CN107036709B - 一种变电站噪声匹配分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站噪声分离方法，包括以下步骤：S1，对噪声的原始信号进行频谱分析，将50Hz及以50Hz为基频的谐振频率按能量由高到低进行排序，获得多个谐振频率，作为变压器本体噪声频率；S2，将原始信号作为初始残差信号，将变压器本体噪声依次从原始信号中分离，得到残差信号；S3，将电晕噪声从步骤S2得到的残差信号中分离；S4，将剩余噪声作为其他噪声，包括风机噪声和背景噪声。与现有技术相比，本发明从变电站不同噪声源产生的噪声的固有特点出发构造匹配函数，有机地兼顾原有噪声源特点，具有很强的实用性，可以有效地分离变压器本体噪声、电晕噪声和其它随机噪声。本发明可为变电站噪声环评、噪声治理和部件评价提供手段和方法。

Description

一种变电站噪声匹配分离方法

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法，尤其是涉及一种变电站噪声匹配分离方法。

背景技术

与常规输电相比，超、特高压长距离输电具有输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少等优点。2013年9月，世界首条1000千伏同塔双回特高压交流工程—皖电东送正式投运，这标志着我国特高压输电技术在世界上处于领先水平，在我国和世界上其他地区也有着广泛的应用前景。随着电压等级的提高，噪声干扰问题日渐突出，降低噪声对周边环境的影响，是建设绿色环保型变电站的重要目标之一。

变电站的噪声来自变电站的各种设备和电晕放电，其中设备主要包括本体设备和冷却设备。高压变压器、并联电抗器是本体设备噪声的主要来源，这些部件在电磁场的作用下产生50Hz的周期性噪声以及由于非线性引起的谐频噪声。同时，随着电压等级的提高，空气电离放电引起的电晕噪声也不可忽略，这种噪声一般具有短时脉冲特性，其持续时间短，但是频谱范围较宽，是典型的宽带窄脉冲。在高压变电设备中，为了解决散热问题，常常需要引入冷却设备，如风扇等，这类设备的噪声则具有很强的随机性，可视为白噪声。开展噪声分离技术研究，准确、细致地将这些噪声分离，区分不同噪声源产生的噪声规律和能量等级，是进行噪声预测、治理和部件评价的重要前提。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变电站噪声分离方法，该方法从变电站不同噪声源产生的噪声的固有特点出发构造匹配函数，有效地分离变压器本体噪声、电晕噪声和其它随机噪声。可为变电站噪声环评、噪声治理提供手段，同时也可为各部件噪声性能提供评价方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变电站噪声分离方法，包括以下步骤：

S1，对噪声的原始信号s_n进行频谱分析，将50Hz及以50Hz为基频的谐振频率按能量由高到低进行排序，获得多个谐振频率，作为变压器本体噪声频率；

S2，将原始信号s_n作为初始残差信号，将变压器本体噪声h_n依次从原始信号中分离，得到残差信号；

S3，将电晕噪声c_n从步骤S2得到的残差信号中分离；

S4，将剩余噪声r_n作为其他噪声，包括风机噪声和背景噪声。

所述的步骤S1中，当最后一个谐振频率的能量小于首个谐振频率的能量的20％或已排序谐振频率的个数达到5时，停止排序。

所述的步骤S2包括以下步骤：

S21，将原始信号作为初始残差信号A₁，将i初始化为1；

S22，对第i个谐振频率构造具有该频率的不同相位的多个正弦信号，并对各正弦信号归一化；

S23，将步骤S22构造的各正弦信号分别与第i个谐振频率进行内积运算，选择运算结果最大的正弦信号记为S(f_i,ψ_j)，计算新的残差信号A_i+1，A_i+1＝A_i-r_i,j·S(f_i,ψ_j)，其中r_i,j为正弦信号S(f_i,ψ_j)的幅值；

