CN106324458B - 一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法，包括步骤：A、测量电晕电流的时域数据；B、滤除电晕电流时域数据中的干扰信号；C、获取已滤除干扰信号电晕电流的离散频谱；D、求取电晕电流的对数功率谱；E、求取可听噪声高频段内电晕电流平均对数功率谱密度；F、基于电晕电流平均对数功率谱密度，求取线路下方的可听噪声。本发明提供的一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法，通过输电线路的电晕电流获得可听噪声，可使得电晕电流与可听噪声的测量合二为一，大幅简化了现有方法需要对二者分别进行测量的工作过程。
Description
技术领域
本发明涉及特高压输电技术领域中可听噪声的获取方法，更具体涉及一种由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法。
背景技术
为了满足经济社会可持续发展用电需求，建设以高压、特高压电网为核心的加强电网已成为电力建设的战略目标。在采用长距离、大容量输电时，特高压输电能够有效的节省线路走廊，有助于改善网络结构、输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显。
特高压直流输电线路的电磁环境问题是特高压直流输电线路设计、建设和运行中必须考虑的重大技术问题，它直接和输电线路的电晕特性有关。直流输电线路发生电晕后，由电晕所产生的可听噪声、无线电干扰等会对输电线路周围的电磁环境产生严重影响。在特高压直流工程中,电压等级的提高导致电晕放电产生的效应问题更加突出，特别是线路的可听噪声问题，对居民的健康和生活带来了严重不利影响,已逐步成为特高压导线选型、杆塔结构设计、线路走廊设计等工作的主导性因素，是输电线路建设过程中的最大障碍之一。
可听噪声是指导线周围空气电离放电时产生的一种人耳能直接听得见的噪声，这种噪声可能会使得高压线路附近的居民或工作人员感到烦躁和不安。在特高压直流输电线路中，宽频带噪声是输电线路可听噪声的最主要来源，它主要由导线表面的电晕脉冲放电引起。电晕脉冲放电的强弱及重复频率等特性是决定可听噪声的重要因素，而这些特性被直观地反映在电晕电流的频域中。为了研究特高压输电线路的电磁环境问题，往往需要同时获取输电线路的电晕电流以及可听噪声。
现阶段我国用于预测直流输电线路可听噪声和电晕电流的公式大多来源于国外研究成果，如美国EPRI、BPA可听噪声计算公式、以及用于计算电晕损失的Peek公式、安乃堡公式、巴布科夫公式等，但这些公式对环境参数考虑的较少，因此使用范围比较小。同时，我国气候环境、导线制造技术和工艺与国外也存在差别，国外直流线路噪声和电晕电流的计算公式在我国的适用性也需要进行验证。为此，国家电网公司在北京建设了特高压直流试验线段、电晕笼和模拟小线段等试验设施，开展直流线路可听噪声和电晕电流的试验研究，并获得了部分适合我国导线和环境特点的可听噪声预测公式，其中环境参数的影响被作为一个在一定范围内可调的参数，然而如何选取最为合理的参数值尚是一个难点。
另一方面，利用专门的测量工具对输电线路的可听噪声和电晕电流进行测量也是获取可听噪声和电晕电流的主要方法。其中，可听噪声的测量工具主要有噪声频谱分析仪等；对于电晕电流的测量，目前已有成功应用于特高压输电环境的电晕电流传感器，测量带宽一般可达2MHz，特别是由北京航空航天大学和北京电力科学院联合研发的宽频域测量装置，其测量带宽可达30MHz，可适用于±1200kV的特高压电磁环境。
综上所述，截止目前对于电晕电流和可听噪声的获得，皆是采用分别测量或者分别利用经验公式进行预测的方法，分别量测浪费人力、物力，经验公式进行预测又会因为环境因素产生比较大的误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法，可以简化测量过程、节省人力物力，并且误差小、精度高。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法。所述方法包括：
步骤A：测量电晕电流的时域数据；
通过测量获取电晕电流的时域波形，测量过程中要求所测量直流线路的电晕电流时域数据的测量带宽下界为0，上界至少大于20kHz。
步骤B：滤除电晕电流时域数据中的干扰数据；
电晕电流中的噪声信号主要分三步进行滤除：
步骤B1：使用陷波滤波器对电晕电流信号中的工频倍频干扰进行滤除；
由高压发生器工作时逆变整流不完全而产生的100Hz信号及其谐波信号，采用数字多频陷波滤波器对此类信号进行滤除。
