本发明涉及充电模块检测技术领域，公开了一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法及系统，其方法通过对直流系统充电模块进行热路建模，以多阶跃电流为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型并进行温度场分析，根据充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算直流系统充电模块的最大充电功率损耗，根据直流系统充电模块的额定有功功率与最大充电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率，通过充电模块热路等效模型对负载进行放电测试，计算直流系统充电模块的放电功率损耗，通过直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和放电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率因数，从而提高了输出功率因数的计算精度。
1.一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型；
以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布；
根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗；
根据所述直流系统充电模块的额定有功功率与所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率；
通过所述充电模块热路等效模型对所述负载进行放电测试，获取所述直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据所述谐波电流以及其频域信息计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗；
通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数。
2.根据权利要求1所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，直流系统充电模块用于为配电系统提供电源，所述配电系统包括Ⅰ段母线、Ⅱ段母线和两个直流系统充电模块，两个直流系统充电模块通过隔离开关分别与所述Ⅰ段母线和所述Ⅱ段母线连接，所述Ⅰ段母线与所述Ⅱ段母线之间还连接有母线联络开关，所述隔离开关的初始工作状态为合闸状态，所述母线联络开关的初始工作状态为分闸状态；
根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型的步骤之前，还包括：响应于预先接收的测试请求，将待测试的直流系统充电模块对应的所述隔离开关的工作状态转换为分闸状态，使所述待测试的直流系统充电模块离线运行，并将所述母线联络开关的工作状态转换为合闸状态。
3.根据权利要求1所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型的步骤，具体包括：对直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境分别替换为等效元件，其中，直流系统充电模块的电路参数包括充电机、开关器件和蓄电池，将所述外界环境等效为热敏电阻，将所述负载等效为负载电阻，将所述充电机等效为直流源，将所述蓄电池等效为并联连接的电容和等效电阻，将所述开关器件等效为晶体管；
将所述直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境分别对应的等效元件进行串并联，构建充电模块热路等效模型，其中，所述充电模块热路等效模型包括直流源、热敏电阻、晶体管、电容、等效电阻、负载开关和负载电阻，所述直流源、所述等效电阻和所述电容并联连接，所述直流源与所述等效电阻之间的回路上连接有所述热敏电阻，所述等效电阻与所述电容之间的回路上连接有所述晶体管，所述负载电阻通过所述负载开关与所述电容并联连接。
4.根据权利要求3所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布的步骤具体包括：通过多阶跃电流函数确定多阶跃电流为：
式中，Ia为多阶跃电流值，Ie为额定充电电流，t为充电时刻，tw为电容充满电所需时间；
对所述充电模块热路等效模型进行网格划分，设置边界条件，并以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型中的所述直流源，通过所述多阶跃电流模拟所述直流系统充电模块的恒流充电过程和浮充充电过程两种工况；
通过对恒流充电过程和浮充充电过程分别对应的所述充电模块热路等效模型进行温度场分析，得到不同工况下的电路温度场分布，所述电路温度场分布用于获得流经各个等效元件的温度。
5.根据权利要求4所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗的步骤，具体包括：基于最小二乘法对外界环境历史温度与其对应的所述热敏电阻的历史电阻值进行非线性拟合，得到外界环境温度与所述热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系；
