基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建方法，包括：采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體觸電信號；根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)；根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生物體觸電阻抗電路模型，對生物體觸電的暫態(tài)過渡過程進行描述；根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模型，基于外推法獲取生物體觸電多端口阻抗模型。該方法能計算生物體觸電阻抗參數(shù)并建立響應精度較高的生物體觸電多端口阻抗模型，實現(xiàn)在低壓配電網(wǎng)工頻狀況下對生物體觸電暫態(tài)過渡過程的精確描述。
【專利說明】
基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多 端口阻抗模型構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 觸電事故是較為常見的惡性事故。目前，觸電現(xiàn)象的仿真缺少對生物體觸電阻抗 模型的研究和描述。在低壓配電網(wǎng)中，觸電事故中考慮的直接物理因素為流過生物體的工 頻觸電電流，而觸電電流幅值直接受到生物體觸電阻抗的影響。發(fā)生觸電事故時，生物體可 W等效為電路組合，通常利用兩種阻抗來描述觸電路徑阻抗：內(nèi)部阻抗和接觸皮膚阻抗，兩 種阻抗的矢量和為觸電路徑總阻抗。當前的生物體觸電電路模型通常由定阻抗元件進行構(gòu) 建，其適用范圍具有一定的局限性，同時也無法滿足生物體觸電暫態(tài)過渡過程描述的精度 要求。
[0003] 鑒于此，需提供一種生物體觸電阻抗參數(shù)計算方法，并建立響應精度較高的生物 體觸電多端口阻抗模型，W實現(xiàn)在低壓配電網(wǎng)工頻狀況下，對生物體觸電暫態(tài)過渡過程的 精確描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口 阻抗模型構(gòu)建方法，能夠計算生物體觸電阻抗參數(shù)并建立響應精度較高的生物體觸電多端 口阻抗模型，實現(xiàn)在低壓配電網(wǎng)工頻狀況下，對生物體觸電暫態(tài)過渡過程的精確描述。
[0005] 第一方面，本發(fā)明提供一種基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建 方法，包括：
[0006] 采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體觸電 信號；
[0007] 根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)；
[000引根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生物體 觸電阻抗電路模型，對生物體觸電的暫態(tài)過渡過程進行描述；
[0009] 根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模型，基于外推法獲取生物體觸電多端口阻抗 模型。
[0010] 可選地，所述采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng) 生物體觸電信號，包括：
[0011] 通過低壓配電網(wǎng)，利用電壓激勵、測量電流的方式，采集活體試驗對象在完整皮膚 和破損皮膚狀況下的多組生物體觸電信號；
[0012] 其中，所述生物體觸電信號，包括:觸電電壓信號序列U(m)和觸電電流信號序列I (m)，其中，m=0，l，…，M-1;采樣參數(shù)包括:采樣頻率fs，采樣周期Ts,采樣點數(shù)M，總采樣時間 Tpo
[0013] 可選地，所述根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)，包括：
[0014] 采用短時傅里葉變換STFT對所述生物體觸電信號進行分析，得到所述生物體觸電 信號的時頻特性；
[0015] 從所述時頻特性中提取頻率為50化的生物體觸電工頻信號的幅值和相角，所述生 物體觸電工頻信號包括:工頻電壓信號分量化(m)和工頻電流信號分量
[0016] 將提取的生物體觸電工頻信號進行分段線性化，分段區(qū)間為[m，m+l]，在分段區(qū)間 內(nèi)利用歐姆定律進行計算，獲得工頻狀況下生物體的觸電總阻抗序列Z(m)=R(m)+j X(m)， m = 0，l，???，M-2，R(m)是電阻分量，X(m)是電抗分量；
[0017] 根據(jù)所述觸電總阻抗序列，獲取生物體觸電時的皮膚電阻化(m)、皮膚電容Cs(m)和 內(nèi)電阻Ro(m);
[0018] 令t = 0為觸電起始時刻，t = ts為觸電信號的采樣結(jié)束時刻，通過曲線擬合方法獲 取對離散數(shù)學序列化(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式。