步骤B2：使用互相关函数法对电晕电流中的窄带干扰信号进行处理；
针对窄带干扰信号，采取如下的方法去除：①对同时采集到的加压信号和背景信号分别做快速傅里叶变换，获得两信号的离散频谱；②对加压信号和背景信号的频谱进行互相关运算，则两组数据中包含的相同频率的窄带信号将被保留，其结果仍然是原频率的窄带信号，且由于不同频率的周期信号互不相关，不会发生频率混叠现象。因此，得到的互相关函数中仅有同时存在于背景数据与加压数据中的多种不同的窄带型干扰。③选取阈值，记录互相关函数中幅值大于阈值的一些中心频率，并对这些中心频率点做归零处理。④对处理过的频谱进行离散傅里叶逆变换，得到去除窄带型干扰后的电晕电流时域波形。
步骤B3：采用小波阈值降噪的方法对白噪声进行抑制。
利用小波阈值降噪的方法对白噪声进行抑制的方法为：采用小波阈值降噪的方法进行抑制，并选用db4小波作为基函数对电晕信号进行处理。选择rigsure阈值选择规则，并取分解层数为7。
步骤C：获取已滤除干扰信号电晕电流的离散频谱；
对滤除干扰信号后的电晕电流进行快速傅立叶变换，得到电晕电流的离散频谱；
步骤D：求取电晕电流的对数功率谱；
由电晕电流的离散频谱求取电晕电流的对数功率谱，计算方法如式(1)所示：
其中，Y(f)dB为电晕电流对数功率谱在频率f处分量值，单位为dBpW；Y(f)为电晕电流频谱在频率f处分量的幅值。
步骤E：求取可听噪声高频段内电晕电流平均对数功率谱密度；
由电晕电流的对数功率谱密度求取电晕电流可听噪声高频段内的平均对数功率谱密度，计算方法如式(2)所示：
其中，PSDaverage为电晕电流的平均功率谱密度，单位为dBpW/kHz，f1为计算起始频率，fn为计算终止频率，f1可取5kHz或8kHz，fn可取≤20kHz,Y(fi)dB为电晕电流对数功率谱在频率fi处分量值，单位为dBpW，i为f1到fn内的频率点数。
步骤F：依据平均电晕电流功率谱密度，求取线路下方的可听噪声；
利用已知的电晕电流平均对数功率谱密度，对导线下方的可听噪声进行求取，由式(3)计算得到：
其中，AN为所求得的可听噪声A声级，单位dB；PSDaverage为电晕电流的平均功率谱密度，单位dBpW/kHz；D为可听噪声求取点距输电导线的距离，也即传播距离，单位为m；b、a1和a2均为常数；E为最大导线表面电场强度，单位为kV/cm；E0为分段函数的分界点，单位为kV/cm，由式(4)求得：
其中，δ是相对空气密度，p为实际大气压力，单位为mmHg；θ为实际温度，单位为℃；r是分裂导线子半径，单位为cm；k1是湿度的校准因子；k3是临界电场强度与导线起晕场强的比值，范围是1.3-2；k2是导线表面粗糙系数，范围是0.4-0.6，所述湿度的校准因子k1由式(5)计算得到：
hr为相对湿度。
采用本发明的有益效果：
(1)通过本发明获得的可听噪声的计算结果与实测结果有较高的吻合度。由于测得的电晕电流数据中包含了环境因素的影响信息，因此基于可听噪声与电晕电流数学关联关系得到的可听噪声，考虑了环境因素的影响，从而减少了已有可听噪声预测公式由于环境参数影响所产生的误差。在导线参数确定的条件下，一定范围内的线路参数和环境参数的变化对于可听噪声计算结果准确性的影响不大；
(2)本发明可在仅测量电晕电流数据的条件下，通过计算同时获取可听噪声，将两者的测量合二为一，大大简化了测量过程，节省了人力和物力投入；
(3)具有普适性，不仅适用于大型户外电晕笼，而且适用于实际的直流输电试验线段及线路；
(4)提升了特高压直流输电线路电磁环境的研究能力，为特高压直流工程建设提供更为有力的技术支撑。
附图说明
下面结合附图对发明进行说明。
图1是本发明技术方案的方法流程图；
图2是6×720mm2导线在800kV电压等级下的电晕电流时域波形图；
图3是数字多频陷波滤波器的幅度响应图；
图4是6×720mm2导线在800kV电压等级下滤除干扰信号后的电晕电流时域波形图；
图5是6×720mm2导线在800kV电压等级下的20Hz–20kHz频段内的离散频谱图；
