CN106094654B - 一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有源噪声控制技术领域，具体涉及一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，包括初级传感器阵列、前置放大器Ⅰ、误差传感器阵列、前置放大器Ⅱ、功率放大器、工业控制计算机、PCI数据采集卡、PCI数据输出卡、可视化扰动观测控制模块和次级声源阵列；初级传感器阵列和误差传感器阵列分别经前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ与PCI数据采集卡连接，PCI数据采集卡经工业控制计算机连接PCI数据输出卡，PCI数据输出卡经功率放大器与次级声源阵列连接；工业控制计算机作为PCI数据采集卡、PCI数据输出卡及可视化扰动观测控制模块的载体。本发明能够通过扰动观测控制算法实时跟踪噪声信号，投入实际变电站实现有效降噪。

Description

一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统

技术领域

本发明属于有源噪声控制技术领域，尤其涉及一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，和用于有源噪声控制系统的可视化扰动观测控制方法。

背景技术

随着我国城市化规模的迅速扩张及居民用电需求的与日俱增，部分新建变电站和原处于近郊的配网变电站与居民生活区域相邻接，变压器噪声扰民问题日益凸显，其特有的低频噪声穿透及绕射能力强，传播距离远，长期处于低频噪声环境对人体健康不利。常规无源噪声控制方式对这类低频噪声治理效果不显著且投资巨大，同时在变电站中大面积加装隔音墙会给生产现场带来安全隐患。

有源噪声控制(Active Noise Control，ANC)技术为低频段噪声治理效果差的问题提供了有效的解决手段。ANC应用于声学降噪方面的基本思想是采用某种控制算法来跟踪待消除噪声信号，发出一个与待消噪声频率和幅值系统、相位相反的次级声，通过声波相消干涉原理达到降噪目的。

电力变压器噪声主要是由磁致伸缩效应导致铁芯振动产生的，其频率以100Hz为基频，200、300、400、500Hz为谐频，是典型的具有离散线谱特性的低频噪声。由于电力系统要求变压器长期安全稳定工作，其本体噪声具有平稳随机性，基频噪声及6次以下谐频噪声变化率一般小于0.4％，且70％以上的噪声能量集中在100至300Hz。

现有有源噪声控制技术主要有LMS及其改进算法，在应用于变压器噪声控制时，外界干扰噪声以及声反馈现象都会对算法造成严重影响，某些LMS的改进算法运算复杂程度高，无法有效解决算法时延问题；另一种现有应用于变压器有源噪声控制的信号合成算法，虽然能够避免声反馈现象对系统的不利影响，但是没有考虑到电源信号电压幅值与相关噪声声压级幅值的换算关系，且很难准确获取电流信号由磁致伸缩效应产生的铁芯振动经绝缘油至油箱壁再辐射至空气这一传播路径的传递函数，很难实际应用于变压器噪声控制。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

本发明的一个目的在于提供一种能够实际投入变电站环境的基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，实现对变压器噪声的实时跟踪及监测，实现良好的降噪效果。

本发明的另一个目的在于提出一种用于电力变压器有源噪声控制系统的可视化扰动观测控制方法，算法简单，时延小，跟踪能力强。

为实现上述目的，本发明第一方面的技术方案为一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，包括变电站和待降噪区域，所述变电站包括主控室、电力变压器和高压室；还包括初级传感器阵列、前置放大器Ⅰ、误差传感器阵列、前置放大器Ⅱ、功率放大器、工业控制计算机、PCI数据采集卡、PCI数据输出卡、可视化扰动观测控制模块和次级声源阵列；所述初级传感器阵列和误差传感器阵列分别经前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ与PCI数据采集卡连接，所述PCI数据采集卡经工业控制计算机连接PCI数据输出卡，所述PCI数据输出卡经功率放大器与次级声源阵列连接；所述工业控制计算机作为PCI数据采集卡、PCI数据输出卡及可视化扰动观测控制模块的载体，用于电力变压器本体噪声信号实时跟踪及处理，实现对所述电力变压器本体噪声及其特性的实时监测以及有源噪声控制系统的启停控制。

