，所述根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数，包括：

采用短时傅里叶变换STFT对所述生物体触电信号进行分析，得到所述生物体触电信号的时频特性；

从所述时频特性中提取频率为50Hz的生物体触电工频信号的幅值和相角，所述生物体触电工频信号包括：工频电压信号分量U₁(m)和工频电流信号分量I₁(m)；

将提取的生物体触电工频信号进行分段线性化，分段区间为[m，m+1]，在分段区间内利用欧姆定律进行计算，获得工频状况下生物体的触电总阻抗序列Z(m)＝R(m)+j X(m)，m＝0,1,…,M-2，R(m)是电阻分量，X(m)是电抗分量；

根据所述触电总阻抗序列，获取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)；

令t＝0为触电起始时刻，t＝t_S为触电信号的采样结束时刻，通过曲线拟合方法获取对离散数学序列R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式。

可选地，所述根据所述触电总阻抗序列，获取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)，包括：

根据所述触电总阻抗序列Z(m)，获取皮肤阻抗Z_S(m)与内阻抗Z₀(m)，m＝0,1,…,M-2；

以弗莱贝尔格电路作为参数计算的拓扑电路，将内阻抗视为恒定电阻，取内阻抗Z₀(m)的模的期望值作为内电阻，通过第一公式，求取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)；

其中，所述第一公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(R_S\right(m\left)\right|\left|X_C\right(m\left)\right)/2=Z_S\left(m\right)\\ R_0\left(m\right)=\frac{1}{M-2}\underset{m=0}{\overset{M-2}{\Σ}}\left|Z_0\right(m\left)\right|\end{array}\right.$

其中，m＝0,1,…,M-2，X_C(m)＝1/jωC_s(m)，ω为电流角频率，X_C(m)为皮肤容抗。

可选地，内电阻R₀(m)为常函数，函数表达式为：

R₀(t)＝R₀；

皮肤电阻R_S(m)和皮肤电容C_S(m)的函数表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s\left(t\right)=R_1+R_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\\ C_s\left(t\right)=C_1+C_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_2}}\end{array}\right.$

其中，0≤t≤t_S，R₁、R₂、C₁、C₂为曲线拟合解得的常数，τ₁、τ₂为拟合所得的衰减时间常数。

可选地，所述根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，包括：

根据R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型。

可选地，所述根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型，包括：

根据生物体触电原理，求取生物体触电阻抗幅值与体重的映射关系曲线；

根据所述映射关系曲线，对所述试验生物体触电阻抗电路模型补充增益环节K，外推得到生物体触电多端口阻抗模型。

可选地，在所述采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号之后，在所述根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数之前，还包括：

基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理；

相应地，所述根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数，具体为：

根据预处理后的生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数。

可选地，所述基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理，包括：

采用加窗FIR低通数字滤波器对所述生物体触电信号U(m)和I(m)进行滤波；

采用曲线匹配拟合方法消除滤波后的生物体触电信号产生的相位延迟，得到预处理后的电压信号序列U'(m)和电流信号序列I'(m)。

由上述技术方案可知，本发明的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，能够计算生物体触电阻抗参数并建立响应精度较高的生物体触电多端口阻抗模型，实现在低压配电网工频状况下，对生物体触电暂态过渡过程的精确描述。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的弗莱贝尔格电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的试验生物体触电阻抗电路模型的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的对所述试验生物体触电阻抗电路模型和定值阻抗电路模型进行仿真分析，得到仿真触电电流信号的绝对误差对比图；

图6为本发明实施例提供的生物体触电多端口阻抗模型的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他的实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，包括：

101、采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号。

在具体应用中，所述步骤101，可包括：

通过低压配电网，利用电压激励、测量电流的方式，采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组生物体触电信号；

其中，所述生物体触电信号，包括：触电电压信号序列U(m)和触电电流信号序列I(m)，其中，m＝0,1,…,M-1；采样参数包括：采样频率f_S，采样周期T_S，采样点数M，总采样时间T_P。

102、根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数。

在具体应用中，所述步骤102，可包括图中未示出的步骤P1-P5：

P1、采用短时傅里叶变换STFT对所述生物体触电信号进行分析，得到所述生物体触电信号的时频特性。

P2、从所述时频特性中提取频率为50Hz的生物体触电工频信号的幅值和相角，所述生物体触电工频信号包括：工频电压信号分量U₁(m)和工频电流信号分量I₁(m)。

P3、将提取的生物体触电工频信号进行分段线性化，分段区间为[m，m+1]，在分段区间内利用欧姆定律进行计算，获得工频状况下生物体的触电总阻抗序列Z(m)＝R(m)+j X(m)，m＝0,1,…,M-2，R(m)是电阻分量，X(m)是电抗分量。

