CN104916418B - 电力变压器有源降噪系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力变压器有源降噪系统及工作方法，包括：传声器，传声器与前置功率放大器连接，前置功率放大器与数据采集卡的采集通道连接，数据采集卡的采集通道与控制单元连接，控制单元通过数据采集卡的输出通道连接后置功率放大器，后置功率放大器连接音箱；控制单元包括数据采集模块、数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块，自适应算法模块连接信号输出模块；数据分析模块的输出端连接显示屏。通过参考信号传声器采集到初级噪声，经过功率放大转换后将信号送到控制单元中，控制单元完成噪声信号的分析处理、存储以及产生控制信号，控制信号放大后驱动音箱发出次级噪声，实现有源降噪。

Description

电力变压器有源降噪系统及工作方法

技术领域

本发明涉及变压器噪声处理技术领域，尤其涉及一种电力变压器有源降噪系统及工作方法。

背景技术

变压器噪声是由本体结构设计、选型布局、安装、使用过程中，变压器本体及冷却系统产生的不规则、间歇、连续或随机引起的机械噪声及空气噪声总和。变压器所产生的噪声广泛影响住宅小区、商业中心、轻站、机场、厂矿、企业、医院、学校等场所。随着人们环境意识的提高和环保部门对各类噪声的限制，特别是由于城市的不断扩大和城区电网改造的需求，一些变电站有时就要建于商业区和居民区内，于是变压器噪声问题就变的十分突出了。变压器的噪声不但污染环境，危害人类身体健康，影响设备正常运行，而且与变电站的占地面积密切相关。有必要提供一种变压器降噪处理的系统，便能满足用户对噪声的要求，

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种电力变压器有源降噪系统及工作方法，利用数据采集模块采集初级噪声信号和误差信号，并完成A/D转换后给控制单元提供控制的数据来源，经过控制单元的自适应控制后由无源音箱发出，这样就将初级噪声信号进行了有效降低，减少了对环境的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

电力变压器有源降噪系统，包括：传声器，所述传声器与前置功率放大器连接，所述前置功率放大器与数据采集卡的采集通道连接，所述数据采集卡对数据进行A/D转换后传送给控制单元，所述控制单元的输出端通过数据采集卡的输出通道连接后置功率放大器，所述后置功率放大器的输出端连接音箱；

所述控制单元包括数据采集模块，所述数据采集模块的输入端口与所述数据采集卡连接，所述数据采集模块的输出端连接数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块，所述数据存储模块连接数据检索模块，所述数据检索模块连接数据分析模块，所述自适应算法模块连接信号输出模块，所述信号输出模块连接数据采集卡的输出通道；所述数据分析模块的输出端连接显示屏。

所述传声器包括采集初级声源的参考信号传声器和采集次级声源的误差信号传声器。

所述音箱为无源音箱。

所述前置功率放大器通过接有BNC连接器的电缆连接数据采集卡。

所述传声器为电容式传声器。

所述前置功率放大器的输出端还与声级校准器连接。

电力变压器有源降噪系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，传声器将采集的初级噪声信号和误差信号输送给前置功率放大器，前置功率放大器对信号进行放大；

步骤二，创建数据采集模块的虚拟通道，并设置其缓存大小和定时，设定采样频率，数据采集卡按设定的采样频率和定时将前置功率放大器传送来的电信号转换为数字信号，转换后的信号由数据采集模块的虚拟通道传送给数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块；

步骤三，数据分析模块将接收到的信号进行噪声水平分析，并对噪声进行频域分析和倍频程分析，将分析的结果由显示屏进行显示；

步骤四，数据存储模块首先判断是否存在data文件夹，否则会建立文件夹存储数据采集模块采集到的数据，以TDMS格式存储，用于后期对噪声的查询；数据采集模块作为生产者将数据写入队列，数据存储模块作为消费者从队列中读取数据，保证数据的准确性；

步骤五，数据检索模块用于对数据存储模块存储的数据进行检索，读取所需的数据送到数据分析模块进行分析，通过显示屏显示噪声信号和误差信号的时域波形，然后会对其进行快速傅立叶分析，得出信号的幅频特性；