[0019] 可選地，所述根據(jù)所述觸電總阻抗序列，獲取生物體觸電時的皮膚電阻Rs(m)、皮 膚電容Cs(m)和內(nèi)電阻R〇(m)，包括：
[0020] 根據(jù)所述觸電總阻抗序列Z(m)，獲取皮膚阻抗Zs(m)與內(nèi)阻抗Zo(m)，m=0，l，…，M- 2;
[0021] W弗萊貝爾格電路作為參數(shù)計算的拓撲電路，將內(nèi)阻抗視為恒定電阻，取內(nèi)阻抗 Zo(m)的模的期望值作為內(nèi)電阻，通過第一公式，求取生物體觸電時的皮膚電阻化(m)、皮膚 電容Cs(m)和內(nèi)電阻R〇(m);
[0022] 其中，所述第一公式為：
[0023]
[0024] 其中，m = 0,1，…，M-2，Xc(m) = 1/j CO Cs(m)，CO 為電流角頻率，Xc(m)為皮膚容抗。
[0025] 可選地，內(nèi)電阻Ro(m)為常函數(shù)，函數(shù)表達式為：
[0026] R〇(t)=Ro；
[0027] 皮膚電阻化(m)和皮膚電容Cs(m)的函數(shù)表達式為：
[002引
[0029] 其中，0《*刮5瓜、1?2、(：1心為曲線擬合解得的常數(shù)，11、12為擬合所得的衰減時間 常數(shù)。
[0030] 可選地，所述根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變電阻和電容元件搭 建試驗生物體觸電阻抗電路模型，包括：
[0031] 根據(jù)Rs(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試 驗生物體觸電阻抗電路模型。
[0032] 可選地，所述根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模型，基于外推法獲取生物體觸 電多端口阻抗模型，包括：
[0033] 根據(jù)生物體觸電原理，求取生物體觸電阻抗幅值與體重的映射關(guān)系曲線；
[0034] 根據(jù)所述映射關(guān)系曲線，對所述試驗生物體觸電阻抗電路模型補充增益環(huán)節(jié)K，外 推得到生物體觸電多端口阻抗模型。
[0035] 可選地，在所述采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電 網(wǎng)生物體觸電信號之后，在所述根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)之前， 還包括：
[0036] 基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號進行預處理；
[0037] 相應地，所述根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)，具體為：
[0038] 根據(jù)預處理后的生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)。
[0039] 可選地，所述基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號進行預處理，包 括：
[0040] 采用加窗FIR低通數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號U(m)和Km)進行濾波；
[0041] 采用曲線匹配擬合方法消除濾波后的生物體觸電信號產(chǎn)生的相位延遲，得到預處 理后的電壓信號序列U'（m)和電流信號序列I'（m)。
[0042] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型 構(gòu)建方法，能夠計算生物體觸電阻抗參數(shù)并建立響應精度較高的生物體觸電多端口阻抗模 型，實現(xiàn)在低壓配電網(wǎng)工頻狀況下，對生物體觸電暫態(tài)過渡過程的精確描述。
【附圖說明】
[0043] 圖1為本發(fā)明一實施例提供的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu) 建方法的流程示意圖；
[0044] 圖2為本發(fā)明另一實施例提供的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型 構(gòu)建方法的流程示意圖；
[0045] 圖3為本發(fā)明實施例提供的弗萊貝爾格電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 圖4為本發(fā)明實施例提供的試驗生物體觸電阻抗電路模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047] 圖5為本發(fā)明實施例提供的對所述試驗生物體觸電阻抗電路模型和定值阻抗電路 模型進行仿真分析，得到仿真觸電電流信號的絕對誤差對比圖；