在基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统中，所述工业控制计算机和功率放大器置于所述高压室内；所述工业控制计算机采用上架式工业控制计算机；所述PCI数据采集卡和PCI数据输出卡分别插于所述工业控制计算机对应的PCI插槽；所述PCI数据采集卡通过输入端子板连接所述前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ；所述PCI数据输出卡通过输出端子板与所述功率放大器连接。

在基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统中，所述初级传感器阵列包括3个传声器，排列成相互间距1米的1×3阵列，置于所述电力变压器前0.1米处，用于采集电力变压器本体噪声信号。

在基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统中，所述误差传感器阵列包括3个传声器，排列成相互间距2米的1×3阵列，置于所述待降噪区域，用于采集降噪后残余噪声信号。

在基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统中，所述次级声源阵列包括9个扬声器，排列成相互间距0.5米的3×3阵列，置于所述电力变压器前1.5米处，用于发出经所述可视化扰动观测控制模块处理后的次级声信号。

在基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统中，所述待降噪区域为次级声源阵列正方向36°夹角的范围。

本发明第二方面的技术方案提出了一种用于电力变压器有源噪声控制系统的可视化扰动观测控制方法，包括以下步骤：

S1初级噪声频谱分析，将采集的电力变压器本体噪声信号进行低通滤波、FFT处理，提取100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量作为参考信号；

S2噪声信号显示，显示初级噪声时域及频谱图、残余噪声信号时域图；实时监测电力变压器噪声和降噪效果；

S3通过人机交互界面及参数设置，实时监测系统的运行、电力变压器噪声的变化及降噪效果并对系统进行启停操作；

S4调用扰动观测算法分别对步骤S1提取参考信号的幅值A_k.ref和相位进行扰动观测调整；所述扰动观测算法包括以下步骤：

S41对步骤S1提取的100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量参考信号的幅值A_k.ref和相位按某一方向加小扰动量μ_A、则有(A_k.pur(n-1)+μ_A)、

S42将当前时刻幅值及相位减去扰动量，得ΔA＝A_k.ref(n)-(A_k.pur(n-1)+μ_A)、根据ΔA、的大小变化情况来调整μ_A、以使，

朝小的方向变化；

S43设置误差限值和调整次数限值，返回达到限制条件时的幅值及相位，按照对所述三个噪声频率分量的次级噪声信号进行合成后输出；

S1、S2、S3、S4步骤中，A_k.ref和为参考信号的幅值和相位；

A_k.pur和为扰动后参考信号的幅值和相位；

k＝1、2、3，分别表示100Hz、200Hz、300Hz噪声分量；

f_s为采样频率，f_k为当前调整频率分量，P_mix(n)为n时刻合成声场噪声信号；

μ_A、分别表示幅值和相位扰动量。

本发明的目的还可以这样实现：一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，包括：初级传感器阵列、误差传感器阵列、前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ、功率放大器、工业控制计算机、PCI数据采集及输出卡、可视化扰动观测控制程序和次级声源阵列；初级传感器阵列和误差传感器阵列经前置放大器Ⅰ、Ⅱ再与PCI数据采集卡连接，用于采集变压器噪声及降噪后残余噪声；工业控制计算机作为PCI数据采集及输出卡及可视化扰动观测控制程序载体，用于实现扰动观测控制及噪声实时监测；PCI数据输出卡经功率放大器连接再与次级声源阵列连接，用于实现数据高速输入输出。其有益效果是，采用上架式工业控制计算机作为控制器，兼容各类PCI数据卡，控制程序维护及开发便利，且可与变电站其他二次设备共同放置于高压室，符合变电站安全生产要求。

有源噪声控制系统的可视化扰动观测控制程序，包括：初级噪声频谱分析模块、噪声信号显示模块、参数设置模块、扰动观测算法模块；初级噪声频谱分析模块，用于对初级传感器阵列采集噪声进行频谱分析，并提取100Hz、200Hz、300Hz信号分量幅值和相位特征作为参考信号；噪声信号显示模块，用于显示初级噪声时域及频谱图、残余噪声信号时域图。

