CN108090287B - 一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法及系统 - Google Patents
一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法，所述方法包括：沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对所述纯声的声压级进行测量，并获取对所述纯声的声压级进行测量时的降雨量；采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压；根据所述输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数；建立所述声压和所述距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量所述声压和所述距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路可听噪声技术领域，更具体地，涉及一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法及系统。
背景技术
特高压交直流输电线路的电晕会造成电晕离子电流、电晕损耗、无线电干扰和可听噪声等多方面的后果，和输电线路电磁环境直接相关。而电压等级发展到特高压阶段，电磁环境问题已成为特高压交直流输电线路设计、建设和运行中必须考虑的重大技术问题。
由输电线路电晕产生的可听噪声主要包含两个主要分量，即“宽频噪声”和“纯声”。宽频噪声有频率极高的含量，主要由导线表面的正极性流注产生；“纯声”即嗡嗡声，是一种叠加在宽频带噪声之上的纯声，主要由辉光放电产生。
输电线路产生的“100Hz”纯声，在坏天气下比较突出，好天气下不明显。但是，当输电线路经过高海拔区域时，由于空气密度降低，导线起晕场强降低，“100Hz”纯声有增加的风险。同时，宽频带噪声的声压水平随着离线路的平方根而减小，大地反射对于宽频带噪声来说，可以忽略。而三相导线产生的纯声有1200的相位差，还有大地的反射作用，于是，纯声在地面上某些点增加，某些点又互相抵消，形成驻波，随离输电线路的距离振荡衰减。如果能掌握纯声的特性，探索纯声驻波的波峰避开民房的方法，将会有助于改善民房附近输电线路的声环境。
日本国内关于输电线路产生的纯声的投诉较多，日本的研究者提出了输电线路纯声计算的空间漫步模型，对电晕笼和单相试验线段的“嗡嗡声”进行了比较，对纯声的研究结果进行了总结，给出了纯声产生量的计算公式和传播模型。但是，国外一般是通过电晕笼，直接测量单相导线的100Hz纯声的声功率产生量。这种做法的局限性在于：容易受到变压器产生的纯声的影响，并且不能完全反应实际运行的线路的表面状况。
因此，需要一种技术，以实现通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的技术。
发明内容
本发明提供了一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法及系统，以解决如何通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法，所述方法包括：
沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对所述纯声的声压级进行测量，并获取对所述纯声的声压级进行测量时的降雨量；
采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压；
根据所述输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数；
建立所述声压和所述距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量。
优选地，所述大雨的降雨降至少为：6.5mm/h。
优选地，包括：所述建立所述声压和所述距离系数的联立方程，采用全局搜索算法，求解方程，获取纯声功率产生量。
优选地，所述沿输电线路下方截面布置纯声监测点，包括：
对于单回输电线路，至少布置2个监测点；
对于同塔双回输电线路，至少布置3个监测点。
基于本发明的另一方面，提供一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的系统，所述系统包括：
测量单元，用于沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对所述纯声的声压级进行测量，并获取对所述纯声的声压级进行测量时的降雨量；
统计单元，采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压；