S24，将i值更新为i+1，返回步骤S22，直到遍历所有排序频率。

所述的步骤S22中，构造的正弦信号长度与原始信号长度相同，正弦信号的初始相位范围为0～360°，相位变化步长为1°。即每个谐振频率构造了360个正弦信号。

所述的步骤S22中，对正弦信号归一化的表达式为：

其中x_n为构造的正弦信号，S_n为归一化后的正弦信号。

所述的步骤S3包括以下步骤：

S31，评定电晕持续时间为T，设定峭度阈值为0.2；数据总长度为N，有电晕的数据片段长度为M，M<N；

S32，以T为窗口宽度，步长P为1个数据采样点，以步骤S2得到的残差信号为初始残差信号y₁，将i初始化为1，

S33，计算当前残差信号y_i中滑移窗口内数据的峭度；

S34，令小于峭度阈值处的峭度为零，将峭度由大到小排序；

S35，在峭度最值处进行db8小波匹配分离电晕噪声，即将db8小波与残差信号内积得到最优小波信号记为W_i，对应内积记为k_i；

S36，计算新的残差信号y_i+1，y_i+1＝y_i-k_i·W_i；

S37，将i值更新为i+1，返回步骤S33，直到所有的峭度均小于峭度阈值。

所述的峭度计算式为：

其中，峭度为q_k，脚标k表示每次计算得到的峭度的序号，z_m为滑移窗口内的残差信号，m＝1,2,…M，M为滑移窗口内残差信号长度。

所述的电晕持续时间小于5个交流电周期，即100毫秒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)从变电站不同噪声源产生的噪声的固有特点出发构造匹配函数，有效地分离变压器本体噪声、电晕噪声和其它随机噪声，可为变电站噪声环评、噪声治理提供手段，同时也可为各部件噪声性能提供评价方法。

(2)噪声分离中按能量的高低,先分离能量高的频率成份，后分离能量较低的频率成份和电晕噪声，有利于确定噪声源和噪声水平，分析噪声成因，为噪声治理和变压器改进提供数据依据。

(3)噪声分离中采用正弦内积最大的方法进行寻优，不仅可以确定频率成份，还可确定各频率成份间的相位关系，为分析噪声成因提供更多的信息。

(4)噪声分离中采用db8小波在时域和频域都有表征信号局部特征的能力，能够很好地识别区分电晕信号和其它背景噪声信号，从而提高了识别电晕噪声的能力。

附图说明

图1为本发明的变电站噪声匹配分离方法流程图；

图2为本发明的一个实施例的原始噪声时域波形图；

图3为本发明的一个实施例的原始噪声频谱分析图；

图4为本发明的一个实施例中分离出来的变压器本体噪声；

图5为本发明的一个实施例中分离出来的电晕噪声；

图6为本发明的一个实施例中分离出来的其它噪声。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种变电站噪声匹配分离方法，该方法依次分离变压器本体噪声、电晕噪声和其它噪声，分离包括四个步骤为：

步骤一、频谱分析；

步骤二、变压器本体噪声分离；

步骤三、电晕噪声分离；

步骤四、其它噪声分离。

变电站噪声主要包括变压器本体噪声、电晕噪声和其它噪声。其中变压器本体噪声集中于50Hz及以50Hz为基频的谐频成分；电晕噪声为短时脉冲噪声，主要频段为可听声段20Hz～20KHz；其它噪声表现为白噪声，包括风机噪声和背景噪声等。

步骤一的过程为：

对原始信号进行FFT变换，获得噪声频谱特征；

根据噪声频谱特征对50Hz及50Hz为基频的谐振频率，按其能量由高到低进行排序，形成排序频率F＝[f₁,f₂,…,f_M](M≤5)。

在该过程中，排序频率个数的确定方法为：对50Hz及50Hz为基频的谐振频率，按其对应能量由高到低进行排序，当对应能量小于最高能量的20％或者已排序频率个数大于5个时，停止排序。