[004引圖6為本發(fā)明實施例提供的生物體觸電多端口阻抗模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0049] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅 僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他的實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0050] 圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模 型構(gòu)建方法的流程示意圖，如圖1所示，本實施例的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口 阻抗模型構(gòu)建方法，包括：
[0051] 101、采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體 觸電信號。
[0化2] 在具體應用中，所述步驟101，可包括：
[0053] 通過低壓配電網(wǎng)，利用電壓激勵、測量電流的方式，采集活體試驗對象在完整皮膚 和破損皮膚狀況下的多組生物體觸電信號；
[0054] 其中，所述生物體觸電信號，包括:觸電電壓信號序列U(m)和觸電電流信號序列I (m)，其中，m=0，l，…，M-1;采樣參數(shù)包括:采樣頻率fs，采樣周期Ts,采樣點數(shù)M，總采樣時間 Tpo
[0055] 102、根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)。
[0056] 在具體應用中，所述步驟102,可包括圖中未示出的步驟P1-P5:
[0057] P1、采用短時傅里葉變換STFT對所述生物體觸電信號進行分析，得到所述生物體 觸電信號的時頻特性。
[0058] P2、從所述時頻特性中提取頻率為50化的生物體觸電工頻信號的幅值和相角，所 述生物體觸電工頻信號包括:工頻電壓信號分量化(m)和工頻電流信號分量Ii(m)。
[0059] P3、將提取的生物體觸電工頻信號進行分段線性化，分段區(qū)間為[m，m+l]，在分段 區(qū)間內(nèi)利用歐姆定律進行計算，獲得工頻狀況下生物體的觸電總阻抗序列Z(m)=R(m)+j X (m)，m = 0，l，???，M-2，R(m)是電阻分量，X(m)是電抗分量。
[0060] 可理解的是，當采樣頻率足夠大時，可認為生物體觸電工頻信號分量序列在[m，m+ 1]區(qū)間內(nèi)是線性的，此時將提取的生物體觸電工頻信號進行分段線性化，可獲得工頻狀況 下生物體的觸電總阻抗序列。
[0061] 應說明的是，觸電路徑總阻抗Z(m)由皮膚阻抗Zs(m)和內(nèi)阻抗Z〇(m)組成。皮膚完整 時，計算得到的觸電總阻抗Zi(m)為皮膚阻抗Zs(m)與內(nèi)阻抗Z〇(m)之和，即Zi(m)=Zs(m)+Z〇 (m);皮膚破損時，認為皮膚阻抗為零，即Zs(m)>0,此時，總阻抗Z2(m)>ZQ(m)，聯(lián)立求解上 述兩個方程式Zi(m)=Zs(m)+Z〇(m)=Zs(m)+Z2(m)，可獲得數(shù)據(jù)序列Zs(m)、Z〇(m)的參數(shù)值， 其中，m = 0,1,,M-2。
[0062] P4、根據(jù)所述觸電總阻抗序列，獲取生物體觸電時的皮膚電阻Rs(m)、皮膚電容Cs (m)和內(nèi)電阻R〇(m)。
[0063] 在具體應用中，所述步驟P4,可W包括：
[0064] 根據(jù)所述觸電總阻抗序列Z(m)，獲取皮膚阻抗Zs(m)與內(nèi)阻抗Zo(m)，m=0，l，…，M- 2;
[0065] W弗萊貝爾格電路(如圖3所示)作為參數(shù)計算的拓撲電路，將內(nèi)阻抗視為恒定電 阻，取內(nèi)阻抗Zo(m)的模的期望值作為內(nèi)電阻，通過第一公式，求取生物體觸電時的皮膚電 阻化(m)、皮膚電容Cs(m)和內(nèi)電阻R〇(m);
[0066] 其中，所述第一公式為：
[0067]
[006引其中，m = 0,1，...，M-2，Xc(m) = 1/j W Cs(m)，CO 為電流角頻率，Xc(m)為皮膚容抗。 [0069] P5、令t = 0為觸電起始時刻，t = ts為觸電信號的采樣結(jié)束時刻，通過曲線擬合方 法獲取對離散數(shù)學序列化(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式。
[0070] 其中，內(nèi)電阻R〇(m)為常函數(shù)，函數(shù)表達式為：
[0071] R〇(t)=Ro；
[0072] 皮膚電阻化(m)和皮膚電容Cs(m)的函數(shù)表達式為：
[0073]
[0074] 其中，0《*刮5瓜、1?2、(：1心為曲線擬合解得的常數(shù)，11、12為擬合所得的衰減時間 常數(shù)。
[0075] 103、根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生 物體觸電阻抗電路模型，對生物體觸電的暫態(tài)過渡過程進行描述。
[0076] 在具體應用中，所述步驟103中的"根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時 變電阻和電容元件搭建試驗生物體觸電阻抗電路模型"可具體為：