图6a是6×720mm2导线在450kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图6b是6×720mm2导线在500kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图6c是6×720mm2导线在600kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图6d是6×720mm2导线在700kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图6e是6×720mm2导线在800kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图6f是6×720mm2导线在900kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图6g是6×720mm2导线在1100kV电压等级下的电晕电流对数功率谱；
图7是6×720mm2特高压直流实际输电线路在不同的实验条件下的可听噪声A声级计算值与实际测量值的对比关系图。
具体实施方式
下面详细描述本文的实施例，所述实施例的示例在附图中出现，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。
实施例一：
该方法的步骤如图1所示，包括：
步骤A：测得电晕电流的时域数据；
本实施例在位于中国北京昌平的特高压试验基地的大型户外电晕笼中进行。电晕笼的单笼尺寸为10m×10m，长70m，双笼总宽度为20.5m，中间有0.5m的间隔区，进行双极电晕笼试验时可将间隔区的中间网去掉。本实施例中进行的是单极(正极性)实验，所采用的导线是6分裂的JL/G1A-720/50-45/7型导线，分裂间距为0.45m，悬挂于电晕笼内正中心。在0KV、450kV、500kV、600kV、700kV、800kV、900kV和1100kV的电压等级下，分别测量了电晕电流。
电晕电流信号可以使用任何适用于特高压电磁环境的电晕电流传感器进行测量，要求其采样频率≥40kHz，测量带宽下边界为0kHz、上边界为≥20kHz。本实施例中所采用的特高压直流电晕电流传感器，测量带宽为30MHz，采样频率为62.5MHz。图2为800kV电压等级下电晕电流测量数据时域波形图，实验时间为2014年3月9日凌晨12点。
步骤B：滤除电晕电流时域数据中的干扰数据；
电晕电流信号组成复杂，包含多种类型的噪声，电晕电流中的噪声信号分三步进行滤除：
步骤B1：使用陷波滤波器对电晕电流信号中的工频倍频干扰进行滤除；
由高压发生器工作时逆变整流不完全而产生的100Hz信号及其谐波信号，这些谐波信号在600Hz以内的频段内幅值较大。采用数字多频陷波滤波器对此类信号进行滤除。图3是所设计的数字多频陷波滤波器的幅度响应图，该滤波器可以滤除600Hz以内的100Hz信号及其谐波信号。
步骤B2：使用互相关函数法对电晕电流中的窄带干扰信号进行处理；
使用互相关函数法对电晕电流中的窄带干扰信号进行处理的主要过程为：分别计算背景干扰电流数据(0kV电压等级条件下测量)与电晕电流测量数据的频谱。接着，将二者的频谱做互相关运算。经过互相关运算后，两组数据中相同频率的窄带信号将会被保留，其结果仍是原频率的窄带信号，且由于不同频率的周期信号互不相关，不会发生频谱混叠的情况。因此，得到的互相关函数中仅有同时存在于背景数据与加压数据中的多种不同的窄带型干扰。选取一定的阈值，记录互相关函数中幅值大于阈值的一些中心频率。随后，将上述中心频率点做归零处理。同时，为保证数据频谱的连续性，避免频谱突变导致傅里叶逆变换后的信号产生局部与边缘震荡，本项研究工作采用最小二乘法对需进行归零处理的中心频率点周边频段做低阶次多项式拟合(2次或3次)，将拟合后曲线的幅值作为该频段归零处理后的幅值，从而有效保留原始信号的频域特征，降低波形畸变的可能。最后，将处理过的频谱进行离散傅里叶逆变换，得到去除窄带干扰信号之后的电晕电流时域波形。
步骤B3：采用小波阈值降噪的方法对白噪声进行抑制。
利用小波阈值降噪对白噪声进行抑制的方法为：采用小波阈值降噪的方法进行抑制，并选用db4小波作为基函数对电晕信号进行处理。取分解层数为7，rigsure为阈值选择规则。
图4所示为对6×720mm2导线在±800kV时的电晕电流时域信号进行经过上述降噪处理后得到的波形图。
步骤C：获取滤除干扰信号以后的电晕电流的离散频谱；
将经过降噪后提取得到的电晕电流信号进行快速傅里叶变换，即得到电晕电流的离散频谱，图5所示为800kV电压等级下的电晕电流在20Hz–20kHz频段内的电晕电流离散频谱图。
步骤D：求取电晕电流的对数功率谱密度；
由电晕电流的离散频谱求取电晕电流的对数功率谱，计算方法如式(6)所示：
其中，Y(f)dB为电晕电流对数功率谱在频率f处分量值，Y(f)为电晕电流频谱在频率f处分量的幅值。图6a，图6b，图6c，图6d，图6e，图6f和图6g分别为6×720mm2导线在450kV，500kV，600kV，700kV，800kV，900kV和1100kV的电压等级下的20Hz–20kHz频段内的电晕电流对数功率谱。
