低通滤波器的电磁暂态建模方法、装置及电子设备与流程

1.本发明涉及滤波器的建模技术领域，尤其涉及一种低通滤波器的电磁暂态建模方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.低通滤波器是由电容和电阻组成的滤波电路，可以使得小于截止频率的低频信号正常通过，而超过截止频率的高频信号被阻隔、减弱。
3.通过对电力系统相关元件进行准确的建模和详细、快速的电磁暂态仿真分析，可以准确地掌握电力系统的动态特征，为电力系统的规划设计、建设发展和运行实践提供重要的帮助。
4.目前，与滤波器建模相关技术中，没有能够对低通滤波器进行快速、准确进行电磁暂态建模的方法。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述问题，本发明提出了一种低通滤波器的电磁暂态建模方法、装置及电子设备，可以快速、便捷、准确的对低通滤波器进行电磁暂态建模，有利于电力系统电磁暂态仿真。
6.第一方面，本发明提供了一种低通滤波器的电磁暂态建模方法包括：首先，基于低通滤波器确定低通滤波器的频域模型；其次，利用拉普拉斯反变换对低通滤波器的频域模型进行求解得到低通滤波器的时域积分模型；最后，利用梯形法则对低通滤波器的时域积分模型进行求解得到低通滤波器的时域电磁暂态基础模型。
7.在第一方面的一种可能的实现方式中，该电磁暂态建模方法还包括：构建低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子；利用时域电磁暂态模型修正因子对时域电磁暂态基础模型进行修正，得到低通滤波器的时域电磁暂态修正模型。
8.在第一方面的一种可能的实现方式中，低通滤波器的频域模型为：
[0009][0010]
其中，y(s)为低通滤波器的频域输出变量，x(s)为低通滤波器的频域输入变量，s为拉普拉斯算子，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数。
[0011]
在第一方面的一种可能的实现方式中，利用拉普拉斯反变换求解得到的低通滤波器的时域积分模型为：
[0012][0013]
其中，t为时间变量，y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量，x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通
滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0014]
在第一方面的一种可能的实现方式中，低通滤波器的时域电磁暂态基础模型为：
[0015][0016]
其中，t为时间变量；δt为时间步长；y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量；x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量；y(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输出变量；x(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输入变量；t为低通滤波器时间常数；a为低通滤波器截止角频率系数；g为低通滤波器增益倍数；e为自然常数。
[0017]
在第一方面的一种可能的实现方式中，低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子为：
[0018][0019]
其中，t为时间变量，δt为时间步长，y’(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量修正因子，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0020]
在第一方面的一种可能的实现方式中，低通滤波器的时域电磁暂态修正模型为：
[0021][0022]
其中，t为时间变量，δt为时间步长，y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量，x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量，y(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输出变量，x(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输入变量，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0023]
第二方面，本发明提供了一种建模装置，用于对低通滤波器进行电磁暂态建模，该建模装置包括：
[0024]
频域模型确定模块、时域模型计算模块和电磁暂态模型计算模块；
[0025]
其中，频域模型确定模块，用于基于低通滤波器确定低通滤波器的频域模型；
[0026]
时域模型计算模块，用于利用拉普拉斯反变换对低通滤波器的频域模型进行求解得到低通滤波器的时域积分模型；
[0027]
电磁暂态模型计算模块，用于利用梯形法则对低通滤波器的时域积分模型进行求解得到低通滤波器的时域电磁暂态基础模型。
[0028]
在第二方面的一种可能的实现方式中，该建模装置还包括：电磁暂态模型修正模块，用于执行以下操作：
[0029]
构建低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子；
[0030]
利用时域电磁暂态模型修正因子对时域电磁暂态基础模型进行修正，得到低通滤波器的时域电磁暂态修正模型。
[0031]
