CN109655150B - 一种可听噪声的间接检测方法 - Google Patents

一种可听噪声的间接检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可听噪声的间接检测方法，包括以下步骤：测量获得电晕电流的时域波形数据；对步骤S1中测得的电晕电流的时域波形数据进行降噪处理，获得降噪后的电晕电流的时域数据；求取电晕电流的1/3倍频程谱数据；计算输电导线的最大表面标称场强E；根据电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程声压级的相关性模型,计算获得可听噪声的1/3倍频程谱；计算获得可听噪声的A声级的间接检测值。本方法具有在户外复杂环境下可听噪声测量精确度高的优点。同时，本方法既适用于实际输电线路又适用于大型户外电晕笼。

Description

一种可听噪声的间接检测方法
技术领域
本申请涉及特高压输电线路中电磁环境测量技术领域，具体涉及一种在特高压直流输电线路的电磁环境监测中，用于获取可听噪声1/3倍频程谱及A声级的间接测量方法。
背景技术
特高压输电在远距离、大容量输电方面具有无可比拟的优势，其不仅是传统意义上的电能输送载体，还能与互联网、物联网、智能移动终端等相融合，目前在世界范围内得到了广泛的应用。然而，特高压直流输电线路的电磁环境问题是其设计、建设和运行必须考虑的重大技术问题。当电压等级升高到一定值时，导线表面会由于空气游离而发生电晕放电现象，从而产生电晕电流、可听噪声和无线电干扰等一系列电晕效应。其中，可听噪声会给周围居民的健康和生活带来严重不利影响。由于环保部门和广大民众的密切关注，可听噪声已成为高压输电导线选型、杆塔结构设计的主导因素。因此，为了获得不同条件下可听噪声的特性，实现输电线路的优化设计，满足环保要求，对输电线路的可听噪声进行长期检测至关重要。
目前，输电线路的可听噪声主要为通过直接检测法获取，即，通过专用设备直接测量可听噪声的声压，来获取其声级和频谱。因此，该方法的测量值为包含背景环境噪声在内的一个综合值。这种方法的优点是便捷，且在安静环境下测量结果准确。但在户外复杂环境下，这种方法却存在检测结果易受背景噪声影响、难以获得较为准确测量值的瓶颈问题。虽然IEEE和国家标准给出了背景噪声的修正方法，但该方法仅适用于背景噪声变化不大，且可听噪声至少比背景噪声大3dB的情况。因此，难以满足不同背景环境下电晕可听噪声准确测量的需要。
为解决这一问题，英国国家电网设计了一种无回声隔音室，用于对输电导线可听噪声的实验室检测与评估。华北电力大学为了减小室内直流源噪声对可听噪声检测结果的影响，采用吸音海绵材料或声屏蔽箱对直流源进行了屏蔽。但上述这些方法的原理皆为减少背景噪声的量值，它们虽在室内检测时取得了很好的效果，但并不适用于户外干扰噪声不可控的情况。
从剔除背景干扰噪声的角度，中国科学院则提出了一种用于去除背景噪声的语音增强法。该方法利用在已知背景噪声特点的条件下，通过估计背景噪声随时间的变化，实现实时背景噪声的去除。随后，华北电力大学将语音增强法引入室内电晕可听噪声的检测中。由于在室内进行可听噪声的检测时，背景噪声源主要由高压直流电源产生，易于估计，因而达到了较好的去噪效果。但在户外检测时，由于背景噪声可能包含多种突发性干扰噪声，难以预知，因此上述方法对于户外可听噪声的降噪效果不佳。
为尝试解决户外背景噪声的影响，波兰矿业冶金大学提出了一种可听噪声的连续监测系统。该系统在检测电晕可听噪声的同时，同步监测背景环境的天气情况，通过人工神经网络对检测到的可听噪声数据进行分类，并依据分类结果将雨、大风等背景噪音较大情况下的检测值去除。但其本质仍为保留安静环境下测得的可听噪声数据，并未真正解决嘈杂背景环境下可听噪声的准确检测问题。另外,专利“一种由电晕电流数据获得可听噪声的方法”，首次提出了一种间接检测可听噪声的方法，但该方法仅能获取可听噪声的A声级，而无法获得可听噪声的频谱信息。因此需要一种对可听噪声测量的新方法。
发明内容
为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种特高压直流输电线路的可听噪声的检测方法，该方法利用可听噪声与电晕电流在1/3频谱上幅值的相关性，基于电晕电流的1/3倍频谱获得可听噪声的1/3倍频谱和A声级。本方法不仅可以规避环境噪声对于可听噪声测量的影响，从而解决现有可听噪声直接检测法在户外嘈杂环境下难以获得准确测量值的瓶颈问题，还可同时获得可听噪声的A声级和1/3倍频程谱两种信息，具有在户外复杂环境下可听噪声测量精确度高的优点。同时，这种方法既适用于实际输电线路又适用于大型户外电晕笼。
根据本发明的一方面，提供了一种可听噪声的间接检测方法，包括以下步骤：
S1：测量获得电晕电流的时域波形数据；
S2：对步骤S1中测得的电晕电流的时域波形数据进行降噪处理，获得降噪后的电晕电流的时域数据；
S3：求取电晕电流的1/3倍频程谱数据；
S4：计算输电导线的最大表面标称场强E，单位为kV/cm；
S5：根据电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程声压级的相关性模型,计算获得可听噪声的1/3倍频程谱；
S6：根据获得的可听噪声的1/3倍频程谱，计算获得可听噪声的A声级的间接检测值。
