CN108256132A - 一种基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，所述方法包括计算生物体触电总阻抗估计值；根据所述生物体触电总阻抗估计值，计算生物体触电内电阻估计值；根据所述生物体触电内电阻估计值，搭建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型；计算所述基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数；构建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式。本发明提供技术方案可根据体重进行生物体触电阻抗建模，模型可应用于剩余电流保护装置中进行生物体触电信号识别，为提高新一代剩余电流保护装置的可靠性和准确性提供技术支撑。

Description

一种基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法
技术领域
本发明属于配电网安全保护领域，具体涉及一种基于生物体触电多端口阻抗建模的方法。
背景技术
电击事故是较为常见的恶性事故，其特征是突发性大，人生伤亡率大。鉴于目前运行的剩余电流保护装置，就动作特性而言，大多都无法真正辨识人体触电支路的汲出电流信号，常常出现大负荷时合不上闸、无法正确投运(此时的工频泄漏电流值已接近或超过整定值)；或在潮湿天气条件下，因电气回路绝缘水平显著降低，导致对地泄漏电流增大，造成因正常运行或扰动时的泄漏电流水平接近或超过动作边界而误动作；另外，某些情况下，人体触电或设备故障漏电剩余电流不一定会增加，余电流反而会减少，此时可能造成剩余电流保护装置失效拒动。
为了解决剩余电流保护装置动作的灵敏性及误动作问题，国内外专家对剩余电流保护装置的硬件材料及控制电路进行了不断的改进，如改进检测装置的结构、改进传感元件的材料、提高零序电流互感器性能等，这些措施均是建立在以检测剩余电流的大小为判据的，未触及动物触电信息的提取，因此，从这一意义上讲现有的这些措施没有从根本上解决触电电流与剩余电流保护装置间的问题。所以需要提供一种能够建立动物触电阻抗模型的方法。
发明内容
本发明提供一种基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：确定生物体触电总阻抗估计值；
步骤2：根据所述生物体触电总阻抗估计值，计算生物体触电内电阻估计值；
步骤3：根据所述生物体触电内电阻估计值，搭建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型；
步骤4：计算基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数；
步骤5：构建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式。
所述步骤1包括：
步骤1-1、从搭建的生物体触电物理实验平台进行的生物体触电实验中获取低压电网中该生物体的触电原始电压电流数据；
步骤1-2、将获取的生物体触电原始电压电流数据生成触电电压电流波形，对触电电压电流波形滤波，用快速傅里叶变换提取滤波后的触电电压电流信号中的工频分量，得到触电信息；
步骤1-3、将所述触电信息用最小二乘法拟合，得到生物体触电总阻抗及其相角参数；
步骤1-4、用最小二乘法对计算获得的多组生物体触电总阻抗进行数值拟合，获得触电总阻抗估计值。
所述步骤1-2中所述工频分量包括50Hz电压电流幅值和相位。
所述步骤2包括：
根据多组生物体触电总阻抗及触电总阻抗估计值绘制生物体触电总阻抗的分布图，选取所述分布图中拟合度最好的生物体为最优生物体，以皮肤破损状态下的最优生物体触电信号为样本，根据弗莱贝尔格等值电路按下式(1)求取生物体触电内电阻R0：
式中，Z为生物体触电总阻抗值，RS为生物体的皮肤电阻，CS为生物体的皮肤电容；
用最小二乘法对计算获得的多组触电内电阻进行数据拟合，获得触电内电阻估计值。
步骤3所述基于体重的生物体触电多端口阻抗模型包括：
串联的三个电阻；所述串联的三个电阻中两端的电阻阻值相等且分别与电容值相等的一个电容并联。所述两端的电阻阻值为生物体的皮肤电阻RS，所述电容的电容值为生物体的皮肤电容CS，所述串联的三个电阻中的中间的一个电阻阻值为生物体的触电内阻抗R0。
所述步骤4计算基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数包括：
绘制生物体触电总阻抗与体重的映射关系曲线，按下式(2)计算基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数K：
K＝k·(mi-m) (2)
其中，mi为待测生物体体重，k为生物体触电总阻抗与体重映射关系曲线的斜率，m为生物体触电总阻抗与体重映射关系曲线与待测生物体体重区间的交点。
所述步骤5基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式如下式(3)所示：
其中，I0为生物体触电电流，Ui为生物体触电电压，Zi为增加了增益的生物体触电阻抗，mi为待测生物体体重，k为生物体触电总阻抗与生物体体重映射关系曲线的斜率，m为生物体触电总阻抗与生物体体重映射关系曲线与待测生物体体重区间的交点，R0为生物体触电内电阻；RS为生物体的皮肤电阻，CS为生物体的皮肤电容，1/jωCS为生物体的皮肤电容阻抗。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