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，该存储器上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器执行时，使处理器执行如上述第一方面及第一方面中任意一种实现方式中所述的方法。
[0032]
第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行代码，当可执行代码被电子设备的处理器执行时，使处理器执行如上述第一方面及第一方面中任意一种实现方式中所述的方法。
[0033]
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
[0034]
通过拉普拉斯反变换和梯形法则求解低通滤波器的时域电磁暂态基础模型，以实现对低通滤波器进行电磁暂态建模，既能快速、便捷的建立低通滤波器的电磁暂态模型，又从数学角度提供了严谨的求解公式，数学逻辑的严谨性可以确保建立电磁暂态模型的准确性，有利于电力系统电磁暂态仿真及其实际应用。
[0035]
进一步的，本发明的技术方案，构建并通过低通滤波器的电磁暂态修正因子，可以对低通滤波器的电磁暂态模型精度进行修正，可以有效地提高低通滤波器电磁暂态模型的实用性。
[0036]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
[0037]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0038]
图1为本发明实施例中提供的一个一阶低通滤波器电路结构示意图；
[0039]
图2为本发明实施例中提供的低通滤波器的电磁暂态建模方法的一个实施例示意图；
[0040]
图3为本发明实施例中提供的低通滤波器的电磁暂态建模方法的另一个实施例示意图；
[0041]
图4为本发明实施例中提供的建模装置的一个实施例结构示意图；
[0042]
图5为本发明实施例中提供的建模装置的另一个实施例结构示意图；
[0043]
图6为本发明实施例中提供的电子设备的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
[0044]
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0045]
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0046]
应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以
被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0047]
滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器根据谐波被过滤的次数可分为一阶低通滤波器、二阶低通滤波器等，其中几阶代表谐波被过滤几次，例如一阶低通滤波器是将谐波进行一次过滤的低通滤波器。
[0048]
为了便于理解本发明中低通滤波器的的电磁暂态建模方法，下面先以一阶低通滤波器为例，对本发明中的低通滤波器进行说明。
[0049]
图1为本发明实施例中提供的一个一阶低通滤波器电路结构示意图。
[0050]
如图1所示，本发明实施例中提供的一阶低通滤波器电路包括：
[0051]
接地电阻r1、电阻r、反馈电阻rf、接地电容c、集成运算放大器(简称集成运放)，ui为输入电压；u0为输出电压；r为滤波电阻；c为滤波电容；r1为平衡电阻；rf为反馈电阻。
[0052]
其中平衡电阻r1一端接地，另一端与集成运放的负极输入端连接；滤波电阻r连接在低通滤波器电路的输入端与集成运放的正极输入端之间；滤波电容c连接在集成运放的正极输入端并接地；反馈电阻rf连接在低通滤波器电路的输出端和集成运放的负极输入端之间。
[0053]
对低通滤波器的电力结构进行基本介绍之后，下面对本发明中低通滤波器的的电磁暂态建模方法进行说明。
[0054]
图2为本发明实施例中提供的低通滤波器的电磁暂态建模方法的一个实施例示意图。
[0055]
如图2所示，本发明实施例中低通滤波器的电磁暂态建模方法包括：
[0056]
201、基于低通滤波器确定低通滤波器的频域模型。
[0057]
图1所示一阶低通滤波器，该低通滤波器的频域模型(即频域中的低通滤波器模型)为：
[0058][0059]
其中，y(s)为低通滤波器的频域输出变量；x(s)为低通滤波器的频域输入变量；s为拉普拉斯算子；t为低通滤波器时间常数；a为低通滤波器截止角频率系数；g为低通滤波器增益倍数。
[0060]
202、利用拉普拉斯反变换对低通滤波器的频域模型进行求解得到低通滤波器的时域积分模型。
[0061]
利用拉普拉斯反变换将低通滤波器模型由频域转换到时域，具体是：对步骤201中频域中的低通滤波器模型：
[0062][0063]
进行拉普拉斯反变换得到如下低通滤波器的时域积分模型为：
[0064][0065]
其中，t为时间变量；y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量；x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量，t为低通滤波器时间常数；a为低通滤波器截止角频率系数；g为低通滤波器增益倍数；e为自然常数。
[0066]
203、利用梯形法则对低通滤波器的时域积分模型进行求解得到低通滤波器的时域电磁暂态基础模型。
[0067]
针对求解得到的低通滤波器时域积分模型，利用梯形法则求解低通滤波器的时域电磁暂态基础模型为：
[0068][0069]
