變壓器噪聲有源控制技術(shù)新方法研究

陳濤濤，華曉珠，陸 金

(江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇宿遷223800)

伴隨著電力事業(yè)的發(fā)展，大型變壓器的應(yīng)用越來越廣泛。同時，變壓器的噪聲污染也成為人們關(guān)注的焦點，變壓器運行產(chǎn)生的低頻噪聲具有穿透能力強、傳播距離遠等特點，對周邊居民的生理和心理產(chǎn)生很大影響，控制變壓器噪聲成為當務(wù)之急[1]。傳統(tǒng)的被動噪聲控制方式主要對中高頻噪聲有效，而對控制像變壓器那樣的低頻噪聲效果不大，因此采用有源噪聲控制技術(shù)抑制變壓器噪聲成為人們關(guān)注的熱點。另外，由于變壓器所輻射的低頻噪聲具有明顯的離散線譜特性，也決定了非常適合開展有源噪聲控制技術(shù)[2]。

國外很早就有學者對變壓器噪聲進行有源控制的研究，文獻[3-10]的研究證實了用聲源或力源進行變壓器噪聲有源控制的可行性，同時也驗證了各種不同控制算法的性能。文獻[5]針對某小型變壓器設(shè)計出一種連續(xù)型分布式參數(shù)彎曲板聲源進行局部空間噪聲控制,通過實驗驗證取得了較好的降噪效果。文獻[6]提出一種新的近場誤差傳感策略，并設(shè)計出相應(yīng)的算法，針對某小型變壓器在實驗室取得了較好的效果。本文首先通過自適應(yīng)識別技術(shù)篩選出變壓器噪聲能量最大的幾個頻率分量，再結(jié)合波形合成算法進行變壓器噪聲數(shù)據(jù)處理。對大型變壓器實測數(shù)據(jù)的仿真分析表明，基于自適應(yīng)識別和改進波形合成算法的技術(shù)降低了計算量并提高了降噪效率。

1 變壓器有源降噪

1.1 傳統(tǒng)變壓器有源降噪方法和原理

所謂變壓器有源降噪，就是在變壓器近旁（通常離變壓器1m以內(nèi)）放置若干個噪聲發(fā)生器，使它們產(chǎn)生的噪聲分別與變壓器的基頻噪聲及二、三、四次高頻噪聲相互抵消，從而使變壓器的噪聲受到抑制和衰減。其基本工作原理：首先將變壓器的噪聲信號轉(zhuǎn)換為電訊號，并將電訊號調(diào)制放大以后用來激勵噪聲發(fā)生器，使各噪聲發(fā)生器發(fā)射出來的噪聲，其幅值分別與變壓器噪聲的基頻及二、三、四次高頻分量的幅值相等、相位相反，從而使變壓器的噪聲受到破壞性干擾，使其聲壓和聲功率明顯降低。

1.2 基于冒泡排序法的噪聲頻率分量辨識

傳統(tǒng)的變壓器噪聲有源控制都是針對特定頻率分量來實施降噪的，例如專門針對變壓器噪聲的基頻、二倍頻、三倍頻、四倍頻來產(chǎn)生對應(yīng)的有源信號。但是通過分析110 kV變壓器的噪聲實測數(shù)據(jù)，由于噪聲傳感器的布放位置和角度不同，接收到的噪聲信號中能量最大的頻率分量并不一定總是100Hz，200Hz，300Hz，有時會出現(xiàn)400Hz，500Hz的頻率分量能量大于200Hz，300Hz頻率分量的情況，即變壓器噪聲的能量頻帶分布并不是固定的。采用傳統(tǒng)的噪聲有源控制方法，僅對前 3 個頻率分量（100Hz，200Hz，300Hz）進行降噪處理，僅有局限意義，缺乏靈活性，變壓器降噪的效率相對較低。而通過自適應(yīng)辨識技術(shù)先自動篩選出能量最大的幾個頻率分量，然后再對這幾個頻率分量實施動態(tài)降噪，提高了變壓器噪聲控制的針對性，增強了降噪效果，同時可以減小不必要的軟硬件開銷[13]。頻率分量識別流程圖如圖1所示。某110 kV變電站變壓器噪聲時頻圖如圖2所示。

圖1 噪聲頻率分量辨識流程圖

圖2 某110 kV變電站變壓器噪聲時頻圖

按圖1流程計算得出頻率分量幅值由大到小依次為 100Hz，200Hz，600Hz，300Hz。 由此，若是只針對前3個頻率分量實施靜態(tài)降噪，則達不到最佳降噪效果。