[0077] 根據(jù)Rs(m)、Cs(m)和Ro(m)的函數(shù)表達式，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試 驗生物體觸電阻抗電路模型(如圖4所示）。
[0078] 104、根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模型，基于外推法獲取生物體觸電多端口 阻抗模型。
[0079] 在具體應用中，所述步驟104，可包括圖中未示出的步驟Al和A2:
[0080] Al、根據(jù)生物體觸電原理，求取生物體觸電阻抗幅值與體重的映射關(guān)系曲線；
[0081] A2、根據(jù)所述映射關(guān)系曲線，對所述試驗生物體觸電阻抗電路模型補充增益環(huán)節(jié) K，外推得到生物體觸電多端口阻抗模型，如圖6所示。
[0082] 應說明的是，根據(jù)生物體觸電原理，在生物體觸電過程中，生物體的接觸觸電電流 與生物體的體重近似成正比。
[0083] 本實施例的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建方法，能夠計算 生物體觸電阻抗參數(shù)并建立響應精度較高的生物體觸電多端口阻抗模型，實現(xiàn)在低壓配電 網(wǎng)工頻狀況下，對生物體觸電暫態(tài)過渡過程的精確描述，為工頻條件下生物體觸電暫態(tài)過 程的數(shù)學建模和仿真分析提供借鑒，同時，對實際工況中生物體觸電短路電流的計算和檢 測具有一定的參考價值。
[0084] 在具體應用中，在所述步驟101與102之間，本實施例所述方法還可W包括：
[0085] 基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號進行預處理；
[0086] 相應地，所述步驟102則具體為：
[0087] 根據(jù)預處理后的生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)。
[0088] 在具體應用中，所述基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號進行預處 理，可包括：
[0089] 采用加窗FIR低通數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號U(m)和Km)進行濾波；
[0090] 采用曲線匹配擬合方法消除濾波后的生物體觸電信號產(chǎn)生的相位延遲(延遲數(shù)據(jù) 點數(shù)為N)，得到預處理后的電壓信號序列U' (m)和電流信號序列I' (m)。
[0091] 可理解的是，根據(jù)預處理后的生物體觸電信號獲取的生物體觸電阻抗參數(shù)更加精 確，相應本實施例最后獲得的生物體觸電多端口阻抗模型也更加精確。
[0092] 圖2示出了本發(fā)明另一實施例提供的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗 模型構(gòu)建方法的流程示意圖，如圖2所示，本實施例的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端 口阻抗模型構(gòu)建方法，包括：
[0093] S1、采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體觸 電信號。
[0094] 所述信號通過生物體觸電物理試驗平臺進行采集。W220V/50HZ低壓配電網(wǎng)為電 源，采用電壓激勵，測量電流的方式進行觸電物理試驗，試驗電路中設(shè)有限流電阻。設(shè)定的 采樣參數(shù)包括:采樣頻率f S= IOkHz,采樣周期Ts= 1/f S = O. 1ms，采樣點數(shù)M = 3000,總采樣 時間Tp = 300ms。考慮最危險的觸電方式，設(shè)定觸電路徑為左前肢-右后肢。
[0095] 利用高精度錄波器采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組觸電 電壓信號序列U(m)和觸電電流信號序列Km)，其中，m = 0,1，…，M-1。
[0096] S2、基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號進行預處理。
[0097] 在具體應用中，所述步驟S2,可包括：
[0098] 采用加窗FIR低通數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號U(m)和I(m)進行濾波;采用 曲線匹配擬合方法消除濾波后的生物體觸電信號產(chǎn)生的相位延遲(延遲數(shù)據(jù)點數(shù)為N)，得 到預處理后的電壓信號序列U'（m)和電流信號序列I'（m)。
[0099] 在步驟S2中，可選取窗口函數(shù)為Hamming窗，窗函數(shù)長度為65，截止頻率為0.0仙， 其FIR數(shù)字濾波器的差分方程為：
[0100]
( 1 )