可理解的是，当采样频率足够大时，可认为生物体触电工频信号分量序列在[m，m+1]区间内是线性的，此时将提取的生物体触电工频信号进行分段线性化，可获得工频状况下生物体的触电总阻抗序列。

应说明的是，触电路径总阻抗Z(m)由皮肤阻抗Z_S(m)和内阻抗Z₀(m)组成。皮肤完整时，计算得到的触电总阻抗Z₁(m)为皮肤阻抗Z_S(m)与内阻抗Z₀(m)之和，即Z₁(m)＝Z_S(m)+Z₀(m)；皮肤破损时，认为皮肤阻抗为零，即Z_S(m)≈0，此时，总阻抗Z₂(m)≈Z₀(m)，联立求解上述两个方程式Z₁(m)＝Z_S(m)+Z₀(m)＝Z_S(m)+Z₂(m)，可获得数据序列Z_S(m)、Z₀(m)的参数值，其中，m＝0,1,…,M-2。

P4、根据所述触电总阻抗序列，获取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)。

在具体应用中，所述步骤P4，可以包括：

根据所述触电总阻抗序列Z(m)，获取皮肤阻抗Z_S(m)与内阻抗Z₀(m)，m＝0,1,…,M-2；

以弗莱贝尔格电路(如图3所示)作为参数计算的拓扑电路，将内阻抗视为恒定电阻，取内阻抗Z₀(m)的模的期望值作为内电阻，通过第一公式，求取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)；

其中，所述第一公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(R_S\right(m\left)\right|\left|X_C\right(m\left)\right)/2=Z_S\left(m\right)\\ R_0\left(m\right)=\frac{1}{M-2}\underset{m=0}{\overset{M-2}{\Σ}}\left|Z_0\right(m\left)\right|\end{array}\right.$

其中，m＝0,1,…,M-2，X_C(m)＝1/jωC_s(m)，ω为电流角频率，X_C(m)为皮肤容抗。

P5、令t＝0为触电起始时刻，t＝t_S为触电信号的采样结束时刻，通过曲线拟合方法获取对离散数学序列R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式。

其中，内电阻R₀(m)为常函数，函数表达式为：

R₀(t)＝R₀；

皮肤电阻R_S(m)和皮肤电容C_S(m)的函数表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s\left(t\right)=R_1+R_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\\ C_s\left(t\right)=C_1+C_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_2}}\end{array}\right.$

其中，0≤t≤t_S，R₁、R₂、C₁、C₂为曲线拟合解得的常数，τ₁、τ₂为拟合所得的衰减时间常数。

103、根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，对生物体触电的暂态过渡过程进行描述。

在具体应用中，所述步骤103中的“根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型”可具体为：

根据R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型(如图4所示)。

104、根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型。

在具体应用中，所述步骤104，可包括图中未示出的步骤A1和A2：

A1、根据生物体触电原理，求取生物体触电阻抗幅值与体重的映射关系曲线；

A2、根据所述映射关系曲线，对所述试验生物体触电阻抗电路模型补充增益环节K，外推得到生物体触电多端口阻抗模型，如图6所示。

应说明的是，根据生物体触电原理，在生物体触电过程中，生物体的接触触电电流与生物体的体重近似成正比。

本实施例的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，能够计算生物体触电阻抗参数并建立响应精度较高的生物体触电多端口阻抗模型，实现在低压配电网工频状况下，对生物体触电暂态过渡过程的精确描述，为工频条件下生物体触电暂态过程的数学建模和仿真分析提供借鉴，同时，对实际工况中生物体触电短路电流的计算和检测具有一定的参考价值。

在具体应用中，在所述步骤101与102之间，本实施例所述方法还可以包括：

基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理；

相应地，所述步骤102则具体为：

根据预处理后的生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数。

在具体应用中，所述基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理，可包括：

采用加窗FIR低通数字滤波器对所述生物体触电信号U(m)和I(m)进行滤波；

采用曲线匹配拟合方法消除滤波后的生物体触电信号产生的相位延迟(延迟数据点数为N)，得到预处理后的电压信号序列U'(m)和电流信号序列I'(m)。

可理解的是，根据预处理后的生物体触电信号获取的生物体触电阻抗参数更加精确，相应本实施例最后获得的生物体触电多端口阻抗模型也更加精确。

图2示出了本发明另一实施例提供的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法的流程示意图，如图2所示，本实施例的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，包括：