其中，t为时间变量；δt为时间步长；y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量；x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量；y(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输出变量；x(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输入变量；t为低通滤波器时间常数；a为低通滤波器截止角频率系数；g为低通滤波器增益倍数；e为自然常数。
[0070]
综上所述，本发明实施例中的低通滤波器的电磁暂态建模方法，可以通过拉普拉斯反变换和梯形法则求解低通滤波器的时域电磁暂态基础模型，以实现对低通滤波器进行电磁暂态建模，既能快速、便捷的建立低通滤波器的电磁暂态模型，又从数学角度提供了严谨的求解公式，数学逻辑的严谨性可以确保建立电磁暂态模型的准确性，有利于电力系统电磁暂态仿真及其实际应用。
[0071]
进一步的，在对电磁暂态模型精度要求更高的应用场景中，还可以对上述低通滤波器的时域电磁暂态基础模型的模型精度进行修正，以提高其精度。
[0072]
图3为本发明实施例中提供的低通滤波器的电磁暂态建模方法的另一个实施例示意图。
[0073]
如图3所示，本发明实施例中提供的低通滤波器的电磁暂态建模方法包括：
[0074]
301、获取低通滤波器的时域电磁暂态基础模型。
[0075]
获取通过图2对应实施例中的技术方案得到的低通滤波器的时域电磁暂态基础模型：
[0076][0077]
302、构建低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子。
[0078]
构建低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子为：
[0079][0080]
其中，t为时间变量；δt为时间步长；y’(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量修正因子；t为低通滤波器时间常数；a为低通滤波器截止角频率系数；g为低通滤波器增益倍数；e为自然常数。
[0081]
303、利用时域电磁暂态模型修正因子对时域电磁暂态基础模型进行修正，得到低
通滤波器的时域电磁暂态修正模型。
[0082]
通过步骤302中构建的时域电磁暂态模型修正因子，对步骤301中的时域电磁暂态基础模型进行修正，得到的低通滤波器的时域电磁暂态修正模型如下：
[0083][0084]
其中，t为时间变量；δt为时间步长；y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量；x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量；y(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输出变量；x(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输入变量；t为低通滤波器时间常数；a为低通滤波器截止角频率系数；g为低通滤波器增益倍数；e为自然常数。
[0085]
综上所述，本发明实施例中的低通滤波器的电磁暂态建模方法中通过构建低通滤波器的电磁暂态修正因子，可以对低通滤波器的电磁暂态模型精度进行修正，提高其模型精度，可以有效地提高低通滤波器电磁暂态模型的实用性。
[0086]
与前述应用功能实现方法实施例相对应，本发明还提供了一种用于低通滤波器的电磁暂态建模的建模装置、电子设备及相应的实施例。
[0087]
图4为本发明实施例中提供的建模装置的一个实施例结构示意图。
[0088]
如图4所示，本发明实施例中的建模装置40包括：
[0089]
频域模型确定模块401、时域模型计算模块402和电磁暂态模型计算模块403；
[0090]
其中，频域模型确定模块401，用于基于低通滤波器确定低通滤波器的频域模型；
[0091]
时域模型计算模块402，用于利用拉普拉斯反变换对低通滤波器的频域模型进行求解得到低通滤波器的时域积分模型；
[0092]
电磁暂态模型计算模块403，用于利用梯形法则对低通滤波器的时域积分模型进行求解得到低通滤波器的时域电磁暂态基础模型。
[0093]
可选的，在本发明实施例的一种实施方式中，频域模型确定模块401确定的低通滤波器的频域模型为：
[0094][0095]
其中，y(s)为低通滤波器的频域输出变量，x(s)为低通滤波器的频域输入变量，s为拉普拉斯算子，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数。
[0096]
可选的，在本发明实施例的一种实施方式中，时域模型计算模块402利用拉普拉斯反变换求解得到的低通滤波器的时域积分模型为：
[0097][0098]
其中，t为时间变量，y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量，x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0099]
可选的，在本发明实施例的一种实施方式中，电磁暂态模型计算模块403计算得到的低通滤波器的时域电磁暂态基础模型为：
[0100][0101]
其中，t为时间变量，δt为时间步长，y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量，x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量，y(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输出变量，x(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输入变量，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0102]