[0101] 式中，bn為常系數(shù)，N為濾波器階數(shù)，y為輸出信號，X為輸入信號。通過大量的觸電 信號驗證，運樣既能有效地保留觸電信號中的低頻分量，又能有效地濾除噪聲和高頻諧波。
[0102] 考慮到所述FIR數(shù)字濾波器濾波后，會使信號產(chǎn)生相位延遲，延遲數(shù)據(jù)點數(shù)N'=N/ 2，N為濾波器階數(shù)?；谧钚《朔ㄔ谛盘栃蛄兄羞x取擬合程度最佳、數(shù)據(jù)長度為N'的子序 列，對原序列進行延拓。
[0103]
( 2 ):
[0104] 式中，O越小，擬合程度越好，y為原序列，y '為子序列。在濾波后通過曲線匹配擬合 方法消除相位延遲。經(jīng)過改進的FIR數(shù)字濾波預處理，得到電壓信號序列U'（m)和電流信號 序列r(m)。
[0105] S3、根據(jù)預處理后的生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)。
[0106] 在具體應用中，所述步驟S3，可包括圖中未示出的步驟Ql-Q5:
[0107] Q1、采用短時傅里葉變換STFT對預處理后的生物體觸電信號進行分析，得到預處 理后的生物體觸電信號的時頻特性：
[010 引
[0109] 式中，WM=e^2"/M，y為信號序列，丫為窗口序列。
[0110] Q2、從所述時頻特性中提取頻率為50化的生物體觸電工頻信號的幅值和相角，所 述生物體觸電工頻信號包括:工頻電壓信號分量化(m)和工頻電流信號分量Ii(m)。
[0111] 在步驟Q2中，可選用窗口長度為200個采樣點的矩形窗進行計算，得到各整次頻率 分量隨采樣時間變化的幅值和相角參數(shù);然后提取頻率為50化的生物體觸電工頻信號的幅 值和相角，所述生物體觸電工頻信號包括:工頻電壓信號分量化(m)和工頻電流信號分量Ii (m)。
[0112] Q3、將提取的生物體觸電工頻信號進行分段線性化，分段區(qū)間為[m，m+l]，在分段 區(qū)間內(nèi)利用歐姆定律進行計算，獲得工頻狀況下生物體的觸電總阻抗序列Z(m)=R(m)+j X (m)，m = 0，l，???，M-2，R(m)是電阻分量，X(m)是電抗分量。
[0113] 可理解的是，當采樣頻率足夠大時，可認為生物體觸電工頻信號分量序列在[m，m+ 1]區(qū)間內(nèi)是線性的，此時將提取的生物體觸電工頻信號進行分段線性化，可獲得工頻狀況 下生物體的觸電總阻抗序列。
[0114] 應說明的是，觸電路徑總阻抗Z(m)由皮膚阻抗Zs(m)和內(nèi)阻抗Z〇(m)組成。皮膚完整 時，計算得到的觸電總阻抗Zi(m)為皮膚阻抗Zs(m)與內(nèi)阻抗Z〇(m)之和，即Zi(m)=Zs(m)+Z〇 (m);皮膚破損時，認為皮膚阻抗為零，即Zs(m)>0,此時，總阻抗Z2(m)>ZQ(m)，聯(lián)立求解上 述兩個方程式Zi(m)=Zs(m)+Z〇(m)=Zs(m)+Z2(m)，可獲得數(shù)據(jù)序列Zs(m)、Z〇(m)的參數(shù)值， 其中，m = 0,1,,M-2。
[0115] Q4、根據(jù)所述觸電總阻抗序列，獲取生物體觸電時的皮膚電阻Rs(m)、皮膚電容Cs (m)和內(nèi)電阻R〇(m)。
[0116] 在具體應用中，所述步驟P4,可W包括：
[0117] 根據(jù)所述觸電總阻抗序列Z(m)，獲取皮膚阻抗Zs(m)與內(nèi)阻抗Zo(m)，m=0，l，…，M- 2;
[0118] W弗萊貝爾格電路(如圖3所示)作為參數(shù)計算的拓撲電路，將內(nèi)阻抗視為恒定電 阻，取內(nèi)阻抗Zo(m)的模的期望值作為內(nèi)電阻，通過第一公式，求取生物體觸電時的皮膚電 阻化(m)、皮膚電容Cs(m)和內(nèi)電阻R〇(m);
[0119] 其中，所述第一公式為：
[0120]
[0121] 其中，m = 0，l，…，1-2，乂。(111) = 1/^'《〔3(111)，《為電流角頻率，乂。(111)為皮膚容抗。
[0122] Q5、令t = 0為觸電起始時刻，t = ts為觸電信號的采樣結(jié)束時刻，通過曲線擬合方 法獲取對離散數(shù)學序列化(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式。
[0123] 其中，內(nèi)電阻R〇(m)為常函數(shù)，函數(shù)表達式為：
[0124] R〇(t)=Ro；
[0125] 皮膚電阻化(m)和皮膚電容Cs(m)的函數(shù)表達式為：
[0126]
[0127]其中，0《*《*5，尺1、尺2、(：1八2為曲線擬合解得的常數(shù)，11、12為擬合所得的衰減時間 常數(shù)。
[0128] S4、根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生 物體觸電阻抗電路模型，對生物體觸電的暫態(tài)過渡過程進行描述。
[0129] 在具體應用中，所述步驟S4中的"根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變 電阻和電容元件搭建試驗生物體觸電阻抗電路模型"可具體為：
[0130] 根據(jù)Rs(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試 驗生物體觸電阻抗電路模型(如圖4所示）。