通过所述电路温度场分布获取所述热敏电阻的当前温度，基于外界环境温度与所述热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系，根据所述热敏电阻的当前温度获得所述热敏电阻的当前电阻值；
根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布确定不同工况下分别对应的晶体管的温度，根据不同工况下分别对应的晶体管的温度的比对结果确定晶体管的最高温度以及其对应的工况，将所述晶体管的最高温度作为晶体管的最高结温；
根据所述多阶跃电流通过下式函数关系计算晶体管的瞬态热阻为：；
式中，Rp为瞬态热阻， 为温升， =Td‑Ts，Td为晶体管的最高结温，Ts为晶体管的额定工作环境温度，Ud为直流源两端的电压值， 为晶体管的最高结温对应的阶跃电流，Rm为热敏电阻的当前电阻值；
根据所述晶体管的最高结温和所述瞬态热阻通过下式计算晶体管的功率损耗为：；
根据晶体管的最高温度对应的阶跃电流通过下式计算所述热敏电阻的功率损耗为：；
通过所述晶体管的功率损耗和所述热敏电阻的功率损耗进行加和处理，得到所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗。
6.根据权利要求5所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，通过所述充电模块热路等效模型对所述负载进行放电测试，获取所述直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据所述谐波电流以及其频域信息计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗的步骤，具体包括：将所述充电模块热路等效模型中的负载开关进行合闸，通过处于浮充充电下的所述电容向所述负载电阻进行放电；
获取所述电容在放电过程中产生的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，所述频域信息包括各个频率以及每个频率对应的谐波电流；
以一个完整的放电周期作为单位滑动窗口对所述谐波电流的频域信息进行划分，从而得到多个放电周期对应的谐波电流，通过下式计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗为：；
式中，为直流系统充电模块的功率损耗， 为放电周期的个数，为第 个放电周期，为第 个放电周期的平均谐波电流， 为等效电阻的电阻值。
7.根据权利要求6所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数的步骤具体包括：通过所述直流系统充电模块的输出功率和所述放电功率损耗进行作差处理，得到所述直流系统充电模块的有效输出功率；
根据所述直流系统充电模块的有效输出功率与所述额定有功功率的比值计算所述直流系统充电模块的输出功率因数。
8.根据权利要求7所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数的步骤之后，还包括：判断所述输出功率因数是否小于预设的输出功率因数阈值，若判断所述输出功率因数小于所述预设的输出功率因数阈值时，则执行下一步；
设置所述直流系统充电模块的充电电流和外界环境温度为决策变量，以所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗最小为目标，构建所述直流系统充电模块的充电优化模型，所述充电优化模型包括目标函数和约束条件；
对所述直流系统充电模块的充电优化模型进行求解，得到最优解，根据所述最优解确定所述直流系统充电模块的最优充电电流和最优外界环境温度。
9.根据权利要求8所述的直流系统充电模块输出功率因数测试方法，其特征在于，所述充电优化模型的目标函数为：；
式中，Ps为最大充电功率损耗， 为开关器件的功率损耗， 为外界环境的功率损耗；
式中，Is为充电电流， ，其中，Ta为外界环境温度，a、b、c均为拟合系数；
10.一种直流系统充电模块输出功率因数测试系统，其特征在于，包括：热路建模模块，用于根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型；
温度场计算模块，用于以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布；
充电功率损耗计算模块，用于根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗；
输出总功率计算模块，用于根据所述直流系统充电模块的额定有功功率与所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率；
放电功率损耗计算模块，用于通过所述充电模块热路等效模型对所述负载进行放电测试，获取所述直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据所述谐波电流以及其频域信息计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗；
输出功率因数计算模块，用于通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数。
一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及直流充电模块检测技术领域，尤其涉及一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法及系统。