S1、采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号。

所述信号通过生物体触电物理试验平台进行采集。以220V/50Hz低压配电网为电源，采用电压激励，测量电流的方式进行触电物理试验，试验电路中设有限流电阻。设定的采样参数包括：采样频率f_S＝10kHz，采样周期T_S＝1/f_S＝0.1ms，采样点数M＝3000，总采样时间T_P＝300ms。考虑最危险的触电方式，设定触电路径为左前肢-右后肢。

利用高精度录波器采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组触电电压信号序列U(m)和触电电流信号序列I(m)，其中，m＝0,1,…,M-1。

S2、基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理。

在具体应用中，所述步骤S2，可包括：

采用加窗FIR低通数字滤波器对所述生物体触电信号U(m)和I(m)进行滤波；采用曲线匹配拟合方法消除滤波后的生物体触电信号产生的相位延迟(延迟数据点数为N)，得到预处理后的电压信号序列U'(m)和电流信号序列I'(m)。

在步骤S2中，可选取窗口函数为Hamming窗，窗函数长度为65，截止频率为0.04π，其FIR数字滤波器的差分方程为：

$y\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}{b}_{n}x(m-n)---\left(1\right)$

式中，b_n为常系数，N为滤波器阶数，y为输出信号，x为输入信号。通过大量的触电信号验证，这样既能有效地保留触电信号中的低频分量，又能有效地滤除噪声和高频谐波。

考虑到所述FIR数字滤波器滤波后，会使信号产生相位延迟，延迟数据点数N'＝N/2，N为滤波器阶数。基于最小二乘法在信号序列中选取拟合程度最佳、数据长度为N'的子序列，对原序列进行延拓。

$\mathrm{\σ}=\underset{m=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}\sqrt{\frac{{\[y\left(m\right)-y^{\′}\left(m\right)\]}^2}{N^{\′}}}---\left(2\right)$

式中，σ越小，拟合程度越好，y为原序列，y'为子序列。在滤波后通过曲线匹配拟合方法消除相位延迟。经过改进的FIR数字滤波预处理，得到电压信号序列U'(m)和电流信号序列I'(m)。

S3、根据预处理后的生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数。

在具体应用中，所述步骤S3，可包括图中未示出的步骤Q1-Q5：

Q1、采用短时傅里叶变换STFT对预处理后的生物体触电信号进行分析，得到预处理后的生物体触电信号的时频特性:

$STFT(m,n)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Σ}}y\left(k\right)\mathrm{\γ}(k-m)W_M^{nk}$

式中，W_M＝e^-j2π/M，y为信号序列，γ为窗口序列。

Q2、从所述时频特性中提取频率为50Hz的生物体触电工频信号的幅值和相角，所述生物体触电工频信号包括：工频电压信号分量U₁(m)和工频电流信号分量I₁(m)。

在步骤Q2中，可选用窗口长度为200个采样点的矩形窗进行计算，得到各整次频率分量随采样时间变化的幅值和相角参数；然后提取频率为50Hz的生物体触电工频信号的幅值和相角，所述生物体触电工频信号包括：工频电压信号分量U₁(m)和工频电流信号分量I₁(m)。

Q3、将提取的生物体触电工频信号进行分段线性化，分段区间为[m，m+1]，在分段区间内利用欧姆定律进行计算，获得工频状况下生物体的触电总阻抗序列Z(m)＝R(m)+j X(m)，m＝0,1,…,M-2，R(m)是电阻分量，X(m)是电抗分量。

可理解的是，当采样频率足够大时，可认为生物体触电工频信号分量序列在[m，m+1]区间内是线性的，此时将提取的生物体触电工频信号进行分段线性化，可获得工频状况下生物体的触电总阻抗序列。