其有益效果是，实现对变压器噪声信号实时跟踪及处理的同时，实现对变压器噪声及其特性的实时监测功能以及降噪系统的启停控制功能。

其扰动观测算法模块，包括以下步骤：

A、对已提取的100Hz、200Hz、300Hz参考噪声信号的幅值A_k.ref和相位按某一方向加小扰动量μ_A、

B、根据ΔA＝A_k.ref(n)-(A_k.pur(n-1)+μ_A)、的大小变化情况来调整μ_A、以使，

朝小的方向变化；

C、设置误差限值和调整次数限值，返回达到限制条件时的幅值及相位，按照对三个频率分量的次级噪声信号进行合成后输出。

其有益效果是，算法简单，时延小，跟踪能力强。

有源噪声控制系统的初级传感器阵列，包括：3个传声器，组成相互间距1米的1×3阵列，置于变压器前0.1米用于采集变压器本体噪声信号。

有源噪声控制系统的误差传感器阵列，包括：3个传声器，组成相互间距2米的1×3阵列，置于待降噪区域用于采集降噪后残余噪声信号。

有源噪声控制系统的次级声源阵列，包括9个扬声器，组成相互间距0.5米的3×3阵列，置于变压器前1.5米，用于发出经扰动观测控制器处理后次级声信号。

本发明的有益效果是：通过扰动观测控制算法实时跟踪噪声信号，投入实际变电站实现有效降噪；算法简单，时延小，跟踪能力强。满足变电站安全生产要求，良好的算法跟踪性能，有效保证了降噪效果。

附图说明

图1为本发明一个实施例电力变压器噪声有源控制系统示意图；

图2为本发明一个实施例控制系统流程图；

图3为本发明一个实施例幅值调整流程图；

图4为本发明一个实施例加装至变电站的平面示意图；

图5为本发明一个实施例测点分布示意图；

图6为本发明一个实施例纵向截面测点结果及分析图；

图7为本发明一个实施例近场截面测点结果及分析图；

图8为本发明一个实施例远场截面测点结果及分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，具体公开了本发明实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

本发明一个实施例提出的一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，包括变电站和待降噪区域，所述变电站包括主控室、电力变压器和高压室；还包括初级传感器阵列、前置放大器Ⅰ、误差传感器阵列、前置放大器Ⅱ、功率放大器、工业控制计算机、PCI数据采集卡、PCI数据输出卡、可视化扰动观测控制模块和次级声源阵列；所述初级传感器阵列和误差传感器阵列分别经前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ与PCI数据采集卡连接，所述PCI数据采集卡经工业控制计算机连接PCI数据输出卡，所述PCI数据输出卡经功率放大器与次级声源阵列连接；所述工业控制计算机作为PCI数据采集卡、PCI数据输出卡及可视化扰动观测控制模块的载体，用于电力变压器本体噪声信号实时跟踪及处理，实现对所述电力变压器本体噪声及其特性的实时监测以及有源噪声控制系统的启停控制。

进一步地，所述工业控制计算机和功率放大器置于所述高压室内；所述工业控制计算机采用上架式工业控制计算机；所述PCI数据采集卡和PCI数据输出卡分别插于所述工业控制计算机对应的PCI插槽；所述PCI数据采集卡通过输入端子板连接所述前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ；所述PCI数据输出卡通过输出端子板与所述功率放大器连接。

进一步地，所述初级传感器阵列包括3个传声器，排列成相互间距1米的1×3阵列，置于所述电力变压器前0.1米处，用于采集电力变压器本体噪声信号。

进一步地，所述误差传感器阵列包括3个传声器，排列成相互间距2米的1×3阵列，置于待降噪区域，用于采集降噪后残余噪声信号。

更进一步地，所述次级声源阵列包括9个扬声器，排列成相互间距0.5米的3×3阵列，置于所述电力变压器前1.5米处，用于发出经所述可视化扰动观测控制模块处理后的次级声信号。