[0131] 可理解的是，通過搭建低壓配電網(wǎng)仿真電路對所述試驗生物體觸電阻抗電路模型 進行仿真分析，得到仿真觸電電流信號波形，仿真信號的絕對誤差如圖5中實線所示，與試 驗動物觸電信號相比，觸電電流仿真信號的相似系數(shù)為0.9969,均方根誤差為1.2127。對定 值阻抗電路模型進行仿真，其仿真結(jié)果的絕對誤差如圖5中虛線所示。對比發(fā)現(xiàn)，在觸電發(fā) 生后(第1000個采樣點時刻發(fā)生觸電），本實施例的改進的試驗生物體觸電阻抗電路模型較 為顯著的提高了仿真結(jié)果和觸電暫態(tài)過渡過程描述的精度。
[0132] S5、根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模型，基于外推法獲取生物體觸電多端口 阻抗模型。
[0133] 在具體應用中，所述步驟S5,可包括圖中未示出的步驟Al和A2:
[0134] AU根據(jù)生物體觸電原理，求取生物體觸電阻抗幅值與體重的映射關(guān)系曲線。
[0135] 應說明的是，根據(jù)生物體觸電原理，在生物體觸電過程中，生物體的接觸觸電電流 與生物體的體重近似成正比，所W根據(jù)生物體觸電原理，求取的生物體觸電阻抗幅值與體 重的映射關(guān)系曲線為Zm=km。
[0136] W所述活體試驗對象作為參考對象，則映射關(guān)系表達式為ZmAk = m/mk，其中Zm為 待測生物體的觸電路徑總阻抗(單位：Q )，m為待測生物體的體重(單位:kg)。^為活體試驗 對象的觸電路徑總阻抗(單位：Q )，mk為活體試驗對象的體重(單位:kg)。
[0137] A2、根據(jù)所述映射關(guān)系曲線，對所述試驗生物體觸電阻抗電路模型補充增益環(huán)節(jié) K，外推得到生物體觸電多端口阻抗模型，如圖6所示。
[013引其中，增益系數(shù)K=m/mk，根據(jù)所述生物體觸電多端口阻抗模型，可得：
[0139]
[0140] 在所述生物體觸電多端口阻抗模型中，在端口 1輸入激勵電壓信號U(t)，在端口 2 輸入生物體體重m，可在端口 3得到生物體觸電電流暫態(tài)信號I(t)，實現(xiàn)對其觸電暫態(tài)過渡 過程較為精確地描述。
[0141] 本實施例的基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建方法，能夠計算 生物體觸電阻抗參數(shù)并建立響應精度較高的生物體觸電多端口阻抗模型，實現(xiàn)在低壓配電 網(wǎng)工頻狀況下，對生物體觸電暫態(tài)過渡過程的精確描述，為工頻條件下生物體觸電暫態(tài)過 程的數(shù)學建模和仿真分析提供借鑒，同時，對實際工況中生物體觸電短路電流的計算和檢 測具有一定的參考價值。
[0142] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可W理解:實現(xiàn)上述各方法實施例的全部或部分步驟可W通 過程序指令相關(guān)的硬件來完成。前述的程序可W存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中。該程 序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述各方法實施例的步驟;而前述的存儲介質(zhì)包括:R〇M、RAM、磁碟或 者光盤等各種可W存儲程序代碼的介質(zhì)。
[0143]最后應說明的是：W上各實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解:其依 然可W對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進 行等同替換；而運些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù) 方案的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于生物體觸電阻抗參數(shù)計算的多端口阻抗模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括： 采集活體試驗對象在完整皮膚和破損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體觸電信號； 根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)； 根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生物體觸電 阻抗電路模型，對生物體觸電的暫態(tài)過渡過程進行描述； 根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模型，基于外推法獲取生物體觸電多端口阻抗模 型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集活體試驗對象在完整皮膚和破損 皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體觸電信號，包括： 通過低壓配電網(wǎng)，利用電壓激勵、測量電流的方式，采集活體試驗對象在完整皮膚和破 損皮膚狀況下的多組生物體觸電信號； 其中，所述生物體觸電信號，包括:觸電電壓信號序列U(m)和觸電電流信號序列I(m)， 其中，m = 0，1，…，M-1;采樣參數(shù)包括:采樣頻率fs，采樣周期Ts，采樣點數(shù)Μ，總采樣時間ΤΡ。