背景技术
[0002] 变电站的直流系统的充电模块在变电站中，为控制、信号、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的直流电源，还为操作提供可靠操作电源。为此，直流系统可靠与否，对变电站安全运行起着至关重要的作用，是变电站安全运行的保证。
[0003] 目前电力系统中运行的直流系统充电模块达到的技术指标，都是由生产厂家在设备出厂试验时提供的数据。但是，由于随着直流系统充电模块的运行时间的推移，直流系统充电模块会受到环境温度的影响，从而导致直流系统充电模块的功率损耗较高，而功率损耗较大时，会影响直流系统充电模块的输出功率的大小，从而导致直流系统充电模块对负载的供电功率不足，严重威胁变电站安全运行，也降低直流系统充电模块的使用寿命。而输出功率因数是用于评价直流系统充电模块的输出功率的真实水平，从而可以反映出直流系统充电模块的输出功率的有效功率，而目前对直流系统充电模块的输出功率因数未考虑到功率损耗的影响，从而导致输出功率因数的计算精度较差。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法及系统，解决了目前在对输出功率因数进行计算时，未考虑到功率损耗的影响，从而导致输出功率因数的计算精度较差的技术问题。
[0005] 有鉴于此，本发明第一方面提供了一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法，包括以下步骤：
[0006] 根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型；
[0007] 以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布；
[0008] 根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗；
[0009] 根据所述直流系统充电模块的额定有功功率与所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率；
[0010] 通过所述充电模块热路等效模型对所述负载进行放电测试，获取所述直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据所述谐波电流以及其频域信息计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗；
[0011] 通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数。
[0012] 优选地，直流系统充电模块用于为配电系统提供电源，所述配电系统包括Ⅰ段母线、Ⅱ段母线和两个直流系统充电模块，两个直流系统充电模块通过隔离开关分别与所述Ⅰ段母线和所述Ⅱ段母线连接，所述Ⅰ段母线与所述Ⅱ段母线之间还连接有母线联络开关，所述隔离开关的初始工作状态为合闸状态，所述母线联络开关的初始工作状态为分闸状态；
[0013] 根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型的步骤之前，还包括：
[0014] 响应于预先接收的测试请求，将待测试的直流系统充电模块对应的所述隔离开关的工作状态转换为分闸状态，使所述待测试的直流系统充电模块离线运行，并将所述母线联络开关的工作状态转换为合闸状态。
[0015] 优选地，根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型的步骤，具体包括：
[0016] 对直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境分别替换为等效元件，其中，直流系统充电模块的电路参数包括充电机、开关器件和蓄电池，将所述外界环境等效为热敏电阻，将所述负载等效为负载电阻，将所述充电机等效为直流源，将所述蓄电池等效为并联连接的电容和等效电阻，将所述开关器件等效为晶体管；
[0017] 将所述直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境分别对应的等效元件进行串并联，构建充电模块热路等效模型，其中，所述充电模块热路等效模型包括直流源、热敏电阻、晶体管、电容、等效电阻、负载开关和负载电阻，所述直流源、所述等效电阻和所述电容并联连接，所述直流源与所述等效电阻之间的回路上连接有所述热敏电阻，所述等效电阻与所述电容之间的回路上连接有所述晶体管，所述负载电阻通过所述负载开关与所述电容并联连接。
[0018] 优选地，以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布的步骤具体包括：
[0019] 通过多阶跃电流函数确定多阶跃电流为：
[0020] ；
[0021] 式中，Ia为多阶跃电流值，Ie为额定充电电流，t为充电时刻，tw为电容充满电所需时间；
[0022] 对所述充电模块热路等效模型进行网格划分，设置边界条件，并以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型中的所述直流源，通过所述多阶跃电流模拟所述直流系统充电模块的恒流充电过程和浮充充电过程两种工况；
