一种基于EMD-Taylor窗函数的电缆缺陷定位方法及装置与流程

本发明涉及电力电缆状态检测与绝缘诊断，具体涉及基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法及装置。

背景技术：

1、地埋电缆作为城市配电网的关键基础设施，其运行状态直接关系到整个电网的安全稳定。然而，在电缆制造、敷设及长期运行过程中，不可避免地会受到电场强度与环境应力的耦合作用，导致绝缘层出现老化、破损或受潮等微小物理劣化。这些劣化在电缆内部会演变为局部阻抗不连续的缺陷点。若此类早期微弱缺陷未能得到及时定位和检修，在运行电压的持续作用下极易诱发局部放电或树枝化击穿，最终酿成永久性断线或短路故障。因此，实现电缆早期微弱缺陷的精准定位，是配电网由“故障后检修”向“主动状态运维”转型的核心需求。

2、目前，针对电缆局部缺陷的定位技术主要包括时域反射法（tdr）和频域反射法（fdr）。时域反射法利用窄脉冲的反射时延来定位缺陷，但受限于信号在长距离传输中衰减快、对采样频率要求极高以及对微小阻抗变化极不敏感等缺陷。为了提升性能，频域反射法（fdr）通过注入宽带扫频信号并获取首端反射系数谱，成为当前的研究热点。然而，传统的fdr方法对反射系数谱进行傅里叶变换（fft）时，由于对非整周期信号进行有限时长截断，在周期延拓过程中会产生严重的频谱能量泄漏。这导致微弱缺陷特征的主瓣易被两端强反射信号或高频噪声的旁瓣所干扰甚至完全淹没，显著降低了缺陷识别的灵敏度与定位精度。为抑制频谱泄漏，目前普遍采用加窗傅里叶变换。然而，传统的kaiser窗在主瓣宽度与旁瓣抑制之间存在严重的性能权衡，难以兼顾分辨率与灵敏度；而dolph-chebyshev窗的旁瓣呈等波动分布而非单调衰减，在复杂现场背景噪声干扰下易诱发伪峰和定位误差。此外，现场采集的反射系数谱通常伴随端部强反射干扰以及随机背景噪声，传统小波去噪等方法极度依赖人工对小波基的选择，缺乏自适应性，容易造成微弱缺陷信号细节的丢失。

技术实现思路

1、本发明解决现有技术中由于端部强反射干扰、现场环境噪声以及傅里叶变换频谱泄漏导致的地埋电缆早期局部微弱缺陷定位精度低、微弱信号易被淹没的问题。

2、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，包括如下步骤：

3、步骤s1，获取待测电缆首端的反射系数谱信号，并提取所述反射系数谱信号的实部信号；

4、步骤s2，利用经验模态分解emd算法对实部信号进行自适应自顶向下分解，得到若干个本征模态函数imf分量以及残余分量；

5、步骤s3，根据预设的筛选指标识别并剔除高频噪声模态与端部强反射干扰模态，将剩余的有效imf分量进行叠加重构，获得重构后的缺陷反射特征信号；

6、步骤s4，对重构后的缺陷反射特征信号施加taylor窗函数进行加权处理，以抑制频谱泄漏并降低旁瓣电平；

7、步骤s5，对加窗处理后的信号进行快速傅里叶变换，得到高空间分辨率的定位图谱；

8、步骤s6，在定位图谱中识别显著特征峰值对应的等效频率成分，并根据电磁波传播速度以及电缆缺陷位置表达式，计算确定所述电缆的局部缺陷位置。

9、进一步，本发明一个实施例中，所述的步骤s1中，所述的反射系数谱信号的实部信号，具体为：

10、；

11、式中，为相位常数，为电磁波波速，在高频下,为负载阻抗,为特征阻抗，为电缆长度。

12、进一步，本发明一个实施例中，所述的步骤s2中，所述的利用经验模态分解emd算法对实部信号进行自适应自顶向下分解，具体为：

13、提取实部信号的所有局部极大值点和局部极小值点，分别利用三次样条插值拟合形成上包络线与下包络线；

14、；

15、计算上包络线与下包络线的平均曲线，并将原始实部信号减去所述平均曲线，通过筛选迭代直至满足本征模态函数条件，分离出第一阶imf分量；

16、；

17、将当前信号减去已分离出的imf分量作为新的残余信号，重复上述操作，直至残余信号呈单调趋势或满足预设终止条件，最终将原始实部信号分解为k个imf分量与一个残余分量的线性叠加；

