CN117076823A - 基于高斯积分法的纹波分量分析方法、系统、设备及介质 - Google Patents
基于高斯积分法的纹波分量分析方法、系统、设备及介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于高斯积分法的纹波分量分析方法、系统、设备及介质，涉及纹波测量及分析领域，该方法包括：获取设备输出的直流电数据，并对直流电数据进行分解，得到直流电对应的直流分量和纹波分量；根据直流分量和纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到直流分量的直流信息数据和纹波分量的纹波信息数据，纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率；基于直流电数据、直流信息数据和纹波信息数据，分析纹波分量对直流电数据和直流分量的影响；利用高斯积分法达到快速计算的目的，大大地优化计算效率，进一步为定量分析纹波对直流配电的影响提供新的解决思路，并为研究纹波对直流计量准确性的影响程度和影响因素提供了条件。
Description
技术领域
本发明涉及纹波测量及分析领域，更具体地说，它涉及基于高斯积分法的纹波分量分析方法、系统、设备及介质。
背景技术
随着电力电子技术快速发展和分布式电源的开发利用，尤其是电动汽车等清洁能源发展形式在我国快速推广，在电动汽车快速推广与普及的同时，由于电动汽车非车载充电机存在着大量的接入端，任何接入端的非理想情况都可能导致电能质量问题；其中，纹波形成原因多样、影响程度广泛，在电动汽车充电过程中，电动汽车非车载充电机整流输出直流电，滤波过程不能完全将谐波滤除，且蓄电池是动态负载，充电电压、电流一般是变化的，因此电动汽车非车载充电机输出的直流充电信号含有很多纹波，甚至是高频谐波，这是影响汽车直流充电计量主要问题之一，电动汽车直流充电计量精度问题将给用户及供电公司带来不必要的财产损失。
发明内容
本发明的目的在于提供基于高斯积分法的纹波分量分析方法、系统、设备及介质，首先将充电数据进行分解，从而分别计量直流分量和纹波分量，通过测量得到的纹波系数等数据，研究纹波对直流计量准确性的影响程度和影响因素。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，本申请实施例提供了基于高斯积分法的纹波分量分析方法，包括以下步骤：
S1，获取设备输出的直流电数据，并对直流电数据进行分解，得到直流电对应的直流分量和纹波分量；
S2，根据直流分量和纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到直流分量的直流信息数据和纹波分量的纹波信息数据，纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率；
S3，基于直流电数据、直流信息数据和纹波信息数据，分析纹波分量对直流电数据和直流分量的影响。
本发明的有益效果是：利用高斯积分法达到快速从纹波分量以及直流分量中分别计算直流信息数据和纹波信息数据的目的，使纹波、直流的电能以及纹波系数在满足精度的条件下，大大地优化计算效率；进一步为定量分析纹波对直流配电的影响提供新的解决思路，并为研究纹波对直流计量准确性的影响程度和影响因素提供了条件。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，上述直流信息数据包括电流有效值、电压有效值和直流电能，其中：
电流有效值通过第一公式表示，第一公式为：
式中，iRMS为电流有效值，f1表示直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，i表示直流分量中的实际电流值；
电压有效值通过第二公式表示，第二公式为：
式中，uRMS为电压有效值，f1表示直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，u表示直流分量中的实际电压值；
直流电能通过第三公式表示，第三公式为：
W＝P·Δt＝U·I·Δt；
式中，W表示直流电能，U表示直流电压平均值，I表示直流电流平均值，其中，在理想条件下，uRMS＝U，iRMS＝I；Δt表示待测时间段，P表示直流功率，其中，P＝U·I。
进一步，上述纹波有效值包括纹波电流有效值和纹波电压有效值，其中：
纹波电流有效值通过第四公式表示，第四公式为：
式中，IRMS表示纹波电流有效值，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值；
纹波电压有效值通过第五公式表示，第五公式为：
式中，URMS表示纹波电压有效值，T表示待测时间段内的时间数值，u表示纹波分量中的实际电压值。
进一步，上述纹波系数通过第六公式表示，第六公式为：
式中，y表示纹波系数，URMS表示纹波电压有效值，U表示纹波分量的电压平均值。
进一步，上述纹波功率包括纹波有功功率和纹波无功功率，其中：
纹波有功功率通过第七公式表示，第七公式为：
式中，P2表示纹波有功功率，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值，u表示纹波分量中的实际电压值。
进一步，上述纹波无功功率通过第八公式表示，第八公式为：
式中，Q表示纹波无功功率，P2表示纹波有功功率。
进一步，上述纹波分量通过第九公式表示，第九公式为：