[0023] 通过对恒流充电过程和浮充充电过程分别对应的所述充电模块热路等效模型进行温度场分析，得到不同工况下的电路温度场分布，所述电路温度场分布用于获得流经各个等效元件的温度。
[0024] 优选地，根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗的步骤，具体包括：
[0025] 基于最小二乘法对外界环境历史温度与其对应的所述热敏电阻的历史电阻值进行非线性拟合，得到外界环境温度与所述热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系；
[0026] 通过所述电路温度场分布获取所述热敏电阻的当前温度，基于外界环境温度与所述热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系，根据所述热敏电阻的当前温度获得所述热敏电阻的当前电阻值；
[0027] 根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布确定不同工况下分别对应的晶体管的温度，根据不同工况下分别对应的晶体管的温度的比对结果确定晶体管的最高温度以及其对应的工况，将所述晶体管的最高温度作为晶体管的最高结温；
[0028] 根据所述多阶跃电流通过下式函数关系计算晶体管的瞬态热阻为：
[0029] ；
[0030] 式中，Rp为瞬态热阻， 为温升， =Td‑Ts，Td为晶体管的最高结温，Ts为晶体管的额定工作环境温度，Ud为直流源两端的电压值， 为晶体管的最高结温对应的阶跃电流，Rm为热敏电阻的当前电阻值；
[0031] 根据所述晶体管的最高结温和所述瞬态热阻通过下式计算晶体管的功率损耗为：
[0032] ；
[0033] 式中，Pd为晶体管的功率损耗；
[0034] 根据晶体管的最高温度对应的阶跃电流通过下式计算所述热敏电阻的功率损耗为：
[0035] ；
[0036] 式中，Pm为热敏电阻的功率损耗；
[0037] 通过所述晶体管的功率损耗和所述热敏电阻的功率损耗进行加和处理，得到所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗。
[0038] 优选地，通过所述充电模块热路等效模型对所述负载进行放电测试，获取所述直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据所述谐波电流以及其频域信息计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗的步骤，具体包括：
[0039] 将所述充电模块热路等效模型中的负载开关进行合闸，通过处于浮充充电下的所述电容向所述负载电阻进行放电；
[0040] 获取所述电容在放电过程中产生的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，所述频域信息包括各个频率以及每个频率对应的谐波电流；
[0041] 以一个完整的放电周期作为单位滑动窗口对所述谐波电流的频域信息进行划分，从而得到多个放电周期对应的谐波电流，通过下式计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗为：
[0042] ；
[0043] 式中， 为直流系统充电模块的功率损耗， 为放电周期的个数，为第 个放电周期， 为第 个放电周期的平均谐波电流， 为等效电阻的电阻值。
[0044] 优选地，通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数的步骤具体包括：
[0045] 通过所述直流系统充电模块的输出功率和所述放电功率损耗进行作差处理，得到所述直流系统充电模块的有效输出功率；
[0046] 根据所述直流系统充电模块的有效输出功率与所述额定有功功率的比值计算所述直流系统充电模块的输出功率因数。
[0047] 优选地，通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数的步骤之后，还包括：
[0048] 判断所述输出功率因数是否小于预设的输出功率因数阈值，若判断所述输出功率因数小于所述预设的输出功率因数阈值时，则执行下一步；
[0049] 设置所述直流系统充电模块的充电电流和外界环境温度为决策变量，以所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗最小为目标，构建所述直流系统充电模块的充电优化模型，所述充电优化模型包括目标函数和约束条件；
[0050] 对所述直流系统充电模块的充电优化模型进行求解，得到最优解，根据所述最优解确定所述直流系统充电模块的最优充电电流和最优外界环境温度。
[0051] 优选地，所述充电优化模型的目标函数为：
[0052] ；
[0053] 式中，Ps为最大充电功率损耗， 为开关器件的功率损耗， 为外界环境的功率损耗；其中，
[0054] ；
[0055] ；
[0056] 式中，Is为充电电流， ，其中，Ta为外界环境温度，a、b、c均为拟合系数；
[0057] 所述充电优化模型的约束条件包括：
[0058] 1）系统功率平衡约束为：
[0059] ；
[0060] 式中，Pc为输出功率，Py为额定有功功率；
[0061] 2）充电电流约束为：
[0062] ；
[0063] 式中，为充电电流下限，为充电电流上限；
[0064] 3）外界环境温度约束为：
[0065] ；
