CN113377041A - 一种复杂电流波形的模拟回放电路及动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复杂电流波形的模拟回放电路及动态控制方法，所述方法首先由DSP控制单元对数字信号进行波形预处理；然后判断出暂态电流特征和稳态电流特征并作出对应标识；并根据判断结果实施动态控制策略确定，如果满足稳态电流特征条件，开启反馈通道；如果满足为暂态电流特征条件，关闭反馈通道；最后功率放大电路根据输出控制模块的交流触发信号进行功率放大，并通过电流模拟量输出接口实现测试信号的准确输出。实现了复杂电流波形的动态控制，满足居民家用电器实际运行工况的电压和电流波形的回放输出，用于考核具备负荷辨识能力设备的辨识性能。

Description

一种复杂电流波形的模拟回放电路及动态控制方法

技术领域

本发明属于智能用电检测技术领域，具体涉及一种复杂电流波形的模拟回放电路及动态控制方法。

背景技术

非介入式负荷辨识技术属于客户侧电力物联网重要技术之一，该技术实质就是负荷分解，即将用户总负荷信息分解为各用电设备的信息，进而得到用电设备能耗情况与用户用电规律。当前各厂家具备负荷辨识功能的设备性能差异很大，亟需明确性能的评价方法与标准，实现批量的准确化检测。检测时需复现多样化用电场景下家用电器的电流波形，因幅频特性限制，传统的数字信号控制功率回放仪的方式，所输出的各类电流波形的功率、电流谐波、稳态阶跃特征、暂态电流值等难以满足各类辨识模型对辨识特征的要求，与实际运行工况并不完全相符。

发明内容

本发明的目的是为了克服了现有技术的不足，提供了一种复杂电流波形的模拟回放电路及动态控制方法，可实现对复杂电流波形的动态控制，输出满足居民家用电器实际运行工况的电压和电流波形，用于考核具备负荷辨识能力的设备性能。

为实现上述目的，本发明实施方式的一方面提供一种复杂电流波形的模拟回放电路，包括主功率变换模块、反馈采样模块和输出控制模块；所述主功率变换模块包括整流变换电路、功率放大电路和电流模拟量输出接口；所述反馈采样模块包括反馈量采集单元和模数变换单元；所述输出控制模块包括电流波形数字信号源、DSP控制单元和数模转换单元；

所述整流变换电路的输入端与外部交流电源连接，输出端与功率放大电路的输入端连接；所述功率放大电路的输出端与电流模拟量输出接口的输入端连接；所述电流模拟量输出接口的输出端与反馈量采集单元的输入端连接，所述反馈量采集单元的输出端与模数变换单元的输入端连接，所述模数变换单元的输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述电流波形数字信号源的输出端与DSP控制单元另一输入端连接，所述DSP控制单元的输出端与数模转换单元的输入端连接，所述数模转换单元的输出端与功率放大电路的另一输入端连接；

所述电流模拟量输出接口输出的模拟测试信号经反馈量采集单元调幅，输出模数变换所需的模拟小信号；所述模数变换单元将采集到的模拟小信号转换成数字信号，输出反馈信号至输出控制模块；

所述电流波形数字信号源根据非介入式负荷辨识检测标准库中的文件信息，输出数字信号至DSP控制单元；所述DSP控制单元对数字信号进行波形预处理，根据暂稳态特征判断及动态控制策略确定的结果，判断是否开启反馈通道；如果开启反馈通道，则DSP控制单元结合反馈采样模块输出的反馈信号进行参数修正，由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块；如果关闭反馈通道，则直接由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块；所述功率放大电路将输出控制模块输出的交流触发信号进行功率放大，再通过电流模拟量输出接口实现测试信号的输出，以满足负荷辨识性能检测的要求。