式中，AC表示纹波分量，Aa表示直流电数据的幅值，ωa表示直流电数据的角频率，表示直流电数据的相角，ωa表示获取直流电数据的时间长度的数值，a表示分解的次数。
第二方面，本申请实施例提供了基于高斯积分法的纹波分量分析系统，包括：
获取分解模块，用于获取设备输出的直流电数据，并对直流电数据进行分解，得到直流电对应的直流分量和纹波分量；
数据计算模块，用于根据直流分量和纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到直流分量的直流信息数据和纹波分量的纹波信息数据，纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率；
数据分析模块，用于基于直流电数据、直流信息数据和纹波信息数据，分析纹波分量对直流电数据和直流分量的影响。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现第一方面中任一项的方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面中任一项的方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下的有益效果：
本申请通过将直流电数据进行分解得到纹波分量以及直流分量，为后续的纹波分量的相关计算奠定基础，并利用VMD算法达到分解的目的，使纹波分量更加精准的从直流电数据中分离出来。
通过高斯-拉盖尔积分法可快速从纹波分量以及直流分量中分别计算直流信息数据和纹波信息数据，使纹波、直流的电能以及纹波系数在满足精度的条件下，大大地优化计算效率；进一步为定量分析纹波对直流配电的影响提供新的解决思路，并为研究纹波对直流计量准确性的影响程度和影响因素提供了条件。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例中纹波分量分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中纹波分量分析系统的连接示意图；
图3为本发明实施例中电子设备的连接示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
实施例1
本实施例提供基于高斯积分法的纹波分量分析方法，参见图1，包括以下步骤：
S1，获取设备输出的直流电数据，并对直流电数据进行分解，得到直流电对应的直流分量和纹波分量。
可选的，进一步，上述纹波分量通过第九公式表示，第九公式为：
式中，AC表示纹波分量，Aa表示直流电数据的幅值，ωa表示直流电数据的角频率，表示直流电数据的相角，ωa表示获取直流电数据的时间长度的数值，a表示分解的次数。
其中，直流电数据中是包括了直流分量和纹波分量，即直流电数据＝直流分量+纹波分量，在对直流电数据进行分解时，可以使用VMD算法，具体地，纹波分量可以通过第九公式表示，即：在进行转换后可以表示为：
式中，IMF2、IMFk分别表示第二次分解后获得的纹波文量和第k次分解后获得的纹波文量；具体地，在对直流电数据进行分解时，需要将直流电数据不断的进行分解，再将每次分解得到的分量相加，则为直流电数据中纹波分量的总和。
S2，根据直流分量和纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到直流分量的直流信息数据和纹波分量的纹波信息数据，纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率。
可选的，上述直流信息数据包括电流有效值、电压有效值和直流电能，其中：
电流有效值通过第一公式表示，第一公式为：
其中，上述的第一公式由高斯积分法的基础函数：再带入具体的代数精度可以得到/>从而计算出电流有效值，对于iRMS(电流有效值)的计算，带入的代数精度可以为3。
式中，iRMS为电流有效值，f1表示直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，i表示直流分量中的实际电流值。
电压有效值通过第二公式表示，第二公式为：
其中，上述的第二公式由高斯积分法的基础函数：再带入具体的代数精度可以得到/>对于uRMS为电压有效值的计算，带入的代数精度可以为3。
式中，uRMS为电压有效值，f1表示直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，u表示直流分量中的实际电压值。
直流电能通过第三公式表示，第三公式为：
W＝P·Δt＝U·I·Δt；
式中，W表示直流电能，U表示电压平均值，I表示电流平均值，其中，在理想条件下，uRMS＝U，iRMS＝I；Δt表示待测时间段，P表示直流功率，其中，P＝U·I。
其中，传统的功率表采用离散化求和并平均的方法对所采样得到的直流信息数据计算功率，但由于传统方式的精度随着采样频率降低而降低，因此需要保持较高的采样频率才能满足计算精度，这无疑增加了运算负担并降低了运算效率。
具体地，传统的离散化求和并平均的方法表示为：
式中，u(t)、i(t)连续电压/电流信号，u(k)、i(k)离散电压/电流信号；[0,T]表示积分区间；N表示总采样点数。
对于电流或电压的有效值，采用传统的计算方式表示为：
式中，uRMS表示电压有效值，电流有效值与电压有效值的计算方式相同，但都存在着需要牺牲计算效率达成计算精度的目的。
因此，在传统方式的基础上引入高斯积分法计算有效值和平均功率，以达到优化计算效率的目的，具体地，可以采用代数精度为3的高斯-拉盖尔积分法计算直流有效值及其电能；其中，求积节点xj以及求积系数Aj均为未知参数时，适当选取参数可得高斯积分法，如下所示：