综上所述，本发明实施例中的建模装置的频域模型确定模块、时域模型计算模块和电磁暂态模型计算模块可以实现通过拉普拉斯反变换和梯形法则求解低通滤波器的时域电磁暂态基础模型的功能，从而对低通滤波器进行电磁暂态建模，既能快速、便捷的建立低通滤波器的电磁暂态模型，又从数学角度提供了严谨的求解公式，数学逻辑的严谨性可以确保建立电磁暂态模型的准确性，有利于电力系统电磁暂态仿真及其实际应用。
[0103]
图5为本发明实施例中提供的建模装置的另一个实施例结构示意图。
[0104]
如图5所示，本发明实施例中的建模装置40包括：频域模型确定模块401、时域模型计算模块402、电磁暂态模型计算模块403和电磁暂态模型修正模块404；
[0105]
电磁暂态模型修正模块404用于执行以下操作：构建低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子；利用时域电磁暂态模型修正因子对时域电磁暂态基础模型进行修正，得到低通滤波器的时域电磁暂态修正模型。
[0106]
其中频域模型确定模块401、时域模型计算模块402、电磁暂态模型计算模块403执行操作的具体功能与上述图4中的操作一样，此处不再赘述。
[0107]
可选的，在本发明实施例的一种实施方式中，电磁暂态模型修正模块404构建的低通滤波器的时域电磁暂态模型修正因子为：
[0108][0109]
其中，t为时间变量，δt为时间步长，y’(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量修正因子，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0110]
可选的，在本发明实施例的一种实施方式中，电磁暂态模型修正模块404进行模型修正后得到的低通滤波器的时域电磁暂态修正模型为：
[0111][0112]
其中，t为时间变量，δt为时间步长，y(t)为低通滤波器t时刻的时域输出变量，x(t)为低通滤波器t时刻的时域输入变量，y(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输出变量，x(t-δt)为低通滤波器t-δt时刻的时域输入变量，t为低通滤波器时间常数，a为低通滤波器截止角频率系数，g为低通滤波器增益倍数，e为自然常数。
[0113]
综上所述，本发明中建模装置还可以构建并通过低通滤波器的电磁暂态修正因子，对低通滤波器的电磁暂态模型精度进行修正，可以有效地提高低通滤波器电磁暂态模型的实用性。
[0114]
关于上述图4和图5所示实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经
在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。
[0115]
图6为本发明实施例中提供的电子设备的一个实施例结构示意图。
[0116]
如图6所示，本发明实施例中电子设备60包括存储器601和处理器602。存储器上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器执行时，使处理器执行上述任一实施例中的方法。
[0117]
处理器602可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0118]
存储器601可以包括各种类型的存储单元，例如系统内存、只读存储器(rom)，和永久存储装置。其中，rom可以存储处理器602或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中，永久性存储装置采用大容量存储装置(例如磁或光盘、闪存)作为永久存储装置。另外一些实施方式中，永久性存储装置可以是可移除的存储设备(例如软盘、光驱)。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备，例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外，存储器601可以包括任意计算机可读存储媒介的组合，包括各种类型的半导体存储芯片(dram，sram，sdram，闪存，可编程只读存储器)，磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中，存储器601可以包括可读和/或写的可移除的存储设备，例如激光唱片(cd)、只读数字多功能光盘(例如dvd-rom，双层dvd-rom)、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡(例如sd卡、min sd卡、micro-sd卡等等)、磁性软盘等等。计算机可读存储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。
[0119]
存储器601上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器602处理时，可以使处理器602执行上文述及的方法中的部分或全部。
[0120]
此外，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本发明的上述方法中部分或全部步骤的计算机程序代码指令。
[0121]
或者，本发明还可以实施为一种计算机可读存储介质(或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或电子设备、服务器等)的处理器执行时，使处理器执行根据本发明的上述方法的各个步骤的部分或全部。
[0122]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。