所述步骤S1中，测量电晕电流的时域波形时，测量带宽为20Hz-22.4kHz。
所述步骤S2中，采用多频陷波滤波器滤除窄带干扰信号，采用小波阈值降噪的方法抑制白噪声。
所述步骤S3包括如下步骤：
1)在1kHz-20kHz的频段范围内，通过下式(1)确定电晕电流的1/3倍频程的各个频段的中心频率及上下限频率：
Figure GDA0002107802110000031
其中，f为某个频段的中心频率；f2、f1分别为该频带的上、下限频率，单位均为Hz；n＝1/3；
2)通过如下方法确定电晕电流的1/3倍频程的各个频段的谱幅值：
首先，以电晕电流的1/3倍频程的每个频段为带通频带，分别对电晕电流进行带通滤波；
然后，利用下式(2)和(3)计算滤波后的电晕电流在每个频段的幅值：
Figure GDA0002107802110000032
Figure GDA0002107802110000033
其中，y(f)和Y(f)分别为以f为中心频率的频带的电晕电流的有效值和1/3倍频程谱幅值，其单位分别为mA和dB；Xk是电晕电流经过滤波后的第k个数值，
Figure GDA0002107802110000034
是电晕电流经过滤波后的平均值；N是电晕电流的数据个数。
所述步骤S4中，采用有限元法、边界元法以及模拟电荷法计算输电导线的最大表面标称场强E。
所述步骤S5中，电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程声压级的相关性模型由下式(4)确定：
Figure GDA0002107802110000041
其中，Y(fi)为电晕电流的1/3倍频程谱以频率fi为中心频率的幅值；L(fi)为可听噪声的1/3倍频程谱以频率fi为中心频率的声压级幅值；α为可听噪声与电晕电流幅值相关性的斜率，其值近似于1；βi,1和βi，2为常数，其分别代表电晕放电弱和电晕放电强两种不同的情况，其值与导线参数有关,可采用统计的方法预先获得；Ez为分界电场强度，单位为kV/cm，其值可采用下式(5)计算：
Figure GDA0002107802110000042
其中,
Figure GDA0002107802110000043
为空气相对密度,r为分裂子导线半径,单位为cm；k1为表面粗糙系数，对于绞线一般取0.4-0.6之间；k3是分界点场强与起晕场强的比值，约为1.3-2；k2为湿度校正因子，其值可由下式(6)计算：
Figure GDA0002107802110000044
其中，hr是相对湿度。
所述步骤S6中，可听噪声的A声级的间接检测值通过下式(7)确定:
Figure GDA0002107802110000045
式中，AN为可听噪声的A声级的间接检测值，单位dB；D为可听噪声所需检测点与导线之间的距离，单位为m；M为中心频率个数；Δi为不同频段的A计权系数值。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的可听噪声间接检测方法,从测量机理上规避了环境噪声对于可听噪声测量的影响，从而解决现有可听噪声直接检测法在户外嘈杂环境下难以获得准确测量值的瓶颈问题，具有在户外复杂环境下可听噪声测量精确度高的优点，它可与现有可听噪声直接检测法形成互补。
(2)本发明提供的可听噪声间接检测方法,可同时获得可听噪声的A声级和1/3倍频程谱两种信息，从而弥补其他可听噪声间接检测方法只能获得可听噪声的A声级的缺陷。
(3)本发明提供的可听噪声间接检测方法具有普适性，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，并且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测量结果准确性的影响不大。
(4)本发明提供的可听噪声间接检测方法为特高压直流输电的电磁环境研究，以及可听噪声与电晕电流二者相关性机理研究提供了有效的帮助和技术支撑。
附图说明
图1是本发明的可听噪声的间接检测方法的流程图。
图2(a)和(b)分别是6×720mm2导线在1000kV电压等级下的降噪前和降噪后的电晕电流时域波形图。
图3是电晕笼内6×720mm2导线在600kV、700kV、800kV、900kV、1100kV电压等级下的1kHz–20kHz频段内的电晕电流1/3倍频程对数功率谱图。
图4是电晕笼内6×720mm2导线在800kV电压等级下正极性导线周围电场分布。
图5(a)和(b)分别是电晕笼内6×720mm2导线在600kV、700kV、800kV、900kV、1100kV电压等级下间接检测和直接测量获得的可听噪声的1/3倍频谱。
图6是实验线段6×720mm2导线在10组实验中获得的1kHz–20kHz频段内的电晕电流的1/3倍频程对数功率谱图。
图7是实验线段6×720mm2导线在10组实验中获得的可听噪声间接检测1/3倍频程谱图。
图8是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声级间接检测值与直接测量值的对比关系图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
实施例1：电晕笼内输电导线的可听噪声的间接检测
根据本发明的可听噪声间接检测方法的具体步骤如图1所示，具体包括如下步骤：
S1：测量获得电晕电流的时域波形数据；