其中，xj表示求积节点，Aj表示积分系数，E(f)表示表示连续积分法与高斯积分法的绝对误差。
其中，高斯积分法的求积节点选为拉盖尔多项式的零点，则所构成的求积公式为高斯拉盖尔公式，其中拉盖尔多项式由区间在[-1,1]上，关于权函数为1的正交多项式序列构成，如下公式所示：
而正交多项式之间的递推关系式如下：
综上，对于求解[-1,1]上的求积系数Aj时，可采用待定系数法进行求解；而对于在一般区间[a,b]的积分采用高斯-拉盖尔积分法时可作线性变换使得其积分区间在[-1,1]，如下式所示，进而通过上述方法进行求解：
因此，在结合高斯积分法计算平均功率和有效值时，通过对传统计算方式的公式做线性变换，即令从而可以分别得出第一公式和第二公式。
可选的，上述纹波有效值包括纹波电流有效值和纹波电压有效值，可以采用代数精度为5的高斯-拉盖尔积分法计算纹波的有效值、纹波系数及其功率情况，其中：
纹波电流有效值通过第四公式表示，第四公式为：
式中，IRMS表示纹波电流有效值，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值。
纹波电压有效值通过第五公式表示，第五公式为：
式中，URMS表示纹波电压有效值，T表示待测时间段内的时间数值，u表示纹波分量中的实际电压值。
其中，上述的第四公式和第五公式同样的是由高斯-拉盖尔积分法的基础函数公式再带入具体的代数精度可以得到：
具体地，高斯-拉盖尔积分法采用代数精度可以为3，其中，
可选的，上述纹波系数通过第六公式表示，第六公式为：
式中，y表示纹波系数，URMS表示纹波电压有效值，U表示纹波分量的电压平均值。
可选的，上述纹波功率包括纹波有功功率和纹波无功功率，其中：
纹波有功功率通过第七公式表示，第七公式为：
式中，P2表示纹波有功功率，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值，u表示纹波分量中的实际电压值。
其中，上述的第七公式是利用高斯-拉盖尔积分法构成的，再带入具体的代数精度转化可以得到：其中，/>
可选的，上述纹波无功功率通过第八公式表示，第八公式为：
式中，Q表示纹波无功功率，P2表示纹波有功功率。
S3，基于直流电数据、直流信息数据和纹波信息数据，分析纹波分量对直流电数据和直流分量的影响。
其中，通过将直流电数据进行分解得到纹波分量以及直流分量，为后续的纹波分量的相关计算奠定基础；而通过高斯-拉盖尔积分法可快速从纹波分量以及直流分量中分别计算直流信息数据和纹波信息数据，使纹波、直流的电能以及纹波系数在满足精度的条件下，大大地优化计算效率；进一步为定量分析纹波对直流配电的影响提供新的解决思路，并为研究纹波对直流计量准确性的影响程度和影响因素提供了条件。
具体地，可以通过构建纹波测量装置来实现S1-S3的方法，纹波测量装置可以包括前端调理电路、波形采样模块、MCU数据处理模块和上位机的测量系统；其中，前端调理电路与波形采样模块相连实现波形(直流电数据)的采样；将采样得到的波形(直流电数据)传输给MCU数据处理模块做VMD算法分解处理，对相应的信息数据采用高斯积分法计算得到直流电能、纹波功率、纹波系数等数据，最后将相应的信息数据发送至上位机的测量系统进行显示。
实施例2
本申请实施例提供了基于高斯积分法的纹波分量分析系统，参见图2，包括：
获取分解模块，用于获取设备输出的直流电数据，并对直流电数据进行分解，得到直流电对应的直流分量和纹波分量。
数据计算模块，用于根据直流分量和纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到直流分量的直流信息数据和纹波分量的纹波信息数据，纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率。
可选的，在数据计算模块中，直流信息数据包括电流有效值、电压有效值和直流电能，其中：
电流有效值通过第一公式表示，第一公式为：
式中，iRMS为电流有效值，f1表示直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，i表示直流分量中的实际电流值。
电压有效值通过第二公式表示，第二公式为：
式中，uRMS为电压有效值，f1表示直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，u表示直流分量中的实际电压值。
直流电能通过第三公式表示，第三公式为：
W＝P·Δt＝U·I·Δt；
式中，W表示直流电能，U表示直流电压平均值，I表示直流电流平均值，其中，在理想条件下，uRMS＝U，iRMS＝I；Δt表示待测时间段，P表示直流功率，其中，P＝U·I。
可选的，在数据计算模块中，纹波有效值包括纹波电流有效值和纹波电压有效值，其中：
纹波电流有效值通过第四公式表示，第四公式为：
式中，IRMS表示纹波电流有效值，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值。
纹波电压有效值通过第五公式表示，第五公式为：
式中，URMS表示纹波电压有效值，T表示待测时间段内的时间数值，u表示纹波分量中的实际电压值。
可选的，在数据计算模块中，上述纹波系数通过第六公式表示，第六公式为：
式中，y表示纹波系数，URMS表示纹波电压有效值，U表示纹波分量的电压平均值。
可选的，在数据计算模块中，上述纹波功率包括纹波有功功率和纹波无功功率，其中：
