一种滤波器状态的监测方法

技术领域

本发明涉及滤波器监测技术领域，更具体的说是涉及一种滤波器状态的监测方法。

背景技术

滤波器广泛应用于各种电力电路、信号调理电路中，它是具有频率选择作用的器件，其工作原理是当信号与噪声分布在不同频带中时，利用滤波器对不同频率信号具有不同的衰减作用的特点，使得选定范围内的频率信号可以通过，并且极大地衰减其他频率信号，利用这种特性本实施例可将电路中的谐波或干扰信号尽可能地滤除，以保障所需信号的品质。常用于电力电路的滤波器有单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器等多调谐滤波器。常用于信号调理电路的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。

在干扰信号治理中，滤波器的性能至关重要，性能实际取决于滤波器内部的基本元件：电阻、电感、电容等。而滤波器这些元件的特征参数R、L、C决定了滤波器的频率特性，这些特征参数的变化会大大影响滤波效果，甚至会引发故障。因此，准确获取这些特征参数非常关键。然而，人们使用的滤波器通常都封装完好，直接测试这些特征参数非常困难。

首先，在现有技术中，通过在高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器的支路中串入电流互感器，利用测量得到的电流，通过计算辨识出高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器发生失谐的元件。该方案结构简单，仅需在传统直流侧单调谐滤波器的基础上进行简单改造即可，实现了滤波器失谐的在线辨识，提高了高压直流输电系统的运行可靠性和安全性。然而该方案仅能进行两个判断，判断结果一：判断滤波器是否发生失谐；判断结果二：判断失谐元件是滤波器的电感还是电容。此技术的缺点在于只能在故障发生后才能发挥作用，而故障发生后已经产生了损失，为时已晚。可见此技术仅适合故障辨识，并不适合用于故障预测。

其次，目前在对电容特征参数提取方法研究中，仅考虑到了特定电容的老化情况却忽视了滤波器中电感、电阻等其他元件的老化、损坏情况。

因此，如何提供一种滤波器特征参数的获取方法、系统及可存储介质是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了滤波器特征参数的获取方法，本发明通过滤波器数学模型，分析滤波器的阶跃响应，从而得到滤波器的输入/输出与其特征参数电阻R、电感L、电容C之间的内在关系。并利用该关系，得到出滤波器的特征参数电阻R、电感L、电容C，能够对滤波器状态进行准确监测，进一步为滤波器的故障预测、寿命估计等深入研究做好铺垫。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种滤波器状态的监测方法，包括以下步骤：

S100：建立滤波器数学模型，根据所述滤波器数学模型得到滤波器阶跃响应函数，并根据所述滤波器阶跃响应函数得到滤波器的输入、输出与滤波器的特征参数之间的内在关系；

S200：根据滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系，得到滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系模型；

S300：根据滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系模型计算得到滤波器的特征参数值；

S400：根据所述滤波器的特征参数值对滤波器的状态进行监测，得到结果并输出。

优选的，所述滤波器的特征参数包括：电阻R、电感L、电容C。

优选的，所述S100包括：

S110：建立滤波器数学模型，具体公式为：

式中，U

S120：对滤波器模型进行初始化；

S130：当时间t≥0时，输入阶跃电压U

S140：根据两相异实根、复根以及重根三种阶跃响应函数解得到滤波器的输入、输出与滤波器的特征参数电阻R、电感L、电容C之间的内在关系。

优选的，所述S200包括：

S210：设矢量V＝[v

S220：根据目标函数x与电阻R、电感L、电容C的函数关系，得到滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系模型：

其中，ΔR＝R

ΔL＝L

ΔC＝C

式中，ΔR、ΔL、ΔC分别为第n次迭代中电阻R、电感L、电容C的增量，R

优选的，所述S300包括：

S310：初始化矢量V的值为V

S320：确定阶跃响应函数根的形式；

S330：根据阶跃响应函数根的形式计算：

式中，h＝1，2，3，分别表示当阶跃响应函数解的形式为两相异实根、复根、重根的情况；

S340：根据滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系模型对ΔR，ΔL，ΔC求偏导，得到的方程组为：