1.3 基于波形合成算法的變壓器有源降噪

波形合成算法的單通道有源控制系統(tǒng)如圖3所示。初級聲源用sin（ωn+φ0）表示，其頻率和相位都是穩(wěn)定的，這點與變壓器噪聲的特征類似。P（Z）為初級傳輸路徑的傳遞函數(shù)，它在初級聲源p（n）和誤差傳感器之間，s（n）為在誤差傳感器處的實際控制信號，消噪路徑傳遞函數(shù)為 S（Z），v（n）表示其他附加噪聲，誤差信號是 p（n），s（n）及 v（n）之和。

圖3 波形合成算法原理示意圖

控制輸出信號y（n）由一個正弦發(fā)生器和一個余弦發(fā)生器產(chǎn)生：

正弦函數(shù)發(fā)生器和余弦函數(shù)發(fā)生器同時也用來產(chǎn)生誤差信號e（n）的正弦分量權(quán)重系數(shù)和余弦分量權(quán)重系數(shù)

式（2，3）中：N為一個周期或多個周期內(nèi)的采樣點數(shù)，設(shè)信號的頻率為f0，系統(tǒng)的采樣頻率為fs，則角頻率ω=

波形合成算法的成本估計函數(shù)是兩分量振幅的平方和的期望值，即控制其期望值最小即可達到最佳降噪效果：

利用正弦信號和余弦信號的正交性，誤差信號的正弦分量和余弦分量可以表示為：

這里使用和LMS算法相類似的梯度檢索法來降低成本函數(shù)，從而遞歸權(quán)重系數(shù)的更新方程式為：

式（7，8）中：μ 為收斂系數(shù)。

基于式（2）、式（3）中的 N 個采樣點數(shù)更新式（7）、式（8）式一次，因此該算法的計算量較小。由于變壓器噪聲信號相對平穩(wěn)，可以將特定水平下的擾動信號施加到控制輸出中，從而來獲取次級路徑傳輸函數(shù)。所加的擾動大小應(yīng)為誤差傳感器處初級諧波噪聲變化量的5倍以上或者初級諧波噪聲幅度的10%以上，以保證獲得較好的次級路徑傳遞函數(shù)的建模結(jié)果。對于多通道系統(tǒng)來說，如果將擾動信號ΔAcl施加到第l個控制輸出信號的正弦分量幅值中，那么第m個誤差信號的正弦分量和余弦分量的波動值可以通過下式得出：

此處δ1是系統(tǒng)自身變化引起的波動，它遠小于由ΔAcl產(chǎn)生的波動。從而可以通過下式得出消聲通道傳輸路徑中的矩陣元素：

為獲得CPTF矩陣的所有元素，擾動信號需要依次逐個地施加到控制輸出的信號中。當一個控制輸出被施加擾動分量后，在CPTF矩陣中從該控制輸出到所有的誤差輸入（M個）的元素都可以同時得到。總共需將2L個擾動分量施加到控制系統(tǒng)中來獲取得到完整的矩陣。對于一個控制K個頻率分量的多輸入輸出系統(tǒng)，將產(chǎn)生K個2M×2L階的CPTF矩陣。由于正弦信號的正交性，對不同頻率分量產(chǎn)生的CPTF矩陣可以并列估計，減少運算開銷。

2 次級通道估計與仿真

在變壓器有源噪聲控制中，次級通道問題是最基本最重要的問題。所謂次級通道問題，就是自適應(yīng)算法需要得到次級通道的準確模型 （從次級聲源到誤差傳感器之間的傳遞函數(shù)），用以更新波形合成算法中誤差信號正余弦分量的權(quán)值。在很多情況下，次級通道是時變的，當自適應(yīng)有源降噪系統(tǒng)工作時，為了使自適應(yīng)濾波器穩(wěn)定并收斂，我們需要對次級通道傳遞函數(shù)進行在線估計，基于擾動法對次級通道傳遞函數(shù)進行建模的波形合成算法則能很好的滿足這種需要。在計算機仿真中，通過命令生成一個從揚聲器到誤差傳感器且?guī)挿秶鸀?60～2000Hz的脈沖信號，濾波器長度為0.1 s，采樣頻率取10 kHz。次級通道傳遞函數(shù)的脈沖響應(yīng)估計如圖4所示。