步骤E：求取可听噪声高频段内电晕电流平均对数功率谱密度；
由电晕电流对数功率谱求取电晕电流在可听噪声高频段的平均对数功率谱密度，计算方法如式(7)所述：
其中，PSDaverage为电晕电流的平均功率谱密度，单位为dBpW/kHz，f1为计算起始频率，fn为计算终止频率，f1可取5kHz或8kHz，fn可取≤20kHz,Y(fi)dB为电晕电流对数功率谱在频率fi处分量值，单位为dBpW，i为f1到fn内的频率点数。
步骤F：依据平均电晕电流功率谱密度，求取线路下方的可听噪声。
利用上述电晕电流平均对数功率谱密度，对导线下方的可听噪声进行求取，由式(8)计算得到：
其中，AN为所求得的可听噪声，单位为dB；PSDaverage为电晕电流的平均功率谱密度，单位为dBpW/kHz；D为可听噪声求取点距正极性导线的距离，也即传播距离，单位为m；b、a1和a2均为常数，其值被确定为：b约为0.9，a1＝-0.065dB，a2＝-7.4dB；E为最大导线表面电场强度，单位为kV/cm；E0为分段函数的分界点，单位为kV/cm，由式(9)求得：
其中，δ是相对空气密度，p为实际大气压力，mmHg；θ为实际温度，单位为℃；r是分裂导线子半径，单位为cm；k1是导线表面粗糙系数，范围是0.4-0.6，本实施例中取值为0.5；k3是临界电场强度与导线起晕场强的比值，范围是1.3-2，本实施例中取值为1.6；k2是湿度的校准因子，由式(10)计算得到：
hr为相对湿度。
表1为利用本发明由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法计算所得与实际电晕笼中测量所得的对比情况，其中可听噪声A声级由丹麦B&K公司3560Pulse多通道噪声分析仪对可听噪声进行测量，其传声器4148为预极化自由场1/2英寸电容式传声器，测量频率范围6Hz～20KHz，额定开环灵敏度为50mV/Pa。
表1：可听噪声A声级估算值及实测值
| 电压/kV | 估算可听噪声A声级/dB | 实测可听噪声A声级/dB | 误差/dB |
| 450 | 36.0 | 33.8 | 6.5％ |
| 500 | 44.2 | 46.9 | 5.7％ |
| 600 | 56.4 | 55.4 | 1.8％ |
| 700 | 60.5 | 60.3 | 0.3％ |
| 800 | 64.9 | 65.5 | 0.9％ |
| 900 | 73.2 | 73.1 | 0.1％ |
| 1100 | 78.6 | 78.7 | 0.1％ |
由表1可得，利用本发明的由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法计算所得的A声级与实际电晕笼中测量所得的A声级相比，估算值和实际值之间的最大误差不超过6.5％，且发生在电压等级比较低的时候，这可能是由于在起晕不明显时，实测可听噪声更容易受背景噪声的影响。由该实施例可知，本发明提出的方法得到了有效验证，因此利用本发明提供的由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法计算能够比较准确的计算电晕笼内输电线路可听噪声A声级。
实施例二：
本实施例于2012年5月在位于中国北京昌平的特高压试验基地的同塔双回特高压直流试验线段中进行。该实验线段长1080m，其正负极可分别实现0到1200kV、0到-1200kV范围调压。实验进行的是双极性实验,所采用的导线仍是6分裂的JL/G1A-720/50-45/7导线，导线分裂间距为0.45m。本实施例中共进行10组实验，分别获得了不同实验条件下的电晕电流数据，所采用的电晕电流测量装置上一实施例相同，具体实验条件如表2所示。
表2特高压实际输电线路上十组实验的实验条件
图7为利用本发明由输电线路电晕电流数据计算所得到的可听噪声A声级与实际测量A声级的对比关系图。其中，各主要参数取值如下：导线表面粗糙系数为0.5，临界电场强度与导线起晕场强的比值取为1.6。表3为利用本发明由输电线路电晕电流数据获得的可听噪声A声级与实际输电线路测量得到的可听噪声A声级的对比情况，表中的可听噪声A声级的测量方法与上一实施例相同：
表3：基于关联关系的AN计算值及误差
| 组别 | 估算可听噪声A声级/dB | 实测可听噪声A声级/dB | 误差/dB |
| 1 | 38.6 | 35.8 | 7.8％ |