进一步的，所述整流变换电路将外部交流电源输出的电流模拟信号整流为直流信号，并通过滤波变换为平滑稳定的直流信号，为功率放大电路提供直流电源。

进一步的，所述的非介入式负荷辨识检测标准库中的文件采用IEEE标准准电力系统暂态数据交换通用格式对用电设备运行工况信息进行描述。

本发明实施方式的另一方面还提供一种复杂电流波形的动态控制方法，包括以下步骤：

步骤1，波形预处理：DSP控制单元对数字信号进行波形预处理，计算得到该电流有效值的时间序列；

步骤2，暂稳态特征判断：对电流有效值的时间序列进行暂稳态判断，判断出暂态电流特征和稳态电流特征并作出对应标识；

步骤3，动态控制策略确定：根据判断结果实施动态控制策略确定，如果满足稳态电流特征条件，开启反馈通道；如果满足暂态电流特征条件，关闭反馈通道；

步骤4，信号输出：功率放大电路根据输出控制模块的交流触发信号进行功率放大，并通过电流模拟量输出接口实现测试信号的准确输出。

进一步的，步骤1所述的波形预处理的具体步骤如下：

步骤1.1，设预处理前的原始电流采样信号时间序列为{i_t}，t＝1/f_k，其中f_k为原始采样频率；

步骤1.2，将原始电流采样信号时间序列{i_t}与DSP控制单元的最大处理范围进行比较；

步骤1.3，若时间序列{i_t}超出DSP控制单元的最大处理范围，则将该波形信号输出为处理范围的最大值，计算得到该电流有效值的时间序列{I_t'}，t'＝1/f，其中f为工频频率；

步骤1.4，若时间序列{i_t}未超出DSP控制单元的最大处理范围，则直接计算得到该电流有效值的时间序列{I_t'}，t'＝1/f，其中f为工频频率。

进一步的，步骤2所述的暂稳态特征判断，计算时间序列{I_t'}的自相关系数，根据自相关系数的稳定性判断电流的暂稳态特性，形成暂稳态特征标记序列{S_t}。

进一步的，步骤2所述的暂稳态特征判断的具体步骤如下：

步骤2.1，根据特定类型电器运行工况的暂态过程持续时间确定时间间隔T，得到分析样本{I_t',t'∈T}，其中T＝nt'；

步骤2.2，计算电流有效值的时间序列{I_t'}的期望μ和方差σ；

步骤2.3，计算分析样本{I_t',t'∈T}的自相关系数，取t',s'∈T，表示样本时刻；

步骤2.4，获取电流暂稳态特征序列{S_t}，若ρ(t',s')≈0，分析样本{I_t',t'∈T}为稳态序列，标记{i_t',t'∈T}，{I_t',t'∈T}为S＝1；若ρ(t',s')≈0不成立，则分析样本{I_t',t'∈T}为暂态序列，标记{i_t',t'∈T}，{I_t',t'∈T}为S＝0，其中S为电流暂稳态特征值。

进一步的，步骤3所述的动态控制策略确定，如果满足稳态电流特征条件，开启反馈通道，DSP控制单元结合反馈采样模块输出的反馈信号进行参数修正，由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块，实现闭环控制；如果满足暂态电流特征条件，关闭反馈通道，DSP控制单元直接由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块，实现开环控制。

进一步的，步骤3所述的动态控制策略确定，是将暂稳态特征标记序列{S_t}作为监督信号，形成原始电流采样信号时间序列{i_t}的输出控制策略，如果为稳态序列采用闭环控制，如果为暂态序列则采用开环控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过暂稳态特征判断及动态控制策略确定，针对性的对电流波形数字信号源的输出信号采用开环控制和闭环控制，实现了非介入式负荷辨识检测标准库中复杂电流波形的准确快速复现。

附图说明

图1为本发明的模拟回放电路结构示意图；

图2为本发明的复杂电流波形的动态控制方法流程图；

图3为本发明的暂稳态特征判断的流程图；

图4为定频空调启动过程的电流有效值的时间序列波形图；

图5为定频空调启动过程的自相关系数波形图；

图6为定频空调启动过程的暂稳态特征序列波形图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，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实施例，都属于本发明保护的范围。

一种复杂电流波形的模拟回放电路，其结构示意图如图1所示，包括主功率变换模块、反馈采样模块和输出控制模块；主功率变换模块包括整流变换电路、功率放大电路和电流模拟量输出接口；反馈采样模块包括反馈量采集单元和模数变换单元；输出控制模块包括电流波形数字信号源、DSP控制单元和数模转换单元；

整流变换电路的输入端与外部交流电源连接，输出端与功率放大电路的输入端连接；功率放大电路的输出端与电流模拟量输出接口的输入端连接；电流模拟量输出接口的输出端与反馈量采集单元的输入端连接，反馈量采集单元的输出端与模数变换单元的输入端连接，模数变换单元的输出端与DSP控制单元的输入端连接；电流波形数字信号源的输出端与DSP控制单元另一输入端连接，DSP控制单元的输出端与数模转换单元的输入端连接，数模转换单元的输出端与功率放大电路的另一输入端连接。

