專利名稱：基于快速s變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法及分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)諧波時頻分析方法，尤其是涉及一種基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法背景技術(shù)
諧波是電能質(zhì)量問題的主要根源，其時頻特征參數(shù)的準(zhǔn)確分析是研究電網(wǎng)諧波問題的重要內(nèi)容，是諧波潮流計(jì)算、諧波電能計(jì)量、絕緣設(shè)備監(jiān)測、諧波補(bǔ)償與抑制的最關(guān)鍵依據(jù)，對確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。
現(xiàn)有諧波頻域分析方法主要是FFT及其改進(jìn)算法，但不能實(shí)現(xiàn)諧波時域、頻域參數(shù)的全面分析，無法滿足暫態(tài)或突變等特性的非平穩(wěn)信號諧波信號快速、準(zhǔn)確分析的要求。且，時域分析法主要是基于各種矢量變換(d_q變換、對稱分量變換等)和瞬時無功功率理論的參數(shù)估計(jì)方法，其信息量少，計(jì)算量大。
諧波時頻參數(shù)包括:各次諧波幅值、相位、起止時刻、持續(xù)時間等。目前現(xiàn)有的諧波時域、頻域聯(lián)合特征分析和估計(jì)方法有:
(1)短時傅里葉變換Dennis Gabor于1946年建立了短時傅里葉變換(ShortTime Fourier Transform, STFT), STFT算法簡單,在電網(wǎng)諧波譜分析、電壓暫降擾動檢測等方面取得了應(yīng)用。但存在不可克服的缺陷:①同一信號不同窗函數(shù)的STFT結(jié)果相差很遠(yuǎn)；②信號分析的時、頻分辨率在窗函數(shù)選定后無法改變，只能固定分辨率，無法兼顧高頻信息和低頻信息STFT的離散形式?jīng)]有正交展開，很難實(shí)現(xiàn)高效算法。
(2)小波變換(Wavelet Transform, WT)是具有多分辨率特性的時頻局部化分析方法。優(yōu)勢在于:①可以對信號的任意細(xì)節(jié)聚焦，適合處理突變信號②根據(jù)頻帶進(jìn)行信息處理，結(jié)果較為穩(wěn)定可靠。但仍存在諸多局限:①頻域分辨率粗糙，可能導(dǎo)致各頻帶間嚴(yán)重的頻率混疊；②引入尺度因子后，其結(jié)果仍不是真正意義上的時頻譜；③只能定性分析而不能準(zhǔn)確檢測信號的幅值與諧波分量；④小波基函數(shù)無統(tǒng)一選擇方法，分析結(jié)果受小波基函數(shù)的影響較大；⑤算法復(fù)雜，不適合嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
(3) S變換:1996年，Stockwell等人將連續(xù)WT和STFT結(jié)合，提出了 S變換時頻分析方法，將一維時間信號變成二維包含局部時頻譜性質(zhì)的時間-頻率譜。S變換利用Gauss窗的高度與頻率成正比、寬度隨頻率的增大而變小的特點(diǎn)，克服了 STFT窗固定的缺陷，可獲得某一時刻的頻率信息和某一頻率點(diǎn)的信號幅值信息，實(shí)現(xiàn)動態(tài)信號的時頻特性分析。近年來，S變換備受重視，但處于發(fā)展中的S變換的不足也日漸顯現(xiàn)。其中，S變換及其改進(jìn)算法的時頻矩陣信息量非常大，計(jì)算繁瑣，難以嵌入式實(shí)現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種信息量
大，計(jì)算簡單，易嵌入式的基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法及分析儀。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，
本發(fā)明之基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法，包括以下步驟:
(I)低通濾波:將被測信號輸入電力系統(tǒng)分析儀內(nèi)，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換速率和諧波分析要求，確定被測信號進(jìn)行諧波分析的最高次數(shù)和低通數(shù)字濾波器的電阻電容取值，將被測信號低通濾波處理；
(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換:將步驟(I)低通濾波好的被測信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器高速模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
(3)快速S變換:將步驟(2)轉(zhuǎn)換好的被測數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理器內(nèi)，完成構(gòu)建離散多高斯窗，進(jìn)行快速S變換，進(jìn)行時頻諧波幅值、相角、起止、突變時刻參數(shù)分析；
得到諧波時頻特性參數(shù)結(jié)果。
進(jìn)一步，步驟(3)中，所述快速S變換的方法包括以下步驟:
(I) FFT運(yùn)算:將采樣好的被測數(shù)字信號x(t)通過FFT運(yùn)算求得到信號頻譜；
信號的連續(xù)S變換S( τ，f )定義如下
權(quán)利要求