更加进一步地，所述待降噪区域为次级声源阵列正方向36°夹角的范围。

本发明另一个实施例提出一种用于电力变压器有源噪声控制系统的可视化扰动观测控制方法，包括以下步骤：

S1初级噪声频谱分析，将采集的电力变压器本体噪声信号进行低通滤波、FFT处理，提取100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量作为参考信号；

S2噪声信号显示，显示初级噪声时域及频谱图、残余噪声信号时域图；实时监测电力变压器噪声和降噪效果；

S3通过人机交互界面及参数设置，实时监测系统的运行、电力变压器噪声的变化及降噪效果并对系统进行启停操作；

S4调用扰动观测算法分别对步骤S1提取参考信号的幅值A_k.ref和相位进行扰动观测调整；所述扰动观测算法包括以下步骤：

S41对步骤S1提取的100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量参考信号的幅值A_k.ref和相位按某一方向加小扰动量μ_A、则有(A_k.pur(n-1)+μ_A)、

S42将当前时刻幅值及相位减去扰动量，得ΔA＝A_k.ref(n)-(A_k.pur(n-1)+μ_A)、根据ΔA、的大小变化情况来调整μ_A、以使，

朝小的方向变化；

S43设置误差限值和调整次数限值，返回达到限制条件时的幅值及相位，按照对所述三个噪声频率分量的次级噪声信号进行合成后输出。

上述有源噪声控制系统是针对次级声源阵列正方向36°夹角范围的降噪区域而设计的。变压器噪声中，100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量占总噪声能量的70％以上，本实施例将三个噪声频率分量作为待消除目标，就能有效控制变压器噪声。如图1所示，将初级传感器阵列布放于变压器前0.1米处，经前置放大器Ⅰ与PCI数据采集卡连接，所采集变压器本体噪声信号经可视化扰动观测控制程序中初级噪声频谱分析模块进行低通滤波及FFT处理后，作为控制系统参考信号，同时经噪声显示模块实时监测变压器噪声。

误差传感器阵列布放于变电站待降噪区域站界处，经前置放大器Ⅱ与PCI数据采集卡连接，所采集降噪后残余噪声信号通过可视化扰动观测控制程序中噪声信号显示模块对降噪效果进行监测。

次级声源阵列布放于变压器前1.5米处，经功率放大器与PCI数据输出卡连接，用于输出经可视化扰动观测控制程序中扰动观测算法模块处理后的次级噪声信号，在空间声场与初级噪声发生相消干涉达到降噪目的。

工业控制计算机、功率放大器放置于高压室，PCI数据采集卡、PCI数据输出卡插于工业控制计算机PCI插槽，经输入端子板和输出端子板与外部设备连接。通过可视化扰动观测控制程序人机交互界面及参数设置模块，可实时监测系统运行情况、变压器噪声变化情况及系统降噪效果，并对系统进行启停操作。

如图2所示，为可视化扰动观测控制程序流程。初级噪声频谱分析模块对初级传感器阵列所采集的变压器本体噪声进行低通滤波、FFT处理，提取100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量作为参考信号；调用扰动观测算法模块分别对参考信号的幅值A_k.ref和相位进行扰动观测调整。

如图3所示，为本实施例扰动观测算法模块幅值调整流程图(相位调整流程与此相同)，对上一时刻输出信号的幅值及相位按某一方向加小扰动量μ_A、有：(A_k.pur(n-1)+μ_A)、将当前时刻幅值及相位减去扰动量，有：ΔA＝A_k.ref(n)-(A_k.pur(n-1)+μ_A)、根据ΔA、的大小变化情况来调整μ_A、以使：

朝小的方向变化；设置误差限值和调整次数限值，返回达到限制条件时的幅值及相位，按照对三个噪声频率分量的次级噪声信号进行合成后作为输出信号。

如图4所示，该图为在某地一个110kV变电站实际安装实施例平面示意图。如图5所示，该图为本发明实施例的降噪效果测点布置图。如图6所示，该图为纵向截面测点A-H0测量结果及分析图。如图7所示，该图为近场截面测点E0-E4测量结果及分析图。如图8所示，该图为远场截面测点H0至H4测量结果及结果分析图。