[0066] 式中， 为外界环境温度上限。
[0067] 第二方面，本发明还提供了一种直流系统充电模块输出功率因数测试系统，包括：
[0068] 热路建模模块，用于根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对所述直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型；
[0069] 温度场计算模块，用于以多阶跃电流为电流激励连续加载至所述充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布；
[0070] 充电功率损耗计算模块，用于根据所述充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗；
[0071] 输出总功率计算模块，用于根据所述直流系统充电模块的额定有功功率与所述直流系统充电模块的最大充电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率；
[0072] 放电功率损耗计算模块，用于通过所述充电模块热路等效模型对所述负载进行放电测试，获取所述直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对所述输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据所述谐波电流以及其频域信息计算所述直流系统充电模块的放电功率损耗；
[0073] 输出功率因数计算模块，用于通过所述直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和所述放电功率损耗计算所述直流系统充电模块的输出功率因数。
[0074] 从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0075] 本发明通过考虑直流系统充电模块的外界环境对直流系统充电模块进行热路建模，以多阶跃电流为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布，根据充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算直流系统充电模块的最大充电功率损耗，根据直流系统充电模块的额定有功功率与最大充电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率，通过充电模块热路等效模型对负载进行放电测试，根据直流系统充电模块的输出电流对应的谐波电流以及其频域信息计算直流系统充电模块的放电功率损耗，通过直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和放电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率因数，从而充分考虑了功率损耗的影响，提高了输出功率因数的计算精度。
附图说明
[0076] 图1为本发明实施例提供的一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法的流程图；
[0077] 图2为本发明实施例提供的配电系统的结构示意图；
[0078] 图3为本发明实施例提供的充电模块热路等效模型的电路示意图；
[0079] 图4为本发明实施例提供的一种直流系统充电模块输出功率因数测试系统的结构示意图。
具体实施方式
[0080] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
[0081] 为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法，包括以下步骤：
[0082] 101、根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型。
[0083] 可以理解的是，直流系统充电模块的电路参数包括充电模块的电路结构以及相应的电气参数，负载是为直流系统充电模块为其进行供电的负载，外界环境为直流系统充电模块所处的环境，主要是环境温度对直流系统充电模块的内阻产生影响，一般情况下，环境温度越高，内阻越小，从而会影响充电结果，为此，本发明考虑了外界环境的影响，结合直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对直流系统充电模块进行热路建模，热路建模可以基于有限元软件进行建模。
[0084] 102、以多阶跃电流为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布。
[0085] 需要说明的是，由于直流系统充电模块的充电阶段不同，包括充电中工况、充电完成工况和浮充充电工况，而在电厂、变电站的直流系统充电模块在正常运行时多是以浮充充电工况进行的。故本实施例通过多阶跃电流作为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型，以模拟充电模块热路等效模型中的不同工况，并进行温度场分析，得到充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布。
[0086] 103、根据充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算直流系统充电模块的最大充电功率损耗。