计算单元，用于根据所述输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数；
获取单元，用于建立所述声压和所述距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量。
优选地，所述大雨的降雨降至少为：6.5mm/h。
优选地，所述获取单元还用于：所述建立所述声压和所述距离系数的联立方程，采用全局搜索算法，求解方程，获取纯声功率产生量。
优选地，所述测量单元还用于：
对于单回输电线路，至少布置2个监测点；
对于同塔双回输电线路，至少布置3个监测点。
本发明技术方案提供的一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法及系统，通过在输电线路横截面上依次布点，对输电线路的“100Hz”纯声进行长期测量统计，联立方程，来获得输电线路的“100Hz”纯声声功率产生量，为进行纯声的驻波计算提供依据。本发明技术方案通过在输电线路下方，建立观测站，沿线路横截面布点，采用1/3倍频程，对输电线路“100Hz”纯声进行长期测量，获得统计结果；根据“100Hz”纯声长期测量的统计结果，联立方程，来反推其声功率产生量的方法，为进行纯声的驻波计算提供依据。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法流程图；
图2为根据本发明实施方式的导线和测点示意图；
图3为根据本发明实施方式的横断面上的三个观测点和导线及其镜像关系示意图；
图4为根据本发明实施方式的双回线路声波的直射和反射路径示意图；
图5为根据本发明实施方式的边相0m的可听噪声统计量示意图；
图6为根据本发明实施方式的不同时刻横断面上纯声瞬时值示意图；
图7为根据本发明实施方式的不同观测点纯声瞬时变化示意图；
图8为根据本发明实施方式的不同时间横断面上的纯声分布示意图；
图9为根据本发明实施方式的线路纵向和横向纯声驻波分布示意图；
图10为根据本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法流程图。本发明实施方式提供的一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法，通过在输电线路下方，建立观测站，沿线路横截面布点，采用1/3倍频程，对输电线路“100Hz”纯声进行长期测量，获得统计结果；根据“100Hz”纯声长期测量的统计结果，建立声压和距离系统的联立方程，来反推其声功率产生量的方法，为进行纯声的驻波计算提供依据。如图1所示，一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法100包括：
优选地，在步骤101：沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对纯声的声压级进行测量，并获取对纯声的声压级进行测量时的降雨量。
本申请中，在线路沿线建立电磁环境长期观测站，其中，测试区域地势应较为平坦，离两侧耐张塔较远，周围没有高大的建筑物、树木、其他电力线和通讯线。
采用多通道分析仪系统(含3个传声器)，该系统能进行多通道实时FFT、CPB、总级值等分析。对可听噪声的测试采用三分之一倍频程进行测量。
3个噪声探头(传声器)通过支架分别置于线路下方的横断面上，边相导线投影外10m、边相导线投影外20m，距地面1.5m高处。传声器将噪声测量信号经电缆传送至3560B数据采集单元，数据采集单元经网线与计算机通讯，利用软件对噪声进行采集、显示和存储。采用翻斗式雨量筒对降雨量进行测量。
本申请中，因为相位差会影响纯声声压级的大小，所以，单双回线路横截面上的声压级的分布，都不是对称的。因此，在测量线路的纯声时，应该注意线路的相序，反推时也应该注意测点和相序的相对位置。图2为根据本发明实施方式的导线和测点示意图。图3为根据本发明实施方式的横断面上的三个观测点和导线及其镜像关系示意图。
优选地，在步骤102：采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压。
本申请中，对输电线路“100Hz”纯声进行长期测量，获得统计结果，其方法是：从1/3倍频程的可听噪声测量结果中，提取“100Hz”纯声的数值，以及其对应的雨量值。以大雨条件下的100Hz纯声值为例；本申请中，大雨对应的降雨量至少为：6.5mm/h。如果是在小雨向更大的雨过渡过程中，6.5mm/h所对应的纯声的值，那么这个值是偏小的。相反，如果是从大雨向小雨过渡过程中，出现的6.5mm/h所对应的纯声的值，这个值又是偏大的。这可能是因为，大雨情况下，导线表面在初始状态的雨滴多。因此，在选取时，应该选取降雨持续一段时间以后的数值。本申请采用SPSS软件进行统计，获取大雨条件下的均值。
优选地，在步骤103：根据输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数。