| 2 | 43.7 | 41.8 | 4.5％ |
| 3 | 48.3 | 47.2 | 2.3％ |
| 4 | 52.1 | 51.8 | 0.6％ |
| 5 | 44.0 | 43.7 | 0.7％ |
| 6 | 51.7 | 53.7 | 3.7％ |
| 7 | 34.4 | 33.0 | 4.2％ |
| 8 | 38.6 | 39.6 | 2.5％ |
| 9 | 45.5 | 44.3 | 2.7％ |
| 10 | 49.16 | 49.2 | 8e-2％ |
由表3可知，采用本发明由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法计算得的可听噪声A声级与实际测得的值误差不超过8％。该实施例对本发明提出的方法有效性进行了进一步的验证，利用本发明由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法计算能够比较准确的计算实际特高压输电线路可听噪声A声级。
同时，在以上10组实验以及电晕笼实验中，距地高度、极间距、温度和湿度等各个参数都不尽相同。因此，由实施例可知，本发明提出的方法的普适性得到了验证，本发明提供的由高压直流输电线路电晕电流数据获得可听噪声的方法不仅适用与电晕笼和实际实验线段，并且一定范围内的参数变化对该方法计算结果的准确性影响不大。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法，其特征在于：利用电晕电流的频谱数据求取可听噪声，利用电晕电流的频谱数据求取可听噪声的步骤如下：
步骤A：测量电晕电流的时域数据；
步骤B：滤除电晕电流时域数据中的干扰信号；
步骤C：获取已滤除干扰信号的电晕电流的离散频谱；
步骤D：求取电晕电流的对数功率谱；
所述步骤D中电晕电流的对数功率谱的计算值通过下式确定：
其中，Y(f)dB为电晕电流对数功率谱在频率f处分量值，单位为dBpW，Y(f)为电晕电流频谱在频率f处分量的幅值；
步骤E：求取可听噪声高频段内电晕电流平均对数功率谱密度；
所述步骤E中电晕电流平均对数功率谱密度的计算值通过下式确定：
其中，PSDaverage为电晕电流平均对数功率谱密度，单位为dBpW/kHz，f1为计算起始频率，fn为计算终止频率，Y(fi)dB为电晕电流对数功率谱在频率fi处分量值，单位为dBpW，i为f1到fn内的频率点数；
步骤F：基于电晕电流平均对数功率谱密度，求取线路下方的可听噪声；
所述的步骤F中对线路下方的可听噪声进行求取，所述线路下方的可听噪声计算值通过下式确定：
其中，AN为所求得的可听噪声，单位为dB；PSDaverage为电晕电流平均对数功率谱密度，单位为dBpW/kHz；D为可听噪声求取点距输电导线的距离，也即传播距离，单位为m；E为最大导线表面电场强度，单位为kV/cm；E0为分段函数的分界点，单位为kV/cm；b、a1和a2均为常数，其中，b约为0.9，a1＝-0.065dB，a2＝-7.4dB。
2.根据权利要求1所述的由电晕电流数据获得可听噪声的方法，其特征在于：所述步骤A中，测量电晕电流时域数据时，测量带宽下边界为0kHz、上边界为≥20kHz。
3.根据权利要求1所述的由电晕电流数据获得可听噪声的方法，其特征在于：所述步骤B中滤除电晕电流时域数据中的干扰信号的方法如下：
步骤B1：使用陷波滤波器对电晕电流信号中的工频倍频干扰进行滤除；
步骤B2：使用互相关函数法对电晕电流中的窄带干扰信号进行处理；
步骤B3：采用小波阈值降噪的方法对白噪声进行抑制。
4.根据权利要求1所述的由电晕电流数据获得可听噪声的方法，其特征在于：所述步骤C中离散频谱的获取方法为：对滤除干扰信号后的电晕电流时域数据进行快速傅立叶变换。
5.根据权利要求1所述的由电晕电流数据获得可听噪声的方法，其特征在于：平均对数功率谱密度计算式中的f1可取5kHz或8kHz，fn可取≤20kHz。
6.根据权利要求1所述的由电晕电流数据获得可听噪声的方法，其特征在于：所述的分段函数的分界点E0计算值通过下式确定：
其中，δ是相对空气密度，p为实际大气压力，单位为mmHg，θ为实际温度，单位为℃；
r是分裂导线子半径，单位cm；
k1是湿度的校准因子；
k3是临界电场强度与导线起晕场强的比值，范围是1.3-2；
k2是导线表面粗糙系数，范围是0.4-0.6；
所述的湿度的校准因子k1，通过下式确定：
hr为相对湿度。
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