[0087] 可以理解的是，在直流系统充电模块充电过程中，由于外界环境温度的温升变化，直流系统充电模块内部的开关器件和内阻会消耗充电功率，故需要计算直流系统充电模块的最大充电功率损耗。
[0088] 104、根据直流系统充电模块的额定有功功率与直流系统充电模块的最大充电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率。
[0089] 可以理解的是，额定有功功率是为直流系统充电模块容量的最大有功功率，可以由厂家提供，也可以根据直流系统充电模块的额定输出电压与额定输出电流的乘积获得。将直流系统充电模块的额定有功功率与直流系统充电模块的最大充电功率损耗进行作差，可以得到直流系统充电模块的输出功率。
[0090] 105、通过充电模块热路等效模型对负载进行放电测试，获取直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据谐波电流以及其频域信息计算直流系统充电模块的放电功率损耗。
[0091] 其中，负载的总容量可以根据配电系统的各个供电终端的容量的总和获得。
[0092] 可以理解的是，在直流系统充电模块进行放电时，由于直流系统充电模块具有阻抗，故会产生放电功率损耗，而谐波电流是为增加附加损耗的主要因素，故需要对谐波电流进行计算处理，得到直流系统充电模块的放电功率损耗。
[0093] 106、通过直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和放电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率因数。
[0094] 需要说明的是，本发明通过考虑直流系统充电模块的外界环境对直流系统充电模块进行热路建模，以多阶跃电流为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布，根据充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算直流系统充电模块的最大充电功率损耗，根据直流系统充电模块的额定有功功率与最大充电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率，通过充电模块热路等效模型对负载进行放电测试，根据直流系统充电模块的输出电流对应的谐波电流以及其频域信息计算直流系统充电模块的放电功率损耗，通过直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和放电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率因数，从而充分考虑了功率损耗的影响，提高了输出功率因数的计算精度。
[0095] 同时，通过上述计算输出功率因数，可以更加准确地反映出直流系统充电模块的输出功率的有效性，其中，直流系统充电模块的输出功率因数越高，直流系统充电模块的输出功率的有效性则越高，对负载供电的可靠性则越高。
[0096] 在一个具体实施例中，直流系统充电模块用于为配电系统提供电源，请参阅图2，图2示意了配电系统的结构示意图，配电系统包括Ⅰ段母线、Ⅱ段母线和两个直流系统充电模块，两个直流系统充电模块通过隔离开关分别与Ⅰ段母线和Ⅱ段母线连接，Ⅰ段母线与Ⅱ段母线之间还连接有母线联络开关，隔离开关的初始工作状态为合闸状态，母线联络开关的初始工作状态为分闸状态；
[0097] 步骤101之前，还包括：
[0098] 响应于预先接收的测试请求，将待测试的直流系统充电模块对应的隔离开关的工作状态转换为分闸状态，使待测试的直流系统充电模块离线运行，并将母线联络开关的工作状态转换为合闸状态。
[0099] 需要说明的是，如图2所示，在配电系统正常运行时，连接关系如下：
[0100] （1）#1直流系统充电模块与I段母线连接的11ZK隔离开关合在“至Ⅰ段母线”位置，使得#1直流系统充电模块对Ⅰ段直流母线供电。
[0101] （2）#2直流系统充电模块与Ⅱ段母线连接的21ZK隔离开关合在“至Ⅱ段母线”位置，使得#2直流系统充电模块对Ⅱ段直流母线供电。
[0102] （3）I段母线与Ⅱ段母线之间的31ZK联络开关打至“断开”位置，Ⅰ段母线与Ⅱ段母线联络为断开状态，直流Ⅰ、Ⅱ段母线分列运行。
[0103] 在进行测试时，需要对待测试的直流系统充电模块进行隔离，又要保障配电系统运行稳定。故需要将待测试的直流系统充电模块退出运行，如做#1直流系统充电模块测试时，需要将I段母线与Ⅱ段母线之间的31ZK联络开关合上，#2直流系统充电模块供全站直流负荷运行，#1直流系统充电模块退出运行。
[0104] 在一个具体实施例中，步骤101，具体包括：
[0105] 1011、对直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境分别替换为等效元件，其中，直流系统充电模块的电路参数包括充电机、开关器件和蓄电池，将外界环境等效为热敏电阻，将负载等效为负载电阻，将充电机等效为直流源，将蓄电池等效为并联连接的电容和等效电阻，将开关器件等效为晶体管。
[0106] 需要说明的是，由于直流系统充电模块的电路参数包括充电机、开关器件和蓄电池，开关器件包括充电模块内部的控制开关，如断路器等，由于晶体管具有很好的热效应，也具有导通和断开以及单向流通的效果，故将开关器件等效为晶体管，晶体管可以采用二极管或三极管。同时，由于外界环境易受到温度影响，故将外界环境等效为热敏电阻，使其通过温度来确定电阻值，并利用热敏电阻来动态计算充电功率损耗。同时，由于蓄电池具有电容效果且会产生阻抗，故将蓄电池等效为并联连接的电容和等效电阻，其中，等效电阻由蓄电池的参考阻抗值计算获得。