步骤二的过程为：

(1)将原始信号作为初始残差信号；

(2)依次以排序频率为频率构造不同相位的正弦信号，并对该正弦信号归一化；

(3)将(2)中构造的不同相位的正弦信号与残差信号进行内积运算，保留对应内积最大的那组正弦信号。并记正弦信号记为S(f_i,ψ_j)，其内积记为k_i,j。

(4)将残差信号减去r_i,j·S(f_i,ψ_j)作为新的残差信号A_i。即，A_i＝A_i-r_i,j·S(f_i,ψ_j)。

(5)重复以上(2)至(4)步，直至遍历所有的排序频率。

在该过程中，所构造的正弦信号长度与原始信号长度相同；正弦信号的初始相位范围为0～360°，步长为1°。

在该过程中，对正弦信号归一化的表达式为其中x_n为构造的正弦信号，S_n为归一化后的正弦信号。

步骤三的过程为：

(1)评定电晕持续时间为T，设定峭度阈值为0.2；

(2)以T为窗口宽度，步长为P＝1个采样数据点，以步骤(2)分离后所剩残差信号为对象，计算残差信号中滑移窗口内数据的峭度；

(3)按峭度由大到小进行排序，小于峭度阈值处的峭度设为零。

(4)在峭度最值处进行db8小波匹配分离电晕噪声，即，将db8小波与残差信号内积得到最优小波信号，记为W_i，对应内积记为k_i。

(5)将残差信号减去k_i·W_i作为新的残差信号y_i。即，y_i＝y_i-k_i·W_i。

(6)重复以上(2)至(5)步，直至所有峭度都小于峭度阈值。

在该过程中，峭度计算方法为：

其中，z_m为滑移窗口内的残差信号，m＝1,2,…M，M为滑移窗口内残差信号长度(M<数据总长度N)。

步骤四的过程为：经过步骤二和步骤三分离后的残差信号即为其它噪声，包括风机噪声和背景噪声等。

本实施例中，被分析的原始噪声时域图如图2所示，被分析的原始噪声频谱图如图3所示。

本实施例中，50Hz及50Hz的谐频按其能量由高到低排列，根据排序频率的选定规则，确定排序频率为[400,300,500,200,100]。

本实施例中，构造以排序频率为频率的正弦信号，与残余信号进行内积，得到在各排序频率的本体噪声相对幅度分别为：r₄₀₀＝1.00；r₃₀₀＝0.60；r₅₀₀＝0.55；r₂₀₀＝0.20；r₁₀₀＝0.10；得到分离的本体噪声，如图4所示。

本实施例中，设定滑窗长度T＝0.06S，峭度阈值0.2。计算分离本体噪声后的残余信号的峭度，计算结果显示，在0.03s和0.06s处，峭度取得极大值，分别为0.39和0.45。以db8小波构造电晕噪声函数，在与分离本体噪声后的残余信号进行内积，得到分离的电晕噪声，如图5所示。

本实施例中，图6所示为分离本体噪声和电晕噪声后的其它噪声，这其中可能包括风扇噪声和其它背景噪声。

Claims (4)

1.一种变电站噪声分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对噪声的原始信号进行频谱分析，将50Hz及以50Hz为基频的谐振频率按能量由高到低进行排序，获得多个谐振频率，作为变压器本体噪声频率；

S2，将原始信号作为初始残差信号，将变压器本体噪声依次从原始信号中分离，得到残差信号，所述的步骤S2包括以下步骤：

S21，将原始信号作为初始残差信号A₁，将i初始化为1；

S22，对第i个谐振频率构造具有该频率的不同相位的多个正弦信号，并对各正弦信号归一化；

S23，将步骤S22构造的各正弦信号分别与第i个谐振频率进行内积运算，选择运算结果最大的正弦信号记为S(f_i,ψ_j)，计算新的残差信号A_i+1，A_i+1＝A_i-r_i,j·S(f_i,ψ_j)，其中r_i,j为正弦信号S(f_i,ψ_j)的幅值；

S24，将i值更新为i+1，返回步骤S22，直到遍历所有排序频率；

S3，将电晕噪声从步骤S2得到的残差信号中分离；

S4，将剩余噪声作为其他噪声，包括风机噪声和背景噪声；

所述的步骤S3包括以下步骤：

S31，评定电晕持续时间为T，设定峭度阈值为0.2，所述的电晕持续时间小于100毫秒；

S32，以T为窗口宽度，步长P为1个数据采样点，以步骤S2得到的残差信号为初始残差信号y₁，将i初始化为1；

S33，计算当前残差信号y_i中滑移窗口内数据的峭度；

S34，令小于峭度阈值处的峭度为零，将峭度由大到小排序；

S35，在峭度最大值处进行db8小波匹配分离电晕噪声，即将db8小波与残差信号内积得到最优小波信号记为W_i，对应内积记为k_i；

S36，计算新的残差信号y_i+1，y_i+1＝y_i-k_i·W_i；

S37，将i值更新为i+1，返回步骤S33，直到所有的峭度均小于峭度阈值，所述的峭度计算式为：

其中，峭度为q_k，脚标k表示每次计算得到的峭度的序号，z_m为滑移窗口内的残差信号，m＝1,2,…M，M为滑移窗口内残差信号长度。

2.根据权利要求1所述的一种变电站噪声分离方法，其特征在于，所述的步骤S1中，当最后一个谐振频率的能量小于首个谐振频率的能量的20％或已排序谐振频率的个数达到5时，停止排序。

3.根据权利要求1所述的一种变电站噪声分离方法，其特征在于，所述的步骤S22中，构造的正弦信号长度与原始信号长度相同，正弦信号的初始相位范围为0～360°，相位变化步长为1°。

4.根据权利要求1所述的一种变电站噪声分离方法，其特征在于，所述的步骤S22中，对正弦信号归一化的表达式为：

其中x_n为构造的正弦信号，S_n为归一化后的正弦信号。