一种复杂电流波形的动态控制方法，其流程图如图2所示，主要包括波形预处理、暂稳态特征判断及动态控制策略确定三个步骤，为考核非介入式负荷辨识能力时，首先根据现场实际应用场景，在非介入式负荷辨识检测标准库中，获取包含用电设备运行工况的电压、电流数据，以及通道、换算系数、采样记录频率、采样点数、波形时长等基本描述信息。输出控制模块中的电流波形数字信号源，根据介入式负荷辨识检测标准库中获取的上述信息，输出某类用电设备在特定运行工况下电流波形的数字信号。

DSP控制单元首先对数字信号进行波形预处理；通过将原始电流采样信号时间序列与DSP控制单元的最大处理范围进行比较，将时间序列超出最大处理范围的采样信号输出为处理范围的最大值，计算得到该电流有效值的时间序列；对时间序列未超出最大处理范围的采样信号直接计算得到该电流有效值的时间序列；对电流有效值的时间序列进行暂稳态判断，判断出暂态电流特征和稳态电流特征并作出对应标识；然后根据判断结果实施动态控制策略确定；如果满足稳态电流特征条件，开启反馈通道，DSP控制单元结合反馈采样模块输出的反馈信号进行参数修正，由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块，实现闭环控制；如果满足为暂态电流特征条件，关闭反馈通道，直接由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块；最后功率放大电路将输出控制模块输出的交流触发信号进行功率放大，再通过电流模拟量输出接口实现测试信号的准确输出。

图3为本发明的暂稳态特征判断的流程图，暂稳态特征判断的具体步骤如下：

步骤1：选取时间间隔T，得到分析样本{I_t',t'∈T}，其中T＝nt'；

时间间隔T可根据特定类型电器运行工况的暂态过程持续时间确定，本实施案例以定频空调的启动运行工况为例，定频空调为电机类电器，电机启动过程与电机特性有关，启动时间为0.06s～2s，选取最短启动时间作为时间间隔，则T＝0.06s，n＝3；

步骤2：计算电流有效值的时间序列{I_t'}的期望μ和方差σ；

本实施案例中，可取f_k＝6.4kHz，即每个周波完成128次采样；工频频率f＝50Hz，t'＝0.02s；

步骤3：计算分析样本{I_t',t'∈T}的自相关系数，取t',s'∈T，表示样本时刻；

步骤4，获取电流暂稳态特征序列{S_t}，若ρ(t',s')≈0，分析样本{It',t'∈T}为稳态序列，标记{i_t',t'∈T}，{I_t',t'∈T}为S＝1；若ρ(t',s')≈0不成立，则分析样本{I_t',t'∈T}为暂态序列，标记{i_t',t'∈T}，{I_t',t'∈T}为S＝0，其中S为电流暂稳态特征值。

需要说明的是，ρ(t',s')≈0是否成立，可根据电流幅值的实际波动情况进行判断，在实施案例中如果自相关系数在(-0.1～0.1)范围内，则ρ(t',s')≈0成立；如果自相关系数不在(-0.1～0.1)范围内，则ρ(t',s')≈0不成立。

通过对定频空调样本启动过程电流序列预处理，计算得到电流有效值的时间序列(波形图如图4所示)，进行自相关计算，得到样本的自相关系数(波形图如图5所示)，并得出电流暂稳态特征序列(波形图如图6所示)，计算结果如下表所示：

本发明对暂态电流波形进行开环控制，同时对稳态电流波形进行闭环控制，确保了测试信号的准确可靠输出，可用于非介入式负荷辨识性能的检测。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种复杂电流波形的模拟回放电路，其特征在于：包括主功率变换模块、反馈采样模块和输出控制模块；所述主功率变换模块包括整流变换电路、功率放大电路和电流模拟量输出接口；所述反馈采样模块包括反馈量采集单元和模数变换单元；所述输出控制模块包括电流波形数字信号源、DSP控制单元和数模转换单元；

所述整流变换电路的输入端与外部交流电源连接，输出端与功率放大电路的输入端连接；所述功率放大电路的输出端与电流模拟量输出接口的输入端连接；所述电流模拟量输出接口的输出端与反馈量采集单元的输入端连接，所述反馈量采集单元的输出端与模数变换单元的输入端连接，所述模数变换单元的输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述电流波形数字信号源的输出端与DSP控制单元另一输入端连接，所述DSP控制单元的输出端与数模转换单元的输入端连接，所述数模转换单元的输出端与功率放大电路的另一输入端连接；

所述电流模拟量输出接口输出的模拟测试信号经反馈量采集单元调幅，输出模数变换所需的模拟小信号；所述模数变换单元将采集到的模拟小信号转换成数字信号，输出反馈信号至输出控制模块；