应说明的是，触电路径总阻抗Z(m)由皮肤阻抗Z_S(m)和内阻抗Z₀(m)组成。皮肤完整时，计算得到的触电总阻抗Z₁(m)为皮肤阻抗Z_S(m)与内阻抗Z₀(m)之和，即Z₁(m)＝Z_S(m)+Z₀(m)；皮肤破损时，认为皮肤阻抗为零，即Z_S(m)≈0，此时，总阻抗Z₂(m)≈Z₀(m)，联立求解上述两个方程式Z₁(m)＝Z_S(m)+Z₀(m)＝Z_S(m)+Z₂(m)，可获得数据序列Z_S(m)、Z₀(m)的参数值，其中，m＝0,1,…,M-2。

Q4、根据所述触电总阻抗序列，获取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)。

在具体应用中，所述步骤P4，可以包括：

根据所述触电总阻抗序列Z(m)，获取皮肤阻抗Z_S(m)与内阻抗Z₀(m)，m＝0,1,…,M-2；

以弗莱贝尔格电路(如图3所示)作为参数计算的拓扑电路，将内阻抗视为恒定电阻，取内阻抗Z₀(m)的模的期望值作为内电阻，通过第一公式，求取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)；

其中，所述第一公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(R_S\right(m\left)\right|\left|X_C\right(m\left)\right)/2=Z_S\left(m\right)\\ R_0\left(m\right)=\frac{1}{M-2}\underset{m=0}{\overset{M-2}{\Σ}}\left|Z_0\right(m\left)\right|\end{array}\right.$

其中，m＝0,1,…,M-2，X_C(m)＝1/jωC_s(m)，ω为电流角频率，X_C(m)为皮肤容抗。

Q5、令t＝0为触电起始时刻，t＝t_S为触电信号的采样结束时刻，通过曲线拟合方法获取对离散数学序列R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式。

其中，内电阻R₀(m)为常函数，函数表达式为：

R₀(t)＝R₀；

皮肤电阻R_S(m)和皮肤电容C_S(m)的函数表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s\left(t\right)=R_1+R_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\\ C_s\left(t\right)=C_1+C_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_2}}\end{array}\right.$

其中，0≤t≤t_S，R₁、R₂、C₁、C₂为曲线拟合解得的常数，τ₁、τ₂为拟合所得的衰减时间常数。

S4、根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，对生物体触电的暂态过渡过程进行描述。

在具体应用中，所述步骤S4中的“根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型”可具体为：

根据R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型(如图4所示)。

可理解的是，通过搭建低压配电网仿真电路对所述试验生物体触电阻抗电路模型进行仿真分析，得到仿真触电电流信号波形，仿真信号的绝对误差如图5中实线所示，与试验动物触电信号相比，触电电流仿真信号的相似系数为0.9969，均方根误差为1.2127。对定值阻抗电路模型进行仿真，其仿真结果的绝对误差如图5中虚线所示。对比发现，在触电发生后(第1000个采样点时刻发生触电)，本实施例的改进的试验生物体触电阻抗电路模型较为显著的提高了仿真结果和触电暂态过渡过程描述的精度。

S5、根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型。

在具体应用中，所述步骤S5，可包括图中未示出的步骤A1和A2：

A1、根据生物体触电原理，求取生物体触电阻抗幅值与体重的映射关系曲线。

应说明的是，根据生物体触电原理，在生物体触电过程中，生物体的接触触电电流与生物体的体重近似成正比，所以根据生物体触电原理，求取的生物体触电阻抗幅值与体重的映射关系曲线为Z_m＝km。

以所述活体试验对象作为参考对象，则映射关系表达式为Z_m/Z_k＝m/m_k，其中Z_m为待测生物体的触电路径总阻抗(单位：Ω)，m为待测生物体的体重(单位：kg)。Z_k为活体试验对象的触电路径总阻抗(单位：Ω)，m_k为活体试验对象的体重(单位：kg)。

A2、根据所述映射关系曲线，对所述试验生物体触电阻抗电路模型补充增益环节K，外推得到生物体触电多端口阻抗模型，如图6所示。

其中，增益系数K＝m/m_k，根据所述生物体触电多端口阻抗模型，可得：

$I\left(t\right)=\frac{1}{K}\·\frac{U\left(t\right)}{2\left(R_s\right(t)\left|\right|C_s\left(t\right))+R_0}$

在所述生物体触电多端口阻抗模型中，在端口1输入激励电压信号U(t)，在端口2输入生物体体重m，可在端口3得到生物体触电电流暂态信号I(t)，实现对其触电暂态过渡过程较为精确地描述。