18、。

19、进一步，本发明一个实施例中，所述的步骤s3中，所述的预设的筛选指标包括相关系数指标、峭度指标或能量熵指标中的至少一种；

20、通过计算各imf分量与原始实部信号的相关程度或冲击特性，自动滤除不包含缺陷反射特征的高频随机噪声分量和位于首端的强基波反射成分。

21、进一步，本发明一个实施例中，所述的步骤s4中，所述的taylor窗函数的空间域加权表达式为：

22、；

23、式中，为taylor窗函数中等幅电平旁瓣的数量，为窗函数的长度，为每个余弦分量的权重系数。

24、进一步，本发明一个实施例中，所述的步骤s6中，所述的根据电磁波传播速度以及电缆缺陷位置表达式计算确定局部缺陷位置，经过taylor窗函数处理后的反射系数谱可表示为：

25、；

26、通过fft变换后定位图谱横轴代表的等效时间或等效距离，提取缺陷特征峰值所对应的等效频率值；代入缺陷位置物理方程：

27、；

28、式中，为提取出的电缆反射系数实部，为缺陷的位置，为电缆的长度。

29、本发明所述的一种实现上述方法的基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位装置，包括：

30、信号采集模块，用于对待测电缆注入频域扫频信号，获取首端反射系数谱信号并提取其实部信号；

31、emd自适应分解模块，用于对实部信号进行经验模态分解，得到若干个imf分量；干扰滤除与信号重构模块，用于基于相关性或统计学指标识别并剔除噪声与端部强反射成分，对有效分量进行重构；

32、taylor窗加权模块，用于对重构信号施加taylor窗函数处理，抑制傅里叶变换的频谱泄漏；谱分析与定位模块，用于对加窗后信号执行fft变换并依据特征峰值和缺陷位置表达式确定故障或缺陷的精确位置。

33、本发明所述的一种电子设备，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以实现上述方法所述的基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法。

34、本发明所述的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述方法所述的基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法。

35、本发明解决现有技术中由于端部强反射干扰、现场环境噪声以及傅里叶变换频谱泄漏导致的地埋电缆早期局部微弱缺陷定位精度低、微弱信号易被淹没的问题。具体有益效果包括：

36、1、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，通过将自适应经验模态分解（emd）与具有优异旁瓣抑制特性的taylor窗函数相结合，构建了一种新型的频域反射定位处理架构。emd能够在无先验知识的前提下，自适应地将微弱缺陷特征与首尾端强反射波、随机高频噪声在不同尺度上进行分离，有效解决了传统滤波方法易丢失微弱缺陷细节的难题。随后引入的taylor窗函数，其旁瓣具有单调衰减且电平极低的独特物理特性，相比传统的kaiser窗或海明窗，能够在保持主瓣高分辨率的同时，将傅里叶变换的频谱泄漏压制到极低水平。两者的有机结合，消除了伪峰干扰，显著提升了定位图谱中弱信号的捕捉能力与能量集中度，实现了复杂现场噪声背景下地埋电缆单点及多点微弱缺陷的高精度精准定位；

37、2、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，通过结合emd-taylor算法，本发明能够从复杂的电缆传输函数实部信号中准确提取出与软故障相关的频率成分，并有效降低其他噪声的干扰，提高了电缆软故障的定位准确度。emd-taylor算法具有强大的信号处理能力，基于此，本发明方法适用于长距离电缆的故障检测，还能在复杂环境中稳定工作；

38、3、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，主要依赖于信号处理和频谱分析技术，无需复杂的硬件设备支持，降低了成本并简化了操作流程。在现场作业中，可以更加高效地进行电缆故障检测；

39、4、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，相较于传统的电缆故障定位技术，本发明无需大量的硬件设备投入，且维护成本较低。同时，由于操作简便，可以节省大量的人力成本和时间成本；

40、5、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，适用于电力电缆的软故障定位，还可以扩展到其他类型的电缆和传输线的故障检测中，提升了该方法的应用价值和市场潜力。

41、本发明所述的一种基于emd-taylor窗函数的电缆缺陷定位方法，具有定位准确度高、操作简便、适应性强、成本效益高以及应用范围广等优点，为电缆故障检测提供了一种新的有效手段，具有重要的实际应用价值。