纹波有功功率通过第七公式表示，第七公式为：
式中，P2表示纹波有功功率，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值，u表示纹波分量中的实际电压值。
可选的，在数据计算模块中，上述纹波无功功率通过第八公式表示，第八公式为：
式中，Q表示纹波无功功率，P2表示纹波有功功率。
数据分析模块，用于基于直流电数据、直流信息数据和纹波信息数据，分析纹波分量对直流电数据和直流分量的影响。
实施例3
本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现实施例1中任一项的方法，如图3所示。
实施例4
本申请实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行实施例1中任一项的方法。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取设备输出的直流电数据，并对所述直流电数据进行分解，得到所述直流电对应的直流分量和纹波分量；
S2，根据所述直流分量和所述纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到所述直流分量的直流信息数据和所述纹波分量的纹波信息数据，所述纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率；
S3，基于所述直流电数据、所述直流信息数据和所述纹波信息数据，分析所述纹波分量对所述直流电数据和所述直流分量的影响。
2.根据权利要求1所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，所述直流信息数据包括电流有效值、电压有效值和直流电能，其中：
所述电流有效值通过第一公式表示，所述第一公式为：
式中，iRMS为电流有效值，f1表示所述直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，i表示直流分量中的实际电流值；
所述电压有效值通过第二公式表示，所述第二公式为：
式中，uRMS为电压有效值，f1表示所述直流电数据的采样频率，K表示在待测时间段内直流电数据的个数，u表示直流分量中的实际电压值；
所述直流电能通过第三公式表示，所述第三公式为：
W＝P·Δt＝U·I·Δt；
式中，W表示直流电能，U表示直流电压平均值，I表示直流电流平均值，其中，在理想条件下，uRMS＝U，iRMS＝I；Δt表示待测时间段，P表示直流功率，其中，P＝U·I。
3.根据权利要求1所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，所述纹波有效值包括纹波电流有效值和纹波电压有效值，其中：
所述纹波电流有效值通过第四公式表示，所述第四公式为：
式中，IRMS表示纹波电流有效值，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值；
所述纹波电压有效值通过第五公式表示，所述第五公式为：
式中，URMS表示纹波电压有效值，T表示待测时间段内的时间数值，u表示纹波分量中的实际电压值。
4.根据权利要求1所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，所述纹波系数通过第六公式表示，所述第六公式为：
式中，y表示纹波系数，URMS表示纹波电压有效值，U表示纹波分量的电压平均值。
5.根据权利要求1所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，所述纹波功率包括纹波有功功率和纹波无功功率，其中：
所述纹波有功功率通过第七公式表示，所述第七公式为：
式中，P2表示纹波有功功率，T表示待测时间段内的时间数值，i表示纹波分量中的实际电流值，u表示纹波分量中的实际电压值。
6.根据权利要求5所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，所述纹波无功功率通过第八公式表示，所述第八公式为：
式中，Q表示纹波无功功率，P2表示纹波有功功率，iRMS为电流有效值，uRMS为电压有效值。
7.根据权利要求1所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，所述纹波分量通过第九公式表示，所述第九公式为：
式中，AC表示纹波分量，Aa表示直流电数据的幅值，ωa表示直流电数据的角频率，表示直流电数据的相角，ωa表示获取直流电数据的时间长度的数值，a表示分解的次数。
8.基于高斯积分法的纹波分量分析系统，应用于权利要求1-7中任一项所述的基于高斯积分法的纹波分量分析方法，其特征在于，包括：
获取分解模块，用于获取设备输出的直流电数据，并对所述直流电数据进行分解，得到所述直流电对应的直流分量和纹波分量；
数据计算模块，用于根据所述直流分量和所述纹波分量并通过高斯积分法，分别计算得到所述直流分量的直流信息数据和所述纹波分量的纹波信息数据，所述纹波信息数据包括纹波有效值、纹波系数和纹波功率；
数据分析模块，用于基于所述直流电数据、所述直流信息数据和所述纹波信息数据，分析所述纹波分量对所述直流电数据和所述直流分量的影响。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
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