S350：求解S340的方程组，获得梯度ΔV＝[ΔR,ΔL,ΔC]：

ΔR＝g

ΔL＝g

ΔC＝g

S360：设初始化矢量V

S370：判断x

S380：若x

其中，R

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种滤波器状态的监测方法，以单调谐滤波器和一阶无源RLC滤波器为例，为对其内部元器件工作状态进行实时监测，实现在不拆卸、不损伤滤波器装置前提下，可以实时监测滤波器输出电流/电压拟合滤波器内部元器件特征参数，本发明监测方法剧透可行性和准确性，且在对滤波器无损伤的情况下，使得获取的特征参数数据时效性强、准确高，为滤波器的状态监测、故障预测、寿命估计等深入研究做好铺垫。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的监测方法流程示意图；

图2为本实施例1提供的单调谐滤波器的电路模型示意图；

图3为本实施例1提供的一阶无源RLC滤波器的电路模型示意图；

图4(a)为本实施例2提供的数学模型两相异实根系统的输出电压曲线图；

图4(b)为本实施例2提供的电路模型两相异实根系统输的出电压曲线图；

图4(c)为本实施例2提供的两相异实根电路模型与数学模型输出电压误差的输出电压曲线图；

图4(d)为本实施例2提供的数学模型两相异实根系统的输出电流曲线图；

图4(e)为本实施例2提供的电路模型两相异实根系统的输出电流曲线图；

图4(f)为本实施例2提供的两相异实根电路模型与数学模型输出电压误差的输出电流曲线图；

图5(a)为本实施例2提供的全元件失谐的输出电流误差示意图；

图5(b)为本实施例2提供的全元件失谐的输出电压误差示意图。

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。

实施例1

参见附图1所示，本发明实施例公开了一种滤波器状态的监测方法，包括以下步骤：

S100：建立滤波器数学模型，根据滤波器数学模型得到滤波器阶跃响应函数，并根据滤波器阶跃响应函数得到滤波器的输入、输出与滤波器的特征参数之间的内在关系；

S200：根据滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系，得到滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系模型；

S300：根据滤波器的输入、输出与滤波器特征参数之间的内在关系模型计算得到滤波器的特征参数值；

S400：根据滤波器的特征参数值对滤波器的状态进行监测，得到结果并输出。

在一个具体实施例中，以单调谐滤波器和一阶无源RLC滤波器为研究对象，在滤波器非拆卸、无损伤的情况下，展开获取其内部元器件特征参数的计算工作。

具体的，步骤S100建立滤波器数学模型，包括：建立单调谐滤波器数学模型以及一阶无源RLC滤波器数学模型，具体为：

单调谐滤波器的电路模型参见附图2所示，单调谐滤波器由电感L、电阻R和电容C三个元器件组成，设滤波器的输入电压为U

一阶无源RLC滤波器的电路模型参见附图3所示，由电感L、电阻R和电容C三个元器件组成，设滤波器的输入电压为U

有上述分析可知，单调谐滤波器数学模型以及一阶无源RLC滤波器数学模型具有相同的电路特点，由输出电流

式中，U

在一个具体实施例中，将单调谐滤波器电路中中以输出电流为i

具体的，步骤S200建立关系模型具体为：

阶跃响应分析是在滤波器零状态下，得到系统在阶跃激励作用下系统输出随时间的变化规律。当U

表1滤波器阶跃响应函数

具体的，步骤S300计算得到出滤波器的特征参数值的具体方法为：

由于滤波电路系统均为实际的运行系统，因此由其内部元器件特征参数组成的雅克比矩阵通常为非奇异矩阵，故采用高斯--牛顿法来拟合滤波电路模型参数。

令矢量V＝[v

当V真实表达滤波器的特征参数的实际大小时，求解矢量V的问题就变成了求解目标函数最小值的问题。因为x是关于电阻R、电感L、电容C的函数，得到：

其中，

ΔR＝R

ΔL＝L

ΔC＝C

上式中，R

通过不断迭代，使R

具体的，由于i

(1)初始化矢量V的值为V

(2)确定阶跃响应函数根的形式；

(3)由表1计算出

其中h＝1，2，3，分别表示当阶跃响应函数解的形式为两相异实根、复根、重根的情况。

(4)在式(1)两边对ΔR，ΔL，ΔC求偏导，有：

(5)联立第(4)步解出的方程组，获得梯度ΔV＝[ΔR,ΔL,ΔC]