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物 體觸電阻抗參數(shù)，包括： 采用短時傅里葉變換STFT對所述生物體觸電信號進行分析，得到所述生物體觸電信號 的時頻特性； 從所述時頻特性中提取頻率為50Hz的生物體觸電工頻信號的幅值和相角，所述生物體 觸電工頻信號包括:工頻電壓信號分量iMm)和工頻電流信號分量iKm); 將提取的生物體觸電工頻信號進行分段線性化，分段區(qū)間為[m，m+l]，在分段區(qū)間內(nèi)利 用歐姆定律進行計算，獲得工頻狀況下生物體的觸電總阻抗序列2(111)=1?(1]1)+」乂(1]1)，1]1=0， 1，···，M-2，R(m)是電阻分量，X(m)是電抗分量； 根據(jù)所述觸電總阻抗序列，獲取生物體觸電時的皮膚電阻Rs(m)、皮膚電容Cs(m)和內(nèi)電 阻Ro(m); 令t = 0為觸電起始時刻，t = ts為觸電信號的采樣結(jié)束時刻，通過曲線擬合方法獲取對 離散數(shù)學序列Rs(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述觸電總阻抗序列，獲取生物 體觸電時的皮膚電阻Rs(m)、皮膚電容Cs(m)和內(nèi)電阻R〇(m)，包括： 根據(jù)所述觸電總阻抗序列Z(m)，獲取皮膚阻抗Zs(m)與內(nèi)阻抗Zo(m)，m=0，1，…，M-2; 以弗萊貝爾格電路作為參數(shù)計算的拓撲電路，將內(nèi)阻抗視為恒定電阻，取內(nèi)阻抗Zo(m) 的模的期望值作為內(nèi)電阻，通過第一公式，求取生物體觸電時的皮膚電阻Rs(m)、皮膚電容Cs (m)和內(nèi)電阻R〇(m); 其中，所述第一公式為：其中，m=0，l，…，M-2，Xc(m) = l/j c〇Cs(m)，ω為電流角頻率，Xc(m)為皮膚容抗。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，內(nèi)電阻R〇(m)為常函數(shù)，函數(shù)表達式為： Ro(t) =Ro； 皮膚電阻Rs(m)和皮膚電容Cs(m)的函數(shù)表達式為：其中，0彡成^^&心為曲線擬合解得的常數(shù)七^為擬合所得的衰減時間常數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述生物體觸電阻抗參數(shù)，利用 非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生物體觸電阻抗電路模型，包括： 根據(jù)Rs(m)、Cs(m)和R〇(m)的函數(shù)表達式，利用非線性時變電阻和電容元件搭建試驗生 物體觸電阻抗電路模型。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述試驗生物體觸電阻抗電路模 型，基于外推法獲取生物體觸電多端口阻抗模型，包括： 根據(jù)生物體觸電原理，求取生物體觸電阻抗幅值與體重的映射關(guān)系曲線； 根據(jù)所述映射關(guān)系曲線，對所述試驗生物體觸電阻抗電路模型補充增益環(huán)節(jié)K，外推得 到生物體觸電多端口阻抗模型。8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述采集活體試驗對象在完整皮膚和破 損皮膚狀況下的多組低壓配電網(wǎng)生物體觸電信號之后，在所述根據(jù)所述生物體觸電信號， 獲取生物體觸電阻抗參數(shù)之前，還包括： 基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號進行預處理； 相應地，所述根據(jù)所述生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)，具體為： 根據(jù)預處理后的生物體觸電信號，獲取生物體觸電阻抗參數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于改進的FIR數(shù)字濾波器對所述生 物體觸電信號進行預處理，包括： 采用加窗FIR低通數(shù)字濾波器對所述生物體觸電信號U(m)和I(m)進行濾波； 采用曲線匹配擬合方法消除濾波后的生物體觸電信號產(chǎn)生的相位延遲，得到預處理后 的電壓信號序列U' (m)和電流信號序列Γ (m)。
【文檔編號】G06F17/50GK105956242SQ201610261319
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】杜松懷, 劉官耕, 韓曉慧, 蘇娟
【申請人】中國農(nóng)業(yè)大學