(1)本发明提供技术方案可根据体重进行生物体触电阻抗建模，模型可应用于剩余电流保护装置中进行生物体触电信号识别，为提高新一代剩余电流保护装置的可靠性和准确性提供技术支撑；
(2)本发明提供的技术方案可进行生物体阻抗建模，模型可直接应用于配电数字仿真软件中进行暂态生物触电短路故障计算。
(3)本发明提供的技术方案克服了现有的剩余电流保护技术中，建立在以检测剩余电流的大小为判据存在的未触及动物触电信息的提取的不足，从根本上解决了触电电流与剩余电流保护两者间的问题。
附图说明
图1为本发明所构建的基于体重的生物体触电多端口阻抗模型电路图；
图2为以兔为样本得到的基于体重的生物体触电端口阻抗模型参数图；
图3为三类生物体的触电路径总阻抗分布图，
其中，图a为兔的触电路径总阻抗分布图，图b为猪的触电路径总阻抗分布图，图c为羊的触电路径总阻抗分布图；
图4为兔的生物体触电多端口阻抗模型的等值电路图；
图5为生物体触电总阻抗与体重的映射关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实例方式进行具体说明。
本发明提供一种基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：计算生物体触电总阻抗估计值和总阻抗相角参数估计值；
步骤2：根据所述生物体触电总阻抗估计值，计算生物体触电内电阻估计值；
步骤3：根据所述生物体触电内电阻估计值，搭建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型；
步骤4：计算所述基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数；
步骤5：构建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式。
所述步骤1包括：
①兔触电实验样本参数计算
以完整皮肤状态下的兔触电信号为样本，计算获得兔的触电路径总阻抗。表1中列出30组典型触电数据计算获得的兔触电路径总阻抗的幅值和相角参数。
表1兔的触电路径总阻抗及内电阻参数
利用最小二乘法对计算获得的多组兔的触电路径总阻抗幅值和相角进行数值拟合，获得一组较为可信的估计值。拟合获得兔的触电路径总阻抗参数的估计值如表2所示。
表2生物体(兔)路径总阻抗拟合值
②猪触电实验样本参数计算
以完整皮肤状态下的猪触电信号为样本，计算获得猪的触电路径总阻抗。表3中列出30组典型触电数据计算获得的猪触电路径总阻抗的幅值和相角参数。
表3猪的触电路径总阻抗及内电阻参数
利用最小二乘法对计算获得的多组猪的触电路径总阻抗幅值和相角进行数值拟合，获得一组较为可信的估计值。拟合获得猪的触电路径总阻抗参数的估计值如表4所示。
表4生物体(猪)路径总阻抗拟合值
③羊触电实验样本参数计算
以完整皮肤状态下的羊触电信号为样本，计算获得羊的触电路径总阻抗。表5中列出30组典型触电数据计算获得的羊触电路径总阻抗的幅值和相角参数。
利用最小二乘法对计算获得的多组羊的触电路径总阻抗幅值和相角进行数值拟合，获得一组较为可信的估计值。拟合获得羊的触电路径总阻抗参数的估计值如表6所示。
表5羊的触电路径总阻抗及内电阻参数
表6生物体(羊)路径总阻抗拟合值
所述步骤2包括：通过计算和分析三类典型的四肢哺乳动物(兔、猪、羊)的直接触电实验样本，分别获得了各类生物体的触电路径总阻抗的分布图及其估计值，各取30组典型阻抗计算结果如图3所示，图中虚线为触电总阻抗幅值的拟合值。
如图3中所示数据，兔的触电实验样本拟合度较好，阻抗数据及体重波动较为稳定，以皮肤破损状态下的兔触电信号为样本，根据弗莱贝尔格等值电路按下式求取生物体触电内电阻R0：
结果如表7所示：
表7兔的触电路径内电阻参数
利用最小二乘法对计算获得的多组兔的触电内电阻参数进行数据拟合，获得一组较为可信的估计值为Ro＝629.5Ω。该触电实验样本中，兔的体重波动范围为2.30～2.70kg。
所述步骤3搭建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型，如图1所示，所述模型包括：
串联的电阻R1、R0、R2和增益环节；所述电阻R1与电容C1并联；所述电阻R2与电容C2并联；所述电阻R1与R2相等，所述电容C1与C2相等。
所述步骤4，以搭建的基于体重的生物体触电多端口阻抗模型为电路拓扑结构，对各个阻抗元件赋值，所述电阻R1和R2赋值为生物体的皮肤电阻RS，电容C1和C2赋值为生物体的皮肤电容CS，电阻R0的值为生物体的触电内阻抗，对兔等值电路赋值如图4所示，
参数列表如表8所示：
表8生物体(兔)的触电皮肤阻抗与内阻抗参数拟合值
所述步骤4，计算基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数，
根据图3所示的生物体触电路径总阻抗的估计值，表9列出了三类生物体的体重及其触电路径总阻抗幅值(生物体受饲喂条件和实验环境的影响，表中列出的是在一定范围的波动的体重)。生物体触电过程中，等效电路的电容成分值较小，在增益环节的计算中近似忽略不计。
表9三类生物体的触电路径总阻抗
根据费利斯动物触电实验，认为在相同接触电压下，流过生物体的触电电流与其体重或心脏重量成反比。则同样条件下，生物体的触电路径总阻抗与其体重成正比例关系。以表9中生物体触电实验样本计算所得阻抗参数为数据基础，验证了生物体等值总阻抗与触电生物体体重间的函数映射关系，如图5所示。