步骤六，自适应算法模块根据数据采集模块采集到的初级噪声信号和误差信号进行自适应控制，并产生控制信号，控制信号由信号输出模块和数据采集卡的输出通道传递给后置功率放大器，控制信号被放大后驱动音箱发出次级噪声，实现有源降噪。

初级噪声信号和误差信号的输入范围设为±10V。

采样频率设定为10kHz。

噪声水平利用声压级SPL来描述噪声的强度，其中p_e为待测声压有效值；p_ref为参考声压，取2×10^-5Pa。

本发明的有益效果是：

本发明通过参考信号传声器采集到初级噪声，经过功率放大和A/D转换后将信号送到控制单元中，控制单元完成噪声信号的分析处理、数据存储以及产生控制信号，将控制信号通过数据采集卡进行D/A转换和放大后由音箱输出，并且反馈给控制单元，这样通过反馈控制得到次级噪声，达到很好地有源降噪效果。通过误差信号传声器能够采集音箱产生的次级声源，声级校准器能够对系统的灵敏性进行校准，提高了系统的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为控制单元组成结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，电力变压器有源降噪系统，包括：传声器，所述传声器与前置功率放大器连接，所述前置功率放大器与数据采集卡的采集通道连接，所述数据采集卡对数据进行A/D转换后传送给控制单元，所述控制单元的输出端通过数据采集卡的输出通道连接后置功率放大器，所述后置功率放大器的输出端连接音箱；所述控制单元连接显示屏；

所述控制单元包括数据采集模块，所述数据采集模块的输入端口与所述数据采集卡连接，所述数据采集模块的输出端连接数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块，所述数据存储模块连接数据检索模块，所述数据检索模块连接数据分析模块，所述自适应算法模块连接信号输出模块，所述信号输出模块连接数据采集卡的输出通道；所述数据分析模块的输出端连接显示屏。

所述传声器包括采集初级声源的参考信号传声器和采集次级声源的误差信号传声器。

所述音箱为无源音箱。

所述前置功率放大器通过接有BNC连接器的电缆连接数据采集卡。

所述传声器为电容式传声器。

所述前置功率放大器的输出端还与声级校准器连接。

数据采集卡采用美国国家仪器公司生产的PCI-4461高性能动态信号采集卡，它具有两个24位的同步采样模拟通道，可作为初级信号和误差信号的输入，并可在高分辨率下提供高达204.8kS/s的采样率，能够准确反映电力变压器噪声信息。该采集卡还可以提供±10V的输出电压，作为前置放大器的工作电压。同时PCI-4461采集卡还具有两路模拟输出通道，可以作为次级信号的输出。

所述传声器为电容式传声器。所述传声器包括采集初级声源的参考信号传声器和采集次级声源的误差信号传声器。传声器是一种将声音物理量转换为电信号的敏感元件。本实施例中选用爱华仪器生产的AWA14423型测试电容传声器，它可以产生一个与声波成正比的交变电压信号。

所述音箱为无源音箱。采用CS-410型无源音箱，它的输入阻抗为8，输入功率为200W，输出频率范围40～18kHz，具有良好的低频特性，并且可以连续发出109dB的最大声音，完全满足了系统对次级声源的要求。

所述前置功率放大器通过接有BNC连接器的电缆连接数据采集卡。本实施例中前置功率放大器选用AWA14604型前置放大器该型前置放大器输入阻抗很大，可以保证电容传声器的准确度。具有频率响应范围大、工作温度范围宽的特点，通过螺纹可以方便地与测试电容传声器连接，且信号在电缆中衰减缓慢，适合在各类环境中使用。

前置功率放大器的输出端还与声级校准器连接。由于测试电容传声器在生产时会略有差异，且前置放大器的信号在传输时也会有一定的衰减，因此需要对其灵敏度进行校准。本实施例中使用AWA6221A型声级校准器对采集装置进行校准，校准时测试电容器会接收到一个声音信号，若在1000Hz处为94dB则校准成功。

后置功率放大器选用HS-8200KAⅡ型功率放大器，该功放可以带4或8的负载，分别有300W和200W的输出功率，且频率响应范围为20～20kHz，完全满足本系统的要求。

