基于LabVIEW的35kV變電站噪聲監測系統設計

摘 要：該文基于虛擬儀器工程平臺（LabVIEW）設計了35kV變電站噪聲監測系統。采用多個聲強和聲壓傳感器提取變電站噪聲信號，通過USB數據采集卡采樣后送入LabVIEW編寫的軟件進行處理。噪聲監測軟件具有實時聲功率、波形顯示、峰值計算、功率譜分析和歷史數據管理等功能。該系統具有簡單有效，能直觀顯示監測結果，且易于控制的優點。

關鍵詞：35kV變電站 噪聲 LabVIEW 聲強 聲壓

近年來，隨著我國人民生活水平的提高和居民用電負荷的快速增長，電力建設步伐也隨之加快。越來越多的變電站不可避免地建設在城鄉居民的生活區，站內設備產生的噪聲對居民生活的影響也備受關注。變電站內的噪聲主要為可聞中低頻噪聲，包括變壓器本體的電磁噪聲、冷卻風機的機械噪聲、設備運行中機械振動造成的振動噪聲和油冷系統液體流動力噪聲等[1]。如何對主變噪聲進行監測，并將監測信息反饋給變電站值守人員以進行噪聲控制，是電力運行人員十分關心的工作。

本文基于LabVIEW軟件平臺設計了35kV變電站噪聲監測系統軟件，實現了對安裝在變壓器上的多個聲壓、聲強傳感器信號的顯示和處理。軟件具有實時聲功率、波形顯示、峰值計算、功率譜分析和歷史數據管理等功能，可以在35kV變電站中進行應用。

1 硬件系統設計

為對35kV變電站內的主變實施噪聲監測，分別選取了聲強和聲壓探頭作為傳感器。由以上傳感器所獲得的模擬信號由高速數據采集卡進行采集，再經USB總線送入計算機中的噪聲分析軟件，完成自動采集、處理和結果顯示。硬件系統結構示意圖如圖1所示，主要部件包括聲強和聲壓探頭、高速采集卡和主機三部分。

圖1 硬件系統結構示意圖

在本系統中，分別在35kV變電站的主變周圍布置4個聲強探頭，在變電站內不同區域布置8個聲壓探頭。各傳感器獲取的信號均經同軸電纜傳輸至控制中心，并連接至數據采集卡。主機采用筆記本電腦，使監測系統具有便攜式和數據共享模式。

2 軟件系統設計

LabVIEW是NI公司開發的實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），可方便實現圖形化編程語言軟件開發[2]。本文開發的軟件系統即是基于LabVIEW開發的應用程序，通過有效利用LabVIEW強大的虛擬儀器開發功能，實現對變電站噪聲多點信號的采集，并計算噪聲信號的聲功率及其平均值、最大、最小值和噪聲的頻譜分析，便于用戶實時掌握變電站噪聲信息。所開發軟件的主界面如圖2所示。

該軟件的聲級計算采用了聲壓和聲強測量和計算原理。聲音在以波的形式傳播過程中，會對彈性介質造成機械擾動，聲壓就是指介質中某點因此產生的壓力變化，是一個瞬時值[3]。某段時間內該點的有效聲壓 為

（1）

其中T為時間間隔，p（t）為瞬時聲壓。聲壓級的計算公式為

（2）

單位dB。式中 為基準聲壓值，取 。

聲強是指在垂直于聲波傳播的方向上，在單位時間單位面積內通過的聲能，單位是 [4]。其表達式

（3）

式中u（t）表示質點運動速度， 表示介質密度，c表示聲音在該介質內的傳播速度。聲強級的表達式

（4）

單位dB。其中 為基準聲強，取 。

本軟件基于以上原理對由采集卡得到的數字信號進行計算分析，從而獲得聲壓和聲強值。另外，對噪聲級采用1/3倍頻程法[5]進行頻譜分析和顯示。1/3倍頻程譜分析是一種常用于聲學的測試分析方法，具有譜線少頻帶寬的優點。核心程序流程圖如圖3所示。

該軟件系統主要由以下模塊組成：

（1）數據實時顯示模塊。

如圖2所示，分別對主變壓器（4個聲強探頭）和變電站周圍區域（8個聲壓探頭）傳感器采集到的信息用波形圖實時顯示，設置游標方便查看波形上任一點的時間或幅值。右側的液罐控件可以直觀顯示當前的聲強級或聲壓級幅度。

圖3 變電站噪聲監測分析軟件主界面

圖3 1/3倍頻程分析程序流程圖

（2）數據分析模塊。

數據分析模塊主要分為主變或變電站周圍區域噪聲的時域信息和頻域信息分析模塊。

對于噪聲的時域信息，通過對4個聲強探頭和8個聲壓探頭傳輸數據的聲級計算分析，得到監測時間和當前噪聲級（dB）間的關系，則可以計算并顯示設定時間區間內的聲級平均值、最大值和最小值。本日記錄可以顯示當天的噪聲大小隨時間的變化趨勢，方便操作人員讀取或存儲噪聲信息。

對于噪聲的頻域信息，可根據采集到的時域特征，實施時頻域變換，從而顯示主變或變電站周邊噪聲的頻域信息，包括頻率上限、下限和中心頻率，且可對當前數據進行功率譜分析，為運行人員提供更加豐富的噪聲狀態信息。

圖4 數據實時顯示模塊

圖5 時域信息分析模塊

圖6 頻域信息分析模塊

（3）數據管理模塊。

為方便分析噪聲數據的歷史變化規律，本軟件設計了噪聲數據庫系統。數據庫結構如圖2中所示。“聲強 01”等分別代表各文件夾名，其中保存了歷史噪聲信號的時域、頻域和能量信息。“導出圖像”可保存當前實時波形和功率譜、本日記錄等圖片形式的信息。“Reports”內可保存操作人員人工填寫的備注等報告文件。本模塊支持打開、更改、刪除、新建、打印歷史數據報表的功能。為35kV變電站不同主變噪聲數據的橫向比對奠定基礎。

3 結語

為對35kV變電站進行噪聲監測和分析，本文基于LabVIEW軟件平臺開發了一套變電站噪聲監測系統。通過在35kV主變和變電站區域內安裝聲壓和聲強傳感器，實現噪聲信號的采集。采用USB高速數據采集卡對傳感器信號實時采集，并傳輸至主機，通過噪聲監測軟件實現對噪聲信號的實時聲級計算、頻譜分析和數據管理。該軟件具有操作界面友好，分析功能全面，速度快、可靠性高的特點，有助于變電站值守人員實時掌握站內噪聲信息。

參 考 文 獻

[1] 李永明， 王玉強， 徐祿文等. 變電站噪聲預測和仿真分析[J].電力建設， 2013， （7）.

[2] 王福明等. LabVIEW程序設計與虛擬儀器[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[3]李強. 基于虛擬儀器的聲強分析系統[D].吉林大學， 2007.

[4]呂佳珩， 呂銘剛， 武佩. 基于LabVIEW的聲強測量分析系統的研究[J]. 內蒙古農業大學學報：自然科學版， 2008， （2）.

[5]王東生. 分貝的由來和1/3倍頻程算法[J].橡塑資源利用， 2005， （5）.