本实施例的基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，能够计算生物体触电阻抗参数并建立响应精度较高的生物体触电多端口阻抗模型，实现在低压配电网工频状况下，对生物体触电暂态过渡过程的精确描述，为工频条件下生物体触电暂态过程的数学建模和仿真分析提供借鉴，同时，对实际工况中生物体触电短路电流的计算和检测具有一定的参考价值。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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。

Claims (9)

1.一种基于生物体触电阻抗参数计算的多端口阻抗模型构建方法，其特征在于，包括：

采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号；

根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数；

根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，对生物体触电的暂态过渡过程进行描述；

根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号，包括：

通过低压配电网，利用电压激励、测量电流的方式，采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组生物体触电信号；

其中，所述生物体触电信号，包括：触电电压信号序列U(m)和触电电流信号序列I(m)，其中，m＝0,1,…,M-1；采样参数包括：采样频率f_S，采样周期T_S，采样点数M，总采样时间T_P。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数，包括：

采用短时傅里叶变换STFT对所述生物体触电信号进行分析，得到所述生物体触电信号的时频特性；

从所述时频特性中提取频率为50Hz的生物体触电工频信号的幅值和相角，所述生物体触电工频信号包括：工频电压信号分量U₁(m)和工频电流信号分量I₁(m)；

将提取的生物体触电工频信号进行分段线性化，分段区间为[m，m+1]，在分段区间内利用欧姆定律进行计算，获得工频状况下生物体的触电总阻抗序列Z(m)＝R(m)+jX(m)，m＝0,1,…,M-2，R(m)是电阻分量，X(m)是电抗分量；

根据所述触电总阻抗序列，获取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)；

令t＝0为触电起始时刻，t＝t_S为触电信号的采样结束时刻，通过曲线拟合方法获取对离散数学序列R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述触电总阻抗序列，获取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)，包括：

根据所述触电总阻抗序列Z(m)，获取皮肤阻抗Z_S(m)与内阻抗Z₀(m)，m＝0,1,…,M-2；

以弗莱贝尔格电路作为参数计算的拓扑电路，将内阻抗视为恒定电阻，取内阻抗Z₀(m)的模的期望值作为内电阻，通过第一公式，求取生物体触电时的皮肤电阻R_S(m)、皮肤电容C_S(m)和内电阻R₀(m)；

其中，所述第一公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(R_S\left(m\right)\right|\left|X_C\left(m\right)\right)/2=Z_S\left(m\right)\\ R_0\left(m\right)=\frac{1}{M-2}\underset{m=0}{\overset{M-2}{\Σ}}\left|Z_0\right(m\left)\right|\end{array}\right.$

其中，m＝0,1,…,M-2，X_C(m)＝1/jωC_s(m)，ω为电流角频率，X_C(m)为皮肤容抗。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，内电阻R₀(m)为常函数，函数表达式为：

R₀(t)＝R₀；

皮肤电阻R_S(m)和皮肤电容C_S(m)的函数表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s\left(t\right)=R_1+R_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\\ C_s\left(t\right)=C_1+C_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_2}}\end{array}\right.$

其中，0≤t≤t_S，R₁、R₂、C₁、C₂为曲线拟合解得的常数，τ₁、τ₂为拟合所得的衰减时间常数。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述生物体触电阻抗参数，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型，包括：

根据R_S(m)、C_S(m)和R₀(m)的函数表达式，利用非线性时变电阻和电容元件搭建试验生物体触电阻抗电路模型。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述试验生物体触电阻抗电路模型，基于外推法获取生物体触电多端口阻抗模型，包括：

根据生物体触电原理，求取生物体触电阻抗幅值与体重的映射关系曲线；

根据所述映射关系曲线，对所述试验生物体触电阻抗电路模型补充增益环节K，外推得到生物体触电多端口阻抗模型。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述采集活体试验对象在完整皮肤和破损皮肤状况下的多组低压配电网生物体触电信号之后，在所述根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数之前，还包括：

基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理；

相应地，所述根据所述生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数，具体为：

根据预处理后的生物体触电信号，获取生物体触电阻抗参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于改进的FIR数字滤波器对所述生物体触电信号进行预处理，包括：

采用加窗FIR低通数字滤波器对所述生物体触电信号U(m)和I(m)进行滤波；

采用曲线匹配拟合方法消除滤波后的生物体触电信号产生的相位延迟，得到预处理后的电压信号序列U'(m)和电流信号序列I'(m)。