ΔR＝g

ΔL＝g

ΔC＝g

(6)V

(7)比较x

(8)V

实施例2

本实施例在Matlab环境下的Simulink中建立单调谐滤波器的电路模型对上述方法进行实验仿真验证。

具体的，由于两相异实根、复根、重根三种解的阶跃响应分析的实验方法类似，此处以两相异实根解阶跃响应分析为例进行实验。

1、数学模型检验

单调谐滤波器内部各元件的参数如表2所示，当单调谐滤波器的阶跃响应解的形式为两相异实根时，其数学模型在表1中，为

为验证数学模型的准确性，通过以下实验步骤进行验证：

1)根据滤波器内部元件的初始参数值R

2)对内部元件参数为电阻R、电感L、电容C的滤波电路系统的输出电流进行监测，将采集到的输出电流值对应相应的采样点存入数组CircleModel_i中。具体操作方式为：在电路模型实验系统中的scope模块上连接to workplace采样模块，然后将to workplace采集到的数据存入数组CircleModel_i。

3)根据阶跃响应函数计算电流输出值MathModel_i，将通过阶跃响应函数计算得到的电流输出值MathModel_i与数组CircleModel_i中的电流输出值进行计算求解；

在matlab中得到输出电流差曲线图。

如表2所示，为本实施例提供的单调谐滤波器内部元器件参数表：

表2单调谐滤波器内部元器件参数表

为了验证数学模型的准确性，用在matlab中搭建的电路模型去验证数学模型。设置仿真时间时长为0.3s，步长设置为0.0001s，单调谐滤波器在两相异实根形式下数学模型及电路模型系统输出电流/电压随时间t的变化曲线，参见附图4(a)-(f)所示，通过本实施例的实验表明，滤波器的电路模型和数学模型的输出电流/电压误差在极短的时间都可以迅速稳定在一个固定的值，即验证了数学模型的准确性。

由于在滤波器的使用过程中，其电阻R、电感L、电容C会发生老化和磨损等情况，此处对电阻R、电感L、电容C失谐情况进行实验。以表4数据进行实验，通过分析其输出电流和输出电压的误差，验证本发明所述的拟合滤波器内部元器件特征参数的方法的准确性。参见表3所示，元件初值为滤波器元件出厂参数；实际值为滤波器在工作中发生磨损后的元件实际值；估计值为通过上述本发明方法计算出滤波器磨损后的估计值。

从以上实验可知此滤波器的电阻R、电感L、电容C的阶跃响应解的形式为两相异实根，并计算出了i

表3滤波器内部元器件全元件失谐时特征参数表

有本实施例2的实验表明，同一电路模型中，误差会在短时间内稳定在一个固定值，最终两者之间的误差为0。说明通过本发明提出的方法能够比较精确地分析出滤波器内部元器件的特征参数。

综上所述，实验结果表明本法买那个探索出的通过监测滤波器的输出电流来监测滤波器内部元器件的工作状态的方法准确度极高，在滤波器故障诊断领域意义非凡，具有如下有益效果：

本发明技术以单调谐滤波器和一阶无源RLC滤波器为例，为对其内部元器件工作状态进行实时监测，基于MATALB/Simulink平台对单调谐滤波器数学模型及滤波器内部元器件特征参数拟合方法，采用实验的方式进行验证并对结果进行分析，确认本发明技术所提出的在不拆卸、不损伤滤波器装置前提下，可以通过实时监测滤波器输出电流/电压拟合滤波器内部元器件特征参数方法的可行性和准确性，具有获取数据时效性强、获取数据准确高、对滤波器无损伤的突出特点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。