圖4 次級通道脈沖響應(yīng)估計圖

僅僅根據(jù)原始信號，生成單一的次級聲源信號，滿足不了工程降噪的效果，必須采用自適應(yīng)跟蹤環(huán)節(jié)實時調(diào)節(jié)控制信號，本實驗采用基于擾動法的波形合成算法對經(jīng)過能量辨識的原始噪聲信號進行跟蹤，并通過matlab仿真分析其自適應(yīng)能力。通過波形合成算法對原始信號濾波的仿真分析圖如圖5所示，圖5（a）為原始信號；圖 5（b）為濾波器輸入信號；圖 5（c）為自適應(yīng)濾波器輸出信號。

圖5 自適應(yīng)濾波信號時域圖

考慮到實際工程中的傳輸線路、各種硬件設(shè)備、環(huán)境條件引起的誤差，本文在濾波器輸入信號中加入了白噪聲信號來模擬此誤差信號。由圖5可以看出，波形合成算法對原始信號有良好的追蹤能力，對控制信號有實時的調(diào)節(jié)能力。

3 有源降噪的實驗仿真分析

結(jié)合前述2種算法，對噪聲信號進行Matlab實驗仿真分析。首先對原始噪聲進行傅里葉變換，在此基礎(chǔ)上通過冒泡法自動識別出能量最大的5個頻率分量，然后利用波形合成算法合成控制信號（次級聲源信號），并采用自適應(yīng)濾波技術(shù)不斷調(diào)整誤差信號頻率分量，是其平方和的期望值最小，從而達到預期的降噪水準。實驗分析流程如圖6所示。

圖6 有源降噪實驗分析流程圖

本文對云南路110 kV變電站大型變壓器的噪聲數(shù)據(jù)進行了現(xiàn)場實測，并對其噪聲進行仿真分析。現(xiàn)場測量的變壓器噪聲數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7（a）是其時域波形圖，縱坐標為噪聲幅值，用電壓表示；圖7（b）是對原始噪聲進行FFT變換后得到的頻譜圖。

圖7 變壓器噪聲時域、頻域圖

從圖7可以看出，變壓器噪聲的能量主要集中在基頻50Hz的偶數(shù)倍頻率分量上，且變壓器噪聲為非突變量，其頻譜成分相對穩(wěn)定。因此，波形合成算法對變壓器這種確定的穩(wěn)定噪的控制是行之有效的。

采用冒泡法篩選出前N個能量最大的頻率分量，并用波形合成算法來構(gòu)建次級聲源，縱坐標為噪聲幅值，用電壓表示（隨著N的增大，相對應(yīng)的降噪效果越好，但考慮到實際系統(tǒng)的可行性，N的取值有待最優(yōu)化處理）。本文取N=5時，通過編程，自動篩選出能量最大的前 5 個頻率分量，依次是 100Hz，200Hz，500Hz，300 Hz，400Hz。 如圖 8所示。

圖8 控制（次級聲源）信號構(gòu)建圖

通過自適應(yīng)有源降噪系統(tǒng)控制器合成控制信號后，再通過可編程濾波并經(jīng)功率放大器放大后，與原始噪聲信號進行疊加，將產(chǎn)生降噪后的聲音信號。降噪后信號的時域和頻率譜圖如圖9所示。縱坐標為噪聲幅值，用電壓表示。

由頻域譜中可以看出，消噪后的聲音信號對應(yīng)的頻率分量得到有效抑制，降噪效果較為明顯。當N=6時，消噪前后幾個頻率分量的能量對比，縱坐標為噪聲幅值，用電壓表示。如圖10所示。

圖9 有源降噪后噪聲信號時頻譜圖

圖10 降噪前后噪聲頻率分量幅值對比圖

由圖10可知，對低頻的噪聲，如100 Hz，200Hz，300Hz，500Hz，自適應(yīng)消噪的效果較好。由于本文在變壓器噪聲頻率分量能量辨識中只取N=5（前5個能量最大頻率分量），故600Hz處無降噪效果。

4 結(jié)束語

針對變壓器噪聲控制問題，先通過冒泡法對變壓器噪聲的主要頻率分量進行能量辨識，篩選出能量最大的前5個頻率分量，然后針對這幾個頻率分量采用直接數(shù)字合成參考信號，僅需要拾取初級噪聲中的主要頻率分量分成，參考信號獲取簡單且針對性強。同時采用在線擾動建模方法，簡化了建模過程并保證了建模的正確性。基于自適應(yīng)能量辨識和波形合成算法結(jié)合的變壓器降噪方法，提高了降噪針對性，降低了數(shù)據(jù)存儲空間，減少了計算量，并能更好地將程序算法嵌入到硬件中，提高了降噪效率。因此該方法對變壓器噪聲有良好的控制效果。

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