优选地，在步骤104：建立声压和距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量。
优选地，大雨的降雨降至少为：6.5mm/h。
优选地，包括：建立声压和距离系数的联立方程，采用全局搜索算法，求解方程，获取纯声功率产生量。
优选地，沿输电线路下方截面布置纯声监测点，包括：对于单回输电线路，至少布置2个监测点；对于同塔双回输电线路，至少布置3个监测点。本申请中，对于双回路输电线路来讲，无论是逆相序，还是同相序排列，A、B、C三相产生的纯声声功率的大小和相位均不同。因此，在地面1.5m处的横截面上，至少要测量3个点，才可以反推出纯声功率产生量的大小。
本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法的主要步骤为：测量获得线路横断面上三个测点的纯声声压级，将声压级换算为声压，以及根据声压和与位置相关的系数关系，确定导线表面的声功率。
假设电晕沿导线均匀分布，电场沿导线的变化是相同的，沿着导线长度空间电荷运动的相位也是相同的，那么，产生的声压波就按圆柱的方式传播，是个柱面波。其激发的声功率为：
Ah＝58.1-41/d-505.5/Emax+k1-k2/(n+k3) (1)
式中Ah为大雨下单位长度导线“100Hz”纯声的激发声功率，单位为dB(以1μW/m为基准)；Emax为导线表面最大电位梯度，单位为kV/cm；d为导线直径，单位为cm；n为导线分裂数；k1、k2、k3是常数。图1为双回线路的直射和反射路径。图2为双回线路声波的直射和反射路径。
直射波的表达式：
(2)式中：δ是空气密度，对于标准大气来说，
δ＝1.29kg/m3
v是声音的传播速度
v＝331m/s
Ahi为由第i相电晕激发的纯声的声功率均方根值；Di为测量点到该相的距离；Φi为第i相电荷的相位角(实际上即电压的相位角)；ω为角频率；t为时间；λ为纯声声压波的波长。
反射波同时存在，如果认为纯声的反射系数为1，则表达式为：
Si为镜像导线到测点的距离。
所有导线产生的总声压为：
根据式(2)，将声压表示为复数，
则：
根据式(3)，其反射波可以表示为：
定义
为距离系数；
定义
为反射声波的距离系数。
这个距离系数中，包含了声波传播到测量点，各相导线产生的声波的相位关系。
可以用复数表示为：
定义
那么，
这里，P是测量点的声压。
定义P1、P2、P3分别为横断面上三个测点的声压，得到方程组：
同相序排列时：
PsA1＝PsA2
PsB1＝PsB2
PsC1＝PsC2
因此：
逆相序排列时：
PsA1＝PsC2
PsB1＝PsB2
PsC1＝PsA2
整理后得到：
写为矩阵形式：
上述方程采用解析的方法求解是非常困难的，本文采用粒子群算法进行求解。
粒子群优化算法是一种基于群体智能的进化计算技术，其主要思想是：一群鸟随机地分布在一个区域中，这个区域中只有一块食物，那么，最简单有效的办法就是追寻自己视野中目前离食物最近的鸟，如果把食物当作最优点，而把鸟离食物的距离当作函数的适应度，那么鸟寻觅食物的过程就可以当作一个函数寻优的过程。
每个优化问题的潜在解都是搜索空间中的一只鸟，称之为“粒子”。每一次迭代中，粒子通过跟踪两个“极值”来更新自己。第一个就是粒子本身所找到的最优解。另一个极值是整个种群目前找到的最优解，这个极值是全局极值。
设群体的规模为N，目标搜索空间为D维。
Xi＝(xi1,xi2,...xiD)T表示第i(i＝1,2....N)个粒子的位置；
Vi＝(vi1,vi2,...,viD)T，i＝1,2....N表示粒子i的飞翔速度；
Pi＝(pi1,pi2,...piD)T表示i自身搜索到的最好点。
粒子g为种群中最好的点。
Pg＝(pg1,pg2,...pgD)T为当前种群中粒子搜索到最好的点(全局最优位置)，粒子更新速度和位置公式如下：
r1d,r2d∈U[0,1]
这里，i＝1,2....N
d表示粒子的第d维。k表示迭代次数，C1，C2称为学习因子或加速因子，一般取2，或取2.05。
r1d,r2d为两个相互独立的随机函数，取值0-1。
vid∈[Vmin,Vmax]，限制的目的是减少在进化过程中，粒子离开搜索空间的可能性。
本申请的计算程序中，使用线性递减惯性权重，迭代开始时，较大的惯性权重有利于全局搜索，在迭代后期，较小的惯性权重可以加强搜索能力。因此，改进后，式(11)变为如下形式；
式(13)中，ω是线性递减惯性权重。
同时，运算过程中增加了随机变异算子，通过对当前最佳粒子进行随机变异，来增强粒子群优化算法跳出局部最优解的能力。
以特高压同塔双回塔型为例，通过边相外0m，边相外10m，边相外20m的“100Hz”声压级，反推每一相导线产生的“100Hz”纯声声功率。
方程中的待求量为PsA1，PsB1，PsC1，其他各参数列表如下：
P1，P2，P3的值见表1，系数矩阵见表2.