根据弗莱贝尔格触电实验，在接触电压为36V时，人体电阻的平均值约为2.5～3kΩ，图5中“×”符号标注所示。取生物体体重波动范围内的平均值，利用最小二乘曲线拟合获得映射关系曲线如图5中斜线所示。
由生物体触电原理及其生理学关系，利用外推法推导生物体接触触电阻抗与触电生物体体重的函数映射关系。费利斯动物触电实验发现生物体接触触电电阻与其体重或心脏重量近似成线性相关关系。当生物体触电电压一定时，则有Z＝km+b，串联增益环节K∝k，k即为图5中斜线的斜率，曲线拟合得到k≈26.5。可得映射关系曲线与兔体重区间的交点约为2.75，即m＝2.75kg，则增益环节K＝26.5·(mi-2.75)，其中mi为待测生物体体重。
所述步骤5，由此构建的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式如下式所示：
式中，触电皮肤电阻RS＝200.1Ω，触电皮肤电容CS＝5.71uF，触电内电阻R0＝629.5Ω。触电增益环节K＝k·(mi-m)，其中k＝26.5，m＝2.75kg。对构建的生物体多端口阻抗模型赋值，如图2所示。模型的输入量为生物体触电电压Ui、生物体体重mi，输出量为生物体触电电流Io。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：确定生物体触电总阻抗估计值；
步骤2：根据所述生物体触电总阻抗估计值，计算生物体触电内电阻估计值；
步骤3：根据所述生物体触电内电阻估计值，搭建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型；
步骤4：计算所述基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数；
步骤5：构建基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式。
2.如权利要求1所述的基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1-1、从搭建的生物体触电物理实验平台进行的生物体触电实验中，获取低压电网中该生物体的触电原始电压电流数据；
步骤1-2、将获取的生物体触电原始电压电流数据生成触电电压电流波形，对触电电压电流波形滤波，用快速傅里叶变换提取滤波后的触电电压电流信号中的工频分量，得到触电信息；
步骤1-3、将所述触电信息用最小二乘法拟合，得到生物体触电总阻抗及其相角参数；
步骤1-4、用最小二乘法对计算获得的多组生物体触电总阻抗进行数值拟合，获得触电总阻抗估计值。
3.如权利要求2所述的基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤1-2中所述工频分量包括50Hz电压电流幅值和相位。
4.如权利要求1所述的基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤2包括：
根据多组生物体触电总阻抗及触电总阻抗估计值绘制生物体触电总阻抗的分布图，选取所述分布图中拟合度最好的生物体为最优生物体，以皮肤破损状态下的最优生物体触电信号为样本，根据弗莱贝尔格等值电路按下式(1)求取生物体触电内电阻R0：
式中，Z为生物体触电总阻抗值，RS为生物体的皮肤电阻，CS为生物体的皮肤电容；
用最小二乘法对计算获得的多组触电内电阻进行数据拟合，获得触电内电阻估计值。
5.如权利要求1所述的基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，步骤3所述基于体重的生物体触电多端口阻抗模型包括：
串联的三个电阻；所述串联的三个电阻中两端的电阻阻值相等且分别与电容值相等的一个电容并联，所述两端的电阻阻值为生物体的皮肤电阻RS所述电容的电容值为生物体的皮肤电容CS，所述串联的三个电阻中的中间的一个电阻的电阻值为生物体的触电内阻抗R0。
6.如权利要求5所述的基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤4计算基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数包括：
绘制生物体触电总阻抗与体重的映射关系曲线，按下式(2)计算基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的增益系数K：
K＝k·(mi-m) (2)
其中，mi为待测生物体体重，k为生物体触电总阻抗与体重映射关系曲线的斜率，m为生物体触电总阻抗与体重映射关系曲线与待测生物体体重区间的交点。
7.如权利要求1所述的基于体重的生物体触电多端口阻抗建模方法，其特征在于，所述步骤5基于体重的生物体触电多端口阻抗模型的数学表达式如下式(3)所示：
其中，I0为生物体触电电流，Ui为生物体触电电压，Zi为增加了增益的生物体触电阻抗，mi为待测生物体体重，k为生物体触电总阻抗与体重映射关系曲线的斜率，m为生物体触电总阻抗与体重映射关系曲线与待测生物体体重区间的交点，R0为生物体触电内电阻；RS为生物体的皮肤电阻，CS为生物体的皮肤电容，1/jωCS为生物体的皮肤电容阻抗。
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