本实施例在次级声源阵列正方向36°夹角的范围的近场横截面内有均值为4.1dB的总降噪量。在次级声源阵列正方向36°夹角的范围的远场横截面内有均值为6.1dB的总降噪量。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于扰动观测法的电力变压器有源噪声控制系统，包括变电站和待降噪区域，所述变电站包括主控室、电力变压器和高压室；其特征在于，还包括初级传感器阵列、前置放大器Ⅰ、误差传感器阵列、前置放大器Ⅱ、功率放大器、工业控制计算机、PCI数据采集卡、PCI数据输出卡、可视化扰动观测控制模块和次级声源阵列；所述初级传感器阵列和误差传感器阵列分别经前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ与PCI数据采集卡连接，所述PCI数据采集卡经工业控制计算机连接PCI数据输出卡，所述PCI数据输出卡经功率放大器与次级声源阵列连接；所述工业控制计算机作为PCI数据采集卡、PCI数据输出卡及可视化扰动观测控制模块的载体，用于电力变压器本体噪声信号实时跟踪及处理，实现对所述电力变压器本体噪声及其特性的实时监测以及有源噪声控制系统的启停控制；所述工业控制计算机和功率放大器置于所述高压室内；所述工业控制计算机采用上架式工业控制计算机；所述PCI数据采集卡和PCI数据输出卡分别插于所述工业控制计算机对应的PCI插槽；所述PCI数据采集卡通过输入端子板连接所述前置放大器Ⅰ、前置放大器Ⅱ；所述PCI数据输出卡通过输出端子板与所述功率放大器连接；所述初级传感器阵列包括3个传声器，排列成相互间距1米的1×3阵列，置于所述电力变压器前0.1米处，用于采集电力变压器本体噪声信号；所述误差传感器阵列包括3个传声器，排列成相互间距2米的1×3阵列，置于所述待降噪区域，用于采集降噪后残余噪声信号；所述次级声源阵列包括9个扬声器，排列成相互间距0.5米的3×3阵列，置于所述电力变压器前1.5米处，用于发出经所述可视化扰动观测控制模块处理后的次级声信号；所述待降噪区域为次级声源阵列正方向36°夹角的范围。

2.一种用于权利要求1所述电力变压器有源噪声控制系统的可视化扰动观测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1初级噪声频谱分析，将采集的电力变压器本体噪声信号进行低通滤波、FFT处理，提取100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量作为参考信号；

S2噪声信号显示，显示初级噪声时域及频谱图、残余噪声信号时域图；实时监测电力变压器噪声和降噪效果；

S3通过人机交互界面及参数设置，实时监测系统的运行、电力变压器噪声的变化及降噪效果并对系统进行启停操作；

S4调用扰动观测算法分别对步骤S1提取参考信号的幅值A_k.ref和相位进行扰动观测调整；所述扰动观测算法包括以下步骤：

S41对步骤S1提取的100Hz、200Hz、300Hz三个噪声频率分量参考信号的幅值A_k.ref和相位按某一方向加小扰动量μ_A、则有(A_k.pur(n-1)+μ_A)、

S42将当前时刻幅值及相位减去扰动量，得ΔA＝A_k.ref(n)-(A_k.pur(n-1)+μ_A)、根据ΔA、的大小变化情况来调整μ_A、以使，

朝小的方向变化；

S43设置误差限值和调整次数限值，返回达到限制条件时的幅值及相位，按照对所述三个噪声频率分量的次级噪声信号进行合成后输出；

S1、S2、S3、S4步骤中，A_k.ref和为参考信号的幅值和相位；

A_k.pur和为扰动后参考信号的幅值和相位；

k＝1、2、3，分别表示100Hz、200Hz、300Hz噪声分量；

f_s为采样频率，f_k为当前调整频率分量，P_mix(n)为n时刻合成声场噪声信号；

μ_A、分别表示幅值和相位扰动量。