[0107] 1012、将直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境分别对应的等效元件进行串并联，构建充电模块热路等效模型，如图3所示，图3示意了充电模块热路等效模型的电路示意图，其中，充电模块热路等效模型包括直流源P、热敏电阻Rm、晶体管d、电容C、等效电阻Rz、负载开关k和负载电阻R，直流源P、等效电阻Rz和电容C并联连接，直流源P与等效电阻Rz之间的回路上连接有热敏电阻Rm，等效电阻Rz与电容C之间的回路上连接有晶体管d，负载电阻R通过负载开关k与电容C并联连接。
[0108] 在一个具体实施例中，步骤102具体包括：
[0109] 1021、通过多阶跃电流函数确定多阶跃电流为：
[0110] ；
[0111] 式中，Ia为多阶跃电流值，Ie为额定充电电流，t为充电时刻，tw为电容充满电所需时间；
[0112] 需要说明的是，对直流系统充电模块进行充电过程中，起始充电电流为0，随着充电时间的推移，充电电流可以以额定充电电流进行充电，其保持恒流充电，当达到充电饱和时，在正常运行下，会对直流系统充电模块进行浮充，而浮充时，其充电电流会相对有所下降，故本实施例采用多阶跃电流函数来描述充电电流以对充电模块热路等效模型进行激励。
[0113] 1022、对充电模块热路等效模型进行网格划分，设置边界条件，并以多阶跃电流为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型中的直流源，通过多阶跃电流模拟直流系统充电模块的恒流充电过程和浮充充电过程两种工况。
[0114] 需要说明的是，对充电模块热路等效模型进行网格划分后，可以得到电路中各个元件的位置信息，并设置边界条件，边界条件包括对流换热方式为有限空间自然对流传热，并设置对流换热边界。
[0115] 1023、通过对恒流充电过程和浮充充电过程分别对应的充电模块热路等效模型进行温度场分析，得到不同工况下的电路温度场分布，电路温度场分布用于获得流经各个等效元件的温度。
[0116] 在一个具体实施例中，步骤103，具体包括：
[0117] 1031、基于最小二乘法对外界环境历史温度与其对应的热敏电阻的历史电阻值进行非线性拟合，得到外界环境温度与热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系。
[0118] 需要说明的是，预先获得外界环境历史温度以及其对应的热敏电阻的历史电阻值，通过最小二乘法对外界环境历史温度与热敏电阻的历史电阻值进行非线性拟合，从而获得外界环境温度与热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系。
[0119] 1032、通过电路温度场分布获取热敏电阻的当前温度，基于外界环境温度与热敏电阻的电阻值之间的非线性拟合关系，根据热敏电阻的当前温度获得热敏电阻的当前电阻值。
[0120] 可以理解的是，将热敏电阻的当前温度代入到非线性拟合关系式中，则容易获得热敏电阻的当前电阻值，其也反映了外界环境温度变化。
[0121] 1033、根据充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布确定不同工况下分别对应的晶体管的温度，根据不同工况下分别对应的晶体管的温度的比对结果确定晶体管的最高温度以及其对应的工况，将晶体管的最高温度作为晶体管的最高结温。
[0122] 其中，结温是处于晶体管的最高温度。它通常高于外壳温度和器件表面温度。结温可以衡量从晶体管到晶体管外壳间的散热所需时间以及热阻。而通过对充电过程的两个不同工况下分别对应的晶体管的温度进行比对，得到晶体管的最高温度可以作为晶体管的最高结温。
[0123] 1034、根据多阶跃电流通过下式函数关系计算晶体管的瞬态热阻为：
[0124] ；
[0125] 式中，Rp为瞬态热阻， 为温升， =Td‑Ts，Td为晶体管的最高结温，Ts为晶体管的额定工作环境温度，Ud为直流源两端的电压值， 为晶体管的最高结温对应的阶跃电流，Rm为热敏电阻的当前电阻值；
[0126] 其中，晶体管的额定工作环境温度为室温温度，25℃。直流源两端的电压值可以为量测值。
[0127] 需要说明的是，由于热敏电阻也会损耗一定电压，故在求取晶体管的瞬态热阻时，需要利用直流源两端的电压值剔除热敏电阻的电压值。
[0128] 1035、根据晶体管的最高结温和瞬态热阻通过下式计算晶体管的功率损耗为：
[0129] ；
[0130] 式中，Pd为晶体管的功率损耗；
[0131] 其中，晶体管的功率损耗包括导通损耗和开关损耗。
[0132] 1036、根据晶体管的最高温度对应的阶跃电流通过下式计算热敏电阻的功率损耗为：
[0133] ；
[0134] 式中，Pm为热敏电阻的功率损耗；
[0135] 1037、通过晶体管的功率损耗和热敏电阻的功率损耗进行加和处理，得到直流系统充电模块的最大充电功率损耗。
[0136] 在一个具体实施例中，步骤105，具体包括：
[0137] 1051、将充电模块热路等效模型中的负载开关进行合闸，通过处于浮充充电下的电容向负载电阻进行放电。
[0138] 1052、获取电容在放电过程中产生的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，频域信息包括各个频率以及每个频率对应的谐波电流。
