专利名称：基于快速s变换的谐波时频特性参数估计方法及分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统谐波时频分析方法，尤其是涉及一种基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法背景技术
谐波是电能质量问题的主要根源，其时频特征参数的准确分析是研究电网谐波问题的重要内容，是谐波潮流计算、谐波电能计量、绝缘设备监测、谐波补偿与抑制的最关键依据，对确保电网安全、经济运行具有重要意义。
现有谐波频域分析方法主要是FFT及其改进算法，但不能实现谐波时域、频域参数的全面分析，无法满足暂态或突变等特性的非平稳信号谐波信号快速、准确分析的要求。且，时域分析法主要是基于各种矢量变换(d_q变换、对称分量变换等)和瞬时无功功率理论的参数估计方法，其信息量少，计算量大。
谐波时频参数包括:各次谐波幅值、相位、起止时刻、持续时间等。目前现有的谐波时域、频域联合特征分析和估计方法有:
(1)短时傅里叶变换Dennis Gabor于1946年建立了短时傅里叶变换(ShortTime Fourier Transform, STFT), STFT算法简单,在电网谐波谱分析、电压暂降扰动检测等方面取得了应用。但存在不可克服的缺陷:①同一信号不同窗函数的STFT结果相差很远；②信号分析的时、频分辨率在窗函数选定后无法改变，只能固定分辨率，无法兼顾高频信息和低频信息STFT的离散形式没有正交展开，很难实现高效算法。
(2)小波变换(Wavelet Transform, WT)是具有多分辨率特性的时频局部化分析方法。优势在于:①可以对信号的任意细节聚焦，适合处理突变信号②根据频带进行信息处理，结果较为稳定可靠。但仍存在诸多局限:①频域分辨率粗糙，可能导致各频带间严重的频率混叠；②引入尺度因子后，其结果仍不是真正意义上的时频谱；③只能定性分析而不能准确检测信号的幅值与谐波分量；④小波基函数无统一选择方法，分析结果受小波基函数的影响较大；⑤算法复杂，不适合嵌入式系统实现。
(3) S变换:1996年，Stockwell等人将连续WT和STFT结合，提出了 S变换时频分析方法，将一维时间信号变成二维包含局部时频谱性质的时间-频率谱。S变换利用Gauss窗的高度与频率成正比、宽度随频率的增大而变小的特点，克服了 STFT窗固定的缺陷，可获得某一时刻的频率信息和某一频率点的信号幅值信息，实现动态信号的时频特性分析。近年来，S变换备受重视，但处于发展中的S变换的不足也日渐显现。其中，S变换及其改进算法的时频矩阵信息量非常大，计算繁琐，难以嵌入式实现。发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种信息量
大，计算简单，易嵌入式的基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法及分析仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，
本发明之基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法，包括以下步骤:
(I)低通滤波:将被测信号输入电力系统分析仪内，根据模数转换速率和谐波分析要求，确定被测信号进行谐波分析的最高次数和低通数字滤波器的电阻电容取值，将被测信号低通滤波处理；
(2)模数转换:将步骤(I)低通滤波好的被测信号经模数转换器高速模数转换为数字信号；
(3)快速S变换:将步骤(2)转换好的被测数字信号送入数字信号处理器内，完成构建离散多高斯窗，进行快速S变换，进行时频谐波幅值、相角、起止、突变时刻参数分析；
得到谐波时频特性参数结果。
进一步，步骤(3)中，所述快速S变换的方法包括以下步骤:
(I) FFT运算:将采样好的被测数字信号x(t)通过FFT运算求得到信号频谱；
信号的连续S变换S( τ，f )定义如下
权利要求
1.基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)低通滤波:将被测信号输入电力系统分析仪内，根据模数转换速率和谐波分析要求，确定被测信号进行谐波分析的最高次数和低通数字滤波器的电阻电容取值，将被测信号低通滤波处理； (2)模数转换:将步骤(I)低通滤波好的被测信号经模数转换器高速模数转换为数字信号; (3)快速S变换:将步骤(2)转换好的被测数字信号送入数字信号处理器内，完成构建离散多高斯窗，进行快速S变换，进行时频谐波幅值、相角、起止、突变时刻参数分析； 得到谐波时频特性参数结果。
2.根据权利要求1所述的基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法，其特征在于，步骤(3)中，所述快速S变换的方法包括以下步骤: (I)FFT运算:将采样好的被测数字信号x(t)通过FFT运算求得到信号频谱，信号的连续S变换S(t，f )定义如下
3.根据权利要求2所述的基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述特性频率点的判断方法: 特性频率点需满足以下两个公式
4.实现权利要求1-3任一项所述基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法的分析仪，包括电源模块，所述电源模块分别与模数转换器和数字信号处理器电连接，其特征在于，所述模数转换器分别连有电压测量信号变换电路和电流测量信号变换电路及数字信号处理器，所述数字信号处理器分别与复位模块、调试JTAG接口、同步动态随机存储器、FLASH和有源振晶电连接。
5.根据权利要求4所述的基于快速S变换的谐波时频特性参数估计的分析仪，其特征在于，所述模数转换器采用TI公司生产的ADS8364。
6.根据权利要求4所述的基于快速S变换的谐波时频特性参数估计的分析仪，其特征在于，所述数字信号处理器采用TI公司生产的TMS320VC6745，主要参数选择如下: (1)采样速率:8kHz； (2)电网基波频率:50Hz波动； (3)FFT运算数据长度:N=2048。
7.根据权利要求4所述的基于快速S变换的谐波时频特性参数估计的分析仪，其特征在于，所述信号数据长度N是进行一次快速S变换的数据长度，根据谐波检测精度和计算机或嵌入式系统设备的运行速度综合考虑确定，由谐波次数h确定谐波分析采样频率fs， fs >2xhx50: 由采样频率和频谱分辨率B确定采样长度N，其具体公式为 N = V > fs ! /M 式中 y 为正整数，5〈y〈20)； 保证DSP计算时间小于一个工频电压周期，DSP计算时间为 t = qNxcycleFFT I Jcore ； (式中q为特征频率点数，cycleFFT为DSP进行一次FFT的时钟周期，fcore为DSP内核主频)。
全文摘要
基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法及分析仪，本发明之基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法包括以下步骤(1)模数转换；(2)低通滤波；(3)快速S变换；得到谐波时频特性参数结果；本发明还包括分析仪；本发明之基于快速S变换的谐波时频特性参数估计方法，计算量少，效率高、实用性强；具有从复杂畸变信号中准确提取谐波时频特征参数的能力；本发明之分析仪，结构简单，布局合理。
文档编号G01R23/16GK103245832SQ20131018136
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月16日 优先权日2013年5月16日
发明者滕召胜, 姚文轩, 唐求, 温和, 高云鹏, 杨宇祥, 谭霞, 王康, 张海焕, 左培丽, 成达, 李峰, 吴禹, 孟卓 申请人:湖南大学