逆相序排列条件下，边相外各点的声压和声压级，见表1：
表1 边相外各点的声压级dB(20μPa)和声压(pa)
为了验证计算的准确性，小数点保留15位。
逆相序排列条件下，各相导线相对于观测点的总系数见表2。
表2 逆相序排列情况下各相导线对于观测点的总系数
代入式(10)，采用离子群算法，具体的计算方法如下：
定义方程f1，f2，f3，和目标函数Q：
本方程有3个变量，因此，D＝3；群体的规模设为200，迭代次数设为1000，并将速度乘以线性递减惯性权重，提高求解的速度和精度。
图4为根据本发明实施方式的双回线路声波的直射和反射路径示意图。
图5为根据本发明实施方式的边相0m的可听噪声统计量示意图。
图6为根据本发明实施方式的不同时刻横断面上纯声瞬时值示意图。
图7为根据本发明实施方式的不同观测点纯声瞬时变化示意图。
图8为根据本发明实施方式的不同时间横断面上的纯声分布示意图。
图9为根据本发明实施方式的线路纵向和横向纯声驻波分布示意图。
以下对本发明实施方式进行具体举例说明：
美国epri认为，大雨对应的降雨量约为：6.5mm/h以上。实际上，很明显的一个现象就是，如果是在小雨向更大的雨过渡过程中，6.5mm/h所对应的纯声的值，那么这个值是偏小的。相反，如果是从大雨向小雨过渡过程中，出现的6.5mm/h所对应的纯声的值，这个值又是偏大的。这可能是因为，大雨情况下，导线表面在初始状态的雨滴多。
因为纯声，逆相序排列情况下，左右两侧纯声声压的衰减规律是不同的，因此，即使在不知道相序排列的情况下，用纯声的测量结果，结合计算，就能推断出相序的排列顺序。而电场，磁场，和无线电干扰，宽频带的可听噪声，都无法推断出相序的排列顺序。
在特高压同塔双回交流输电线路下方布置3个噪声探头，分别置于1000kV淮芜边相导线正下方、边相导线投影外10m、边相导线投影外20m，距地面1.5m高处。传声器将噪声测量信号经电缆传送至数据采集单元，利用PULSE软件对噪声进行测量。气象参数测试采用美国HOBO公司U30小型气象站。
大雨条件下纯声测量值统计分析如表1所示。
表1 大雨条件下“100Hz”纯声统计结果(dB(20μPa))
从表1可以看出，边相外0m处的100Hz纯声的均值为60.93dB；边相外10m处的100Hz纯声的均值为61.42dB；边相外20m处的100Hz纯声的均值为51.51dB。
(1)可以得出如下方程：
|(-0.0013-0.0751*i)*PSA+(-0.0157+0.0728*i)*PSB+(-0.0512-0.0234*i)*PSC+(-0.0822+0.0289*i)*PSC+(-0.0501-0.0884*i)*PSB+(0.0980-0.0806*i)*PSA|＝p0＝0.0328
|(-0.0656+0.0061*i)*PSA+(-0.0306-0.0477*i)*PSB+(-0.0230+0.0040*i)*PSC+(0.0140+0.0845*i)*PSC+(-0.0871+0.0469*i)*PSB+(-0.1155+0.0234*i)*PSA|＝p10＝0.0398
|(0.0522-0.0172*i)*PSA+(0.0015-0.0384*i)*PSB+(-0.0007-0.0022*i)*PSC+(-0.0628-0.0516*i)*PSC+(-0.0521-0.0737*i)*PSB+(-0.0254+0.0879*i)*PSA|＝p20＝0.0166
本申请采用粒子群算法，求出此方程。
在输电线路下方，建立观测站，沿线路横截面布点，采用1/3倍频程，对输电线路“100Hz”纯声进行长期测量，获得统计结果；根据“100Hz”纯声长期测量的统计结果，联立方程，来反推其声功率产生量的方法。
图10为根据本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的系统结构图。如图10所示，系统包括：
测量单元101，用于沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对纯声的声压级进行测量，并获取对纯声的声压级进行测量时的降雨量。