参考信号传声器与前置放大器可通过螺纹连接，须置于电力变压器之前。其采集的变压器噪声信号可通过BNC电缆传输给数据采集卡进行A/D转换。数据采集卡与控制单元相连，控制单元可置于中控室中，完成噪声信号的分析处理、数据存储以及产生控制信号等工作。控制信号经过数据采集卡D/A转换后送至信号输出系统，信号输出系统则可置于需要降噪的区域，根据控制信号发出次级噪声实现有源降噪。

电力变压器有源降噪系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，参考信号传声器采集到的初级噪声信号和误差信号传声器采集到的误差信号都输送给前置功率放大器，前置功率放大器对信号进行放大；

步骤二，创建数据采集模块的虚拟通道，并设置其缓存大小和定时，设定采样频率，数据采集卡按设定的采样频率和定时将前置功率放大器传送来的电信号转换为数字信号，转换后的信号由数据采集模块的虚拟通道传送给数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块；

步骤三，数据分析模块将接收到的信号进行噪声水平分析，并对噪声进行频域分析和倍频程分析，将分析的结果由显示屏进行显示；

步骤四，数据存储模块首先判断是否存在data文件夹，否则会建立文件夹存储数据采集模块采集到的数据，以TDMS文件格式存储，用于后期对噪声的查询；数据采集模块作为生产者将数据写入队列，数据存储模块作为消费者从队列中读取数据，保证数据的准确性；

步骤五，数据检索模块用于对数据存储模块存储的数据进行检索，读取所需的数据送到数据分析模块进行分析，通过显示屏显示噪声信号和误差信号的时域波形，然后会对其进行快速傅立叶分析，得出信号的幅频特性；

步骤六，自适应算法模块根据数据采集模块采集到的初级噪声信号和误差信号进行自适应控制，并产生控制信号，控制信号由信号输出模块和数据采集卡的输出通道传递给后置功率放大器，控制信号被放大后驱动音箱发出次级噪声，实现有源降噪。

数据采集模块为整个系统提供数据，负责控制单元与底层仪器的通信功能，在整个智能化降噪系统中起着不可或缺的作用。该模块的主要作用是利用数据采集卡，按照预先设定的采样率将电容传声器的电信号转换为数字信号，采集到控制单元内，作为后续处理的原始信号。根据智能化降噪系统的要求，本系统将测量初级噪声信号和误差信号。

首先需要对数据采集卡初始化，设定两路输入的范围设为±10V，连接方式为伪差分方式，由于本系统主要针对变压器噪声中的低频噪声进行降噪，根据采样定理，采样频率至少设为1kHz，但为了更好的还原噪声特点，本实施例中采样频率设定为10kHz。完成对数据采集卡的初始化后，则要创建虚拟通道，并设置其缓存大小和定时，然后开始采集任务，从虚拟通道中读取采集到的信号。

当控制单元根据初级信号和误差信号的变化得出次级信号后，须由信号输出模块将次级信号发送给数据采集卡，进而通过后置功率放大器和音箱发出次级噪声。因此该模块同数据采集模块一样负责控制单元与底层仪器之间的通信。

由于信号输出模块负责与底层仪器的通信，因此在运行时也需要对数据采集卡初始化，选择模拟输出通道，同时设置输出信号模式和采样率。完成对数据采集卡的初始化后，同样需要创建虚拟通道，然后将待输出的信号写入虚拟通道。

数据分析模块中，为了能够直观的了解电力变压器的噪声，利用声压级(SPL)来描述噪声强度，单位为分贝，其定义为：

$SPL=20\lg \frac{p_e}{p_{ref}}$

式中，p_e—待测声压有效值；

p_ref—参考声压，一般取2×10^-5Pa。

通过数据分析模块和显示屏不仅能直观的显示电力变压器的整体噪声水平，而且能够实现对噪声进行频域分析和倍频程分析的功能。

通过频域分析可以清晰地观察初级噪声各频率的幅值水平，直观地显示了系统在主要频率的降噪效果，并可以以表格的形式显示主要噪声频率的峰值。但是在实际工程中，一般不需要知道噪声能量在每一个频率上的详细分布，因此工程上将连续的频率范围划分为若干频带，分析不同频带的能量分布。每一个频带为一个频程，并具有恒定的带宽比，这就是倍频程(Octave,OCT)分析。