[0139] 1053、以一个完整的放电周期作为单位滑动窗口对谐波电流的频域信息进行划分，从而得到多个放电周期对应的谐波电流，通过下式计算直流系统充电模块的放电功率损耗为：
[0140] ；
[0141] 式中， 为直流系统充电模块的功率损耗， 为放电周期的个数，为第 个放电周期， 为第 个放电周期的平均谐波电流， 为等效电阻的电阻值。
[0142] 其中，一个完整的放电周期为放电频率的倒数。放电周期的平均谐波电流是为放电周期的所有谐波电流的和与总频率之间的比值。
[0143] 在一个具体实施例中，步骤106具体包括：
[0144] 1061、通过直流系统充电模块的输出功率和放电功率损耗进行作差处理，得到直流系统充电模块的有效输出功率。
[0145] 1062、根据直流系统充电模块的有效输出功率与额定有功功率的比值计算直流系统充电模块的输出功率因数。
[0146] 可以理解的是，本实施例是通过求取直流系统充电模块的有效输出功率，利用直流系统充电模块的有效输出功率与额定有功功率（也即额定总输出功率）进行比值计算，得到输出功率因数，从而提高输出功率因数的计算精度。
[0147] 在一个具体实施例中，步骤106之后，还包括：
[0148] 107、判断输出功率因数是否小于预设的输出功率因数阈值，若判断输出功率因数小于预设的输出功率因数阈值时，则执行下一步。
[0149] 需要说明的是，若判断输出功率因数小于预设的输出功率因数阈值时，则说明其功率损耗较高，需要对功率损耗进行优化，若判断输出功率因数不小于预设的输出功率因数阈值时，则说明功率损耗较低，维持正常运行。
[0150] 108、设置直流系统充电模块的充电电流和外界环境温度为决策变量，以直流系统充电模块的最大充电功率损耗最小为目标，构建直流系统充电模块的充电优化模型，充电优化模型包括目标函数和约束条件。
[0151] 其中，充电优化模型的目标函数为：
[0152] ；
[0153] 式中，Ps为最大充电功率损耗， 为开关器件的功率损耗， 为外界环境的功率损耗；其中，
[0154] ；
[0155] ；
[0156] 式中，Is为充电电流， ，其中，Ta为外界环境温度，a、b、c均为拟合系数；
[0157] 其中， 是为前述步骤中利用最小二乘法对外界环境历史温度以及其对应的热敏电阻的历史电阻值进行非线性拟合来获得的。
[0158] 充电优化模型的约束条件包括：
[0159] 1）系统功率平衡约束为：
[0160] ；
[0161] 式中，Pc为输出功率，Py为额定有功功率；
[0162] 2）充电电流约束为：
[0163] ；
[0164] 式中，为充电电流下限，为充电电流上限；
[0165] 3）外界环境温度约束为：
[0166] ；
[0167] 式中， 为外界环境温度上限。
[0168] 109、对直流系统充电模块的充电优化模型进行求解，得到最优解，根据最优解确定直流系统充电模块的最优充电电流和最优外界环境温度。
[0169] 其中，对直流系统充电模块的充电优化模型进行求解的方式可以通过MATLAB中的CPLEX求解器进行求解。
[0170] 以上为本发明提供的一种直流系统充电模块输出功率因数测试方法的实施例的详细描述，以下为本发明提供的一种直流系统充电模块输出功率因数测试系统的实施例的详细描述。
[0171] 为了便于理解，请参阅图4，本发明还提供了一种直流系统充电模块输出功率因数测试系统，包括：
[0172] 热路建模模块100，用于根据直流系统充电模块的电路参数、负载以及外界环境对直流系统充电模块进行热路建模，构建充电模块热路等效模型；
[0173] 温度场计算模块200，用于以多阶跃电流为电流激励连续加载至充电模块热路等效模型并进行温度场分析，得到充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布；
[0174] 充电功率损耗计算模块300，用于根据充电模块热路等效模型中的不同工况下的电路温度场分布和多阶跃电流计算直流系统充电模块的最大充电功率损耗；
[0175] 输出总功率计算模块400，用于根据直流系统充电模块的额定有功功率与直流系统充电模块的最大充电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率；
[0176] 放电功率损耗计算模块500，用于通过充电模块热路等效模型对负载进行放电测试，获取直流系统充电模块的输出电流，通过快速傅里叶变换方法对输出电流分解出谐波电流以及其频域信息，根据谐波电流以及其频域信息计算直流系统充电模块的放电功率损耗；
[0177] 输出功率因数计算模块600，用于通过直流系统充电模块的额定有功功率、输出功率和放电功率损耗计算直流系统充电模块的输出功率因数。
[0178] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0179] 在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0180] 作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0181] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0182] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