所述电流波形数字信号源根据非介入式负荷辨识检测标准库中的文件信息，输出数字信号至DSP控制单元；所述DSP控制单元对数字信号进行波形预处理，根据暂稳态特征判断及动态控制策略确定的结果，判断是否开启反馈通道；如果开启反馈通道，则DSP控制单元结合反馈采样模块输出的反馈信号进行参数修正，由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块；如果关闭反馈通道，则直接由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块；所述功率放大电路将输出控制模块输出的交流触发信号进行功率放大，再通过电流模拟量输出接口实现测试信号的输出。

2.根据权利要求1所述的一种复杂电流波形的模拟回放电路，其特征在于：所述整流变换电路将外部交流电源输出的电流模拟信号整流为直流信号，并通过滤波变换为平滑稳定的直流信号，为功率放大电路提供直流电源。

3.一种复杂电流波形的动态控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，波形预处理：DSP控制单元对数字信号进行波形预处理，计算得到该电流有效值的时间序列；

步骤2，暂稳态特征判断：对电流有效值的时间序列进行暂稳态判断，判断出暂态电流特征和稳态电流特征并作出对应标识；

步骤3，动态控制策略确定：根据判断结果实施动态控制策略确定，如果满足稳态电流特征条件，开启反馈通道；如果满足暂态电流特征条件，关闭反馈通道；

步骤4，信号输出：功率放大电路根据输出控制模块的交流触发信号进行功率放大，并通过电流模拟量输出接口实现测试信号的准确输出。

4.根据权利要求3所述的一种复杂电流波形的动态控制方法，其特征在于：步骤1所述的波形预处理的具体步骤如下：

步骤1.1，设预处理前的原始电流采样信号时间序列为{i_t}，t＝1/f_k，其中f_k为原始采样频率；

步骤1.2，将原始电流采样信号时间序列{i_t}与DSP控制单元的最大处理范围进行比较；

步骤1.3，若时间序列{i_t}超出DSP控制单元的最大处理范围，则将该波形信号输出为处理范围的最大值，计算得到该电流有效值的时间序列{I_t'}，t'＝1/f，其中f为工频频率；

步骤1.4，若时间序列{i_t}未超出DSP控制单元的最大处理范围，则直接计算得到该电流有效值的时间序列{I_t'}，t'＝1/f，其中f为工频频率。

5.根据权利要求4所述的一种复杂电流波形的动态控制方法，其特征在于：步骤2所述的暂稳态特征判断，计算时间序列{I_t'}的自相关系数，根据自相关系数的稳定性判断电流的暂稳态特性，形成暂稳态特征标记序列{S_t}。

6.根据权利要求5所述的一种复杂电流波形的动态控制方法，其特征在于：步骤2所述的暂稳态特征判断的具体步骤如下：

步骤2.1，根据特定类型电器运行工况的暂态过程持续时间确定时间间隔T，得到分析样本{I_t',t'∈T}，其中T＝nt'；

步骤2.2，计算电流有效值的时间序列{I_t'}的期望μ和方差σ；

步骤2.3，计算分析样本{I_t',t'∈T}的自相关系数，取t',s'∈T，表示样本时刻；

步骤2.4，获取电流暂稳态特征序列{S_t}，若ρ(t',s')≈0，分析样本{I_t',t'∈T}为稳态序列，标记{i_t',t'∈T}，{I_t',t'∈T}为S＝1；若ρ(t',s')≈0不成立，则分析样本{I_t',t'∈T}为暂态序列，标记{i_t',t'∈T}，{I_t',t'∈T}为S＝0，其中S为电流暂稳态特征值。

7.根据权利要求3所述的一种复杂电流波形的动态控制方法，其特征在于：步骤3所述的动态控制策略确定，如果满足稳态电流特征条件，开启反馈通道，DSP控制单元结合反馈采样模块输出的反馈信号进行参数修正，由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块，实现闭环控制；如果满足暂态电流特征条件，关闭反馈通道，DSP控制单元直接由数模转换单元转换成交流触发信号，输出至主功率变换模块，实现开环控制。

8.根据权利要求5或6所述的一种复杂电流波形的动态控制方法，其特征在于：步骤3所述的动态控制策略确定，是将暂稳态特征标记序列{S_t}作为监督信号，形成原始电流采样信号时间序列{i_t}的输出控制策略，如果为稳态序列采用闭环控制，如果为暂态序列则采用开环控制。

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