数据存储模块是完成初级噪声信号和误差信号的存储功能，方便后期对噪声的查询。将数据存为TDMS格式。由于TDMS文件格式是基于二进制格式开发的，它保有了二进制格式的数值精度和存储速度，但是又在二进制数据的共享方面进行了改进，能更加方便的对该格式文件进行读取和共享，因此选取TDMS格式文件作为存储文件。

当数据存储模块运行时，首先会判断D盘是否存在data文件夹，否则会建立文件夹存储采集数据。然后在其中建立一个以“年-月-日”为名称的文件夹，存储当日采集的数据，每小时的数据存储为一个文件，并以整点命名，这样就能方便地按照时间来查询历史数据。数据采集模块和数据存储模块需要同时完成，因此需要采用一种并行的机制来实现两者同时运行。本实施例中采用“生产者-消费者”方式，数据采集模块作为生产者将数据写入队列，而数据存储模块作为消费者从队列中读取数据，该种方式可以保证数据的准确性。

历史数据检索模块主要是对存入数据存储模块的数据进行实时查询，并可以分析历史数据的幅频特性，方便了数据的离线分析。

历史数据检索的过程是当运行后，会提示选择检索数据的路径，然后程序根据路径读取文件，并显示噪声信号和误差信号的时域波形，然后会对其进行快速傅立叶分析，得出信号的幅频特性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.电力变压器有源降噪系统的工作方法，电力变压器有源降噪系统，包括：传声器，所述传声器与前置功率放大器连接，所述前置功率放大器与数据采集卡的采集通道连接，所述数据采集卡对数据进行A/D转换后传送给控制单元，所述控制单元的输出端通过数据采集卡的输出通道连接后置功率放大器，所述后置功率放大器的输出端连接音箱；所述控制单元连接显示屏；

所述控制单元包括数据采集模块，所述数据采集模块的输入端口与所述数据采集卡连接，所述数据采集模块的输出端连接数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块，所述数据存储模块连接数据检索模块，所述数据检索模块连接数据分析模块，所述自适应算法模块连接信号输出模块，所述信号输出模块连接数据采集卡的输出通道；所述数据分析模块的输出端连接显示屏；其特征是，工作方法包括以下步骤：

步骤一，传声器将采集的初级噪声信号和误差信号输送给前置功率放大器，前置功率放大器对信号进行放大；

步骤二，创建数据采集模块的虚拟通道，并设置其缓存大小和定时，设定采样频率，数据采集卡按设定的采样频率和定时将前置功率放大器传送来的电信号转换为数字信号，转换后的信号由数据采集模块的虚拟通道传送给数据存储模块、数据分析模块和自适应算法模块；

步骤三，数据分析模块将接收到的信号进行噪声水平分析，并对噪声进行频域分析和倍频程分析，将分析的结果由显示屏进行显示；

步骤四，数据存储模块首先判断是否存在data文件夹，否则会建立文件夹存储数据采集模块采集到的数据，以TDMS格式存储，用于后期对噪声的查询；数据采集模块作为生产者将数据写入队列，数据存储模块作为消费者从队列中读取数据，保证数据的准确性；

步骤五，数据检索模块用于对数据存储模块存储的数据进行检索，读取所需的数据送到数据分析模块进行分析，通过显示屏显示噪声信号和误差信号的时域波形，然后会对其进行快速傅立叶分析，得出信号的幅频特性；

步骤六，自适应算法模块根据数据采集模块采集到的初级噪声信号和误差信号进行自适应控制，并产生控制信号，控制信号由信号输出模块和数据采集卡的输出通道传递给后置功率放大器，控制信号被放大后驱动音箱发出次级噪声，实现有源降噪。

2.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，初级噪声信号和误差信号的输入范围设为±10V。

3.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，采样频率设定为10kHz。

4.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，噪声水平利用声压级SPL来描述噪声的强度，其中p_e为待测声压有效值；p_ref为参考声压，取2×10^-5Pa。

5.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，所述传声器包括采集初级声源的参考信号传声器和采集次级声源的误差信号传声器。

6.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，所述音箱为无源音箱。

7.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，所述前置功率放大器通过接有BNC连接器的电缆连接数据采集卡。

8.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，所述传声器为电容式传声器。

9.如权利要求1所述的电力变压器有源降噪系统的工作方法，其特征是，所述前置功率放大器的输出端还与声级校准器连接。