统计单元102，采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压。
计算单元103，用于根据输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数。
获取单元104，用于建立声压和距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量。
优选地，大雨的降雨降至少为：6.5mm/h。
优选地，获取单元104还用于：建立声压和距离系数的联立方程，采用全局搜索算法，求解方程，获取纯声功率产生量。
优选地，测量单元101还用于：
对于单回输电线路，至少布置2个监测点；
对于同塔双回输电线路，至少布置3个监测点。
本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的系统10与本发明实施方式的通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法100及其实施方式相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (6)
1.一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的方法，所述方法包括：
沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对所述纯声的声压级进行测量，并获取对所述纯声的声压级进行测量时的降雨量；所述沿输电线路下方截面布置纯声监测点，包括：
对于单回输电线路，至少布置2个监测点；
对于同塔双回输电线路，至少布置3个监测点；
采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压；
根据所述输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数：
其中，Di为测量点到该相的距离；φi为第i相电荷的相位角；λ为纯声声压波的波长；
建立所述声压和所述距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量：
Ah＝58.1-41/d-505.5/Emax+k1-k2/(n+k3)
其中，Ah为单位长度导线100Hz纯声的激发声功率，Emax为导线表面最大电位梯度，d为导线直径，n为导线分裂数，k1、k2、k3为常数。
2.根据权利要求1所述的方法，所述大雨的降雨量至少为：6.5mm/h。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：所述建立所述声压和所述距离系数的联立方程，采用全局搜索算法，求解方程，获取纯声功率产生量。
4.一种通过输电线路100Hz纯声反推单相导线声功率的系统，所述系统包括：
测量单元，用于沿输电线路下方截面布置纯声监测点，对所述纯声的声压级进行测量，并获取对所述纯声的声压级进行测量时的降雨量；所述测量单元还用于：
对于单回输电线路，至少布置2个监测点；
对于同塔双回输电线路，至少布置3个监测点；
统计单元，采用1/3倍频程，提取100Hz纯声分量，统计大雨降雨量条件下纯声的声压级对应的声压；
计算单元，用于根据所述输电线路的塔型及对地高度，计算距离系数：
其中，Di为测量点到该相的距离；φi为第i相电荷的相位角；λ为纯声声压波的波长；
获取单元，用于建立所述声压和所述距离系数的联立方程，通过求解方程获取纯声功率产生量：
Ah＝58.1-41/d-505.5/Emax+k1-k2/(n+k3)
其中，Ah为单位长度导线100Hz纯声的激发声功率，Emax为导线表面最大电位梯度，d为导线直径，n为导线分裂数，k1、k2、k3为常数。
5.根据权利要求4所述的系统，所述大雨的降雨量至少为：6.5mm/h。
6.根据权利要求4所述的系统，所述获取单元还用于：所述建立所述声压和所述距离系数的联立方程，采用全局搜索算法，求解方程，获取纯声功率产生量。
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