一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟方法和系统与流程

本发明涉及充电安全检测，尤其涉及一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟方法和系统。

背景技术：

1、随着电动自行车充电负荷大量接入配电网，电力电子化充电设备大幅增多，充电电流由于没有过零点，很难自动熄灭并且燃弧温度高，如果不能及时检测到此类电气安全隐患，则会造成电动自行车的损坏以及人员安全的问题。

2、充电系统的内在组成使其容易出现接线松动、设备老化以及绝缘损坏的问题，即充电系统中多个位置都可能出现隐患，导致电动自行车充电电气安全隐患相较于其他类型的隐患发生的频率更高。充电系统长期运行过程中电气安全隐患引发的用电安全问题危及系统的正常运行，并且随着电动自行车充电数量不断提高、接线形式日益复杂，导致电气安全隐患的发生概率增加。因此，及时检测电气安全隐患具有十分重要的意义。

3、然而，与广泛开展的交流电气安全隐患研究相比，直流电气安全隐患的相关研究还存在很多问题，例如，缺乏能够实现多维电气安全隐患特性演变全过程表达功能的动态电动自行车充电系统电气安全隐患模型，限制了电气安全隐患检测算法的开发，也不利于深入研究不同应用场景和系统结构条件下电气安全隐患特性变化机理，以及高性能充电系统电气安全隐患检测装置的研制。

4、现有技术中，常用噪声模拟方法主要有pk加权、滤波器法、rbj的零极点滤波器法以及voss算法。pk加权和滤波器法是目前性能最佳的方法，但是计算量大、计算过程十分复杂；rbj的零极点滤波器法的计算量大、计算过程复杂，且拟合效果差；voss算法虽然计算量少、过程简单，但是实现性能极差，与理想噪声存在极大的偏差；同时，噪声以往在用于仿真某一时段的隐患充电电流频谱分布时，无法清晰描绘频谱随着时间变化的波动。

5、为此，提供了一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟方法和系统，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所述的一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟方法和系统，通过在充电伏安曲线模型中引入时间因素变量，基于训练后的随机森林模型向充电电气隐患噪声模型中引入时间因素变量，构建实现多维充电电气安全隐患的时域、频域特性演变全过程的动态光伏系统直流故障电弧模型，实现了电动自行车充电系统内电气隐患演变全过程的在线模拟，解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明所述的一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟方法，包括一下步骤：用于构建电动自行车充电系统仿真模型的充电电气隐患模拟模块；用于对充电电气隐患模拟模块进行参数拟合和参数整定的参数拟合及整定模块；用于对电动自行车充电电气安全隐患在线模拟的充电隐患全过程模拟输出模块。

4、优选的，所述充电电气隐患模拟模块包括位于相应充电系统的充电器输出端的受控电流源组成充电伏安曲线模型和充电电气隐患噪声模型；建立y表达式y：

5、y(t)＝x(t)+z(t)，

6、式中，x为充电伏安曲线模型；z为充电电气隐患噪声模型。

7、优选的，通过所述y表达式模拟出以下特性，包括：

8、特性一为充电电气隐患静态时域特性的模拟，将所述z设置为零、y表达式的时间t设为单点时刻，a不为零；

9、特性二为充电电气隐患静态频域特性的模拟：将所述a设置为零、y表达式的时间t设为单点时刻，z不为零；

10、特性三充电电气隐患静态时、频域多维特性的模拟：所述y表达式的时间t设为单点时刻，a、z不为零。

11、特性四充电电气隐患动态时域特性的模拟：将所述z设置为零、y表达式的时间t引入时间变量，a不为零；

12、特性五充电电气隐患动态频域特性的模拟：将所述a设置为零、y表达式的时间t引入时间变量，z不为零；

13、特性六充电电气隐患动态时、频域多维特性的模拟：所述y表达式的时间t引入时间变量，a、z不为零。

14、优选的，所述参数拟合及整定模块用于在不同应用场景和/或系统结构条件下的充电电气隐患实验数据对充电伏安曲线模型进行参数拟合，并对充电电气隐患噪声模型进行参数整定，建立充电伏安曲线模型，则所述充电伏安曲线模型为：

15、u(t)＝(a+cl)/i(b+dl)(t)，

16、式中，a、b、c和d的值取决于实验条件的充电电气隐患常数，通过拟合获得，l为充电电气隐患接地间隙，u为充电电气隐患电压，i为充电电气隐患电流。

17、优选的，所述充电电气隐患噪声模型为通过数字滤波器将白噪声转化为充电电气隐患噪声，所述数字滤波器采用7阶的传递函数，其表达式为：

18、

19、式中，a＝1，b＝0.5，c＝0.125，d＝0.063，e＝0.036，f＝0.026，g＝0.007，h＝0.005。

20、优选的，通过将充电电气隐患接地间隙l构建与时间t的关系表达式，将所述充电伏安曲线模型中引入时间因素变量，则所述关系表达式为：

21、

22、式中，v为分离速度，v＝2mm/s，lmax为最大充电电气隐患接地间隙，lmax＝3.2mm；t0为分离到最大充电电气隐患接地间隙所需的时间，t0＝3.2/2＝1.6s。

23、优选的，所述特性四～特性六的充电电气隐患噪声模型中引入时间因素变量，包括以下步骤：

24、对所述充电电气隐患电流频谱的n个频段上随时间变化的频谱特征值输出分别建立随机森林模型，并将各频段上所建立的随机森林模型进行训练后共同构成一定时间窗下充电电气隐患电流频谱预测结果的全频段分布整体模型；

25、利用机器学习的方法确定全频段频谱特征幅值随时间变化的趋势，使得所述充电电气隐患噪声模型确定的频谱幅值能够随着时间准确变化。

26、优选的，所述随机森林模型的训练包括以下步骤：

27、将0-100khz为n个频段，以每个时间窗内的电流值、充电电气隐患接地间隙作为样本特征量；所述电流值为系统回路电流值；

28、以所述时间窗内电流的频谱分析结果作为样本标签，构建针对单个小频段的训练集和测试集，并调整所述随机森林模型参数；

29、所述随机森林模型作为充电电气隐患噪声模型与时间因素变量的关联模型，并在不同应用场景和/或系统结构条件下进行参数整定。

30、本发明所述的一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟系统，包括：第一单元，用于构建电动自行车充电系统仿真模型的充电电气隐患模拟模块；

31、第二单元，用于对充电电气隐患模拟模块进行参数拟合和参数整定的参数拟合及整定模块；

32、第三单元，用于对电动自行车充电电气安全隐患在线模拟的充电隐患全过程模拟输出模块。

33、本发明的有益效果为：

34、本发明所述的一种电动自行车充电安全隐患的在线模拟方法和系统，通过在充电伏安曲线模型中引入时间因素变量，基于训练后的随机森林模型向充电电气隐患噪声模型中引入时间因素变量，构建实现多维充电电气安全隐患的时域、频域特性演变全过程的动态光伏系统直流故障电弧模型，能够正确模拟不同因素影响下充电电气隐患动态时、频域多维特性演变的全过程，实现电动自行车充电系统内电气隐患演变全过程的在线模拟，从而通过揭示不同应用场景和系统结构条件下电气隐患特性的变化机理，具有广泛的适用性。