1.基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)低通濾波:將被測信號輸入電力系統(tǒng)分析儀內(nèi)，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換速率和諧波分析要求，確定被測信號進(jìn)行諧波分析的最高次數(shù)和低通數(shù)字濾波器的電阻電容取值，將被測信號低通濾波處理； (2)模數(shù)轉(zhuǎn)換:將步驟(I)低通濾波好的被測信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器高速模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號; (3)快速S變換:將步驟(2)轉(zhuǎn)換好的被測數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理器內(nèi)，完成構(gòu)建離散多高斯窗，進(jìn)行快速S變換，進(jìn)行時頻諧波幅值、相角、起止、突變時刻參數(shù)分析； 得到諧波時頻特性參數(shù)結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟(3)中，所述快速S變換的方法包括以下步驟: (I)FFT運(yùn)算:將采樣好的被測數(shù)字信號x(t)通過FFT運(yùn)算求得到信號頻譜，信號的連續(xù)S變換S(t，f )定義如下
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟(2)中，所述特性頻率點(diǎn)的判斷方法: 特性頻率點(diǎn)需滿足以下兩個公式
4.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法的分析儀，包括電源模塊，所述電源模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器電連接，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別連有電壓測量信號變換電路和電流測量信號變換電路及數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器分別與復(fù)位模塊、調(diào)試JTAG接口、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器、FLASH和有源振晶電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)的分析儀，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司生產(chǎn)的ADS8364。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)的分析儀，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器采用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC6745，主要參數(shù)選擇如下: (1)采樣速率:8kHz； (2)電網(wǎng)基波頻率:50Hz波動； (3)FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)長度:N=2048。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)的分析儀，其特征在于，所述信號數(shù)據(jù)長度N是進(jìn)行一次快速S變換的數(shù)據(jù)長度，根據(jù)諧波檢測精度和計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行速度綜合考慮確定，由諧波次數(shù)h確定諧波分析采樣頻率fs， fs >2xhx50: 由采樣頻率和頻譜分辨率B確定采樣長度N，其具體公式為 N = V > fs ! /M 式中 y 為正整數(shù)，5〈y〈20)； 保證DSP計(jì)算時間小于一個工頻電壓周期，DSP計(jì)算時間為 t = qNxcycleFFT I Jcore ； (式中q為特征頻率點(diǎn)數(shù)，cycleFFT為DSP進(jìn)行一次FFT的時鐘周期，fcore為DSP內(nèi)核主頻)。
全文摘要
基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法及分析儀，本發(fā)明之基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法包括以下步驟(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換；(2)低通濾波；(3)快速S變換；得到諧波時頻特性參數(shù)結(jié)果；本發(fā)明還包括分析儀；本發(fā)明之基于快速S變換的諧波時頻特性參數(shù)估計(jì)方法，計(jì)算量少，效率高、實(shí)用性強(qiáng)；具有從復(fù)雜畸變信號中準(zhǔn)確提取諧波時頻特征參數(shù)的能力；本發(fā)明之分析儀，結(jié)構(gòu)簡單，布局合理。
文檔編號G01R23/16GK103245832SQ20131018136
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月16日
發(fā)明者滕召勝, 姚文軒, 唐求, 溫和, 高云鵬, 楊宇祥, 譚霞, 王康, 張海煥, 左培麗, 成達(dá), 李峰, 吳禹, 孟卓 申請人:湖南大學(xué)