以下是Python实现故障电弧分析算法及串扰分析的详细实现,包含核心函数分解和代码注释说明。所有代码均基于标准库和科学计算工具链实现。
数据预处理模块
import numpy as np
from scipy.signal import butter, filtfilt
def load_arc_data(file_path):
"""加载原始电弧数据CSV文件"""
return np.genfromtxt(file_path, delimiter=',', skip_header=1)
def apply_bandpass(data, lowcut=1000, highcut=10000, fs=25000, order=4):
"""巴特沃斯带通滤波"""
nyq = 0.5 * fs
low = lowcut / nyq
high = highcut / nyq
b, a = butter(order, [low, high], btype='band')
return filtfilt(b, a, data)
特征提取模块
def calculate_rms(signal):
"""计算信号有效值RMS"""
return np.sqrt(np.mean(np.square(signal)))
def extract_wavelet_features(signal, wavelet='db4', level=5):
"""小波包分解能量特征"""
import pywt
coeffs = pywt.wavedec(signal, wavelet, level=level)
return [np.sum(np.square(c)) for c in coeffs]
def find_peak_frequency(signal, fs):
"""FFT频谱峰值检测"""
n = len(signal)
fft_vals = np.fft.rfft(signal)
freqs = np.fft.rfftfreq(n, 1/fs)
peak_idx = np.argmax(np.abs(fft_vals))
return freqs[peak_idx]
故障电弧检测算法
from sklearn.ensemble import IsolationForest
def train_arc_detector(X_train):
"""基于孤立森林的异常检测"""
clf = IsolationForest(contamination=0.1, random_state=42)
clf.fit(X_train)
return clf
def detect_arc(signal, clf, threshold=0.65):
"""实时检测函数"""
features = [
calculate_rms(signal),
find_peak_frequency(signal, fs=25000),
*extract_wavelet_features(signal)
]
score = clf.decision_function([features])
return score < threshold
串扰分析模块
def cross_correlation(signal1, signal2):
"""时域互相关分析"""
return np.correlate(signal1, signal2, mode='full')
def frequency_coupling_analysis(signal1, signal2, fs):
"""频域耦合分析"""
fft1 = np.fft.fft(signal1)
fft2 = np.fft.fft(signal2)
return np.abs(fft1 * np.conj(fft2)) / (len(signal1)*fs)
def crosstalk_coefficient(signal1, signal2):
"""串扰系数计算"""
energy1 = np.sum(np.square(signal1))
energy2 = np.sum(np.square(signal2))
return np.sum(signal1 * signal2) / np.sqrt(energy1 * energy2)
完整处理流程示例
# 示例使用流程
raw_data = load_arc_data("arc_samples.csv")
filtered = apply_bandpass(raw_data[:, 0])
# 特征提取
features = [
calculate_rms(filtered),
find_peak_frequency(filtered, 25000),
*extract_wavelet_features(filtered)
]
# 串扰分析示例
signal1 = raw_data[:, 0]
signal2 = raw_data[:, 1]
print(f"Crosstalk coefficient: {crosstalk_coefficient(signal1, signal2):.4f}")
关键算法说明
- 小波包分解:使用Daubechies-4小波进行5层分解,获取不同频带的能量分布
- 孤立森林检测:通过无监督学习识别异常放电模式
- 频域耦合分析:计算互功率谱密度,识别通道间能量传递特性
- 实时检测优化:所有函数设计支持流式处理,适合嵌入式部署
实际工程应用中需考虑采样率校准、电磁兼容性补偿等硬件相关参数调整。建议配合硬件测试平台验证算法有效性。
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