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内特高压直流试验线段中进行。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。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，对地高度为5m。在0KV、600kV、700kV、800kV、900kV和1100kV的电压等级下，分别测量了电晕电流。实验选择在凌晨进行，其背景环境安静，具体环境参数为：温度5℃，相对湿度50％，空气压力接近101.325kPa。在本次实验中，电晕电流信号的测量带宽为30MHz，采样率为62.5MHz。图2(a)为1000kV电压等级下降电晕电流降噪前的时域波形图。
S2：对步骤S1中测得的电晕电流的时域波形数据进行降噪处理，获得降噪后的电晕电流的时域数据；
针对电晕电流中的窄带干扰，利用陷波滤波器进行去除；针对随机白噪声，利用小波对其进行处理，获得处理后的电晕电流时域波形。图2(b)为1000kV电压等级下电晕电流降噪后的时域波形图。
S3：求取电晕电流的1/3倍频程谱数据；
1)在1kHz-20kHz的频段范围内，计算确定电晕电流的1/3倍频程谱的各频段的中心频率及其上下限频率，计算方法如式(1)所示：
Figure GDA0002107802110000061
其中，f为电晕电流的1/3倍频程的某个频段的中心频率，单位为Hz；f2、f1分别为该频段的上、下限频率，单位均为Hz；n＝1/3。
所确定的电晕电流的1/3倍频程的各频段的中心频率及其上下限频率如表1所示。
表1电晕电流的1/3倍频程的各频段的中心频率及其上下限频率
Figure GDA0002107802110000071
2)通过如下方法确定电晕电流的1/3倍频程的各个频段的谱幅值：
首先，以电晕电流的1/3倍频程的每个频段为带通频带，分别对电晕电流进行带通滤波。
然后，利用下式(2)和(3)计算滤波后电晕电流在每个频段的幅值。
Figure GDA0002107802110000072
Figure GDA0002107802110000073
式中，y(f)和Y(f)分别为以f为中心频率的频带的电晕电流有效值和1/3倍频程谱幅值，其单位分别为mA和dB；Xk是电晕电流经过滤波后的第k个数值，单位mA；
Figure GDA0002107802110000074
是电晕电流经过滤波后的平均值，单位mA；N是电晕电流的数据个数。
本实例中，对测量得到的电晕电流时域波形数据，针对表1所获得的各个频段，对电晕电流时域波形数据进行带通滤波。然后利用式(2)、(3)计算滤波后电晕电流在该谱段的有效值以及1/3倍频程谱幅值。图3为电晕笼内6×720mm2导线在600kV、700kV、800kV、900kV、1100kV电压等级下的1kHz–20kHz频段内的电晕电流1/3倍频程频谱图。
S4：计算输电导线的最大表面标称场强E，单位为kV/cm；
本实例中利用有限元法对输电导线进行仿真计算获得导线表面最大标称场强，图4为800kV电压等级下正极性导线周围的电场分布。
S5：根据电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程声压级的相关性模型,计算获得可听噪声的1/3倍频程谱；
由于人耳对可听噪声的低频谱段不敏感，所以仅获取1kHz-20kHz谱段的可听噪声频谱。其中，电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程谱的相关性模型由下式(4)确定：
Figure GDA0002107802110000081
式中，L(fi)为可听噪声的1/3倍频程谱以频率fi为中心频率的声压级幅值,其单位为dB；α为可听噪声与电晕电流幅值相关性的斜率，其值近似为1；对于固定的导线参数和可听噪声测量地点，βi,1和βi，2为常数，其分别代表电晕放电弱和电晕放电强两种不同的情况，其值与导线参数有关,可通过实验的方式预先统计获得；Ez为分界电场强度，单位为kV/cm，其值可采用下式(5)计算：
Figure GDA0002107802110000082
其中,
Figure GDA0002107802110000083
为空气相对密度,r为分裂子导线半径,单位为cm；k1为表面粗糙系数，对于绞线一般可取0.4-0.6之间；k3是分界点场强与起晕场强的比值，约为1.3-2；k2为湿度校正因子，其值可由式(6)计算：
Figure GDA0002107802110000084
式中hr是相对湿度。
依据公式(4),计算可听噪声在1kHz-20KHz频率范围内的1/3倍频程谱。
在本实例中，取α为1；对于6×720mm2型导线，βi,1和βi，2的值如下表2所示；k1和k3的值分别取为0.5和1.8。表3为各组实验的表面最大场强与Ez的比较结果。
表2电晕电流与可听噪声各频点处相关性模型的截距
Figure GDA0002107802110000091
表3各组实验的表面最大场强以及电晕放电分界点判断
Figure GDA0002107802110000092
图5(a)为1kHz–20kHz频段内电晕笼中6×720mm2导线在600kV、700kV、800kV、900kV、1100kV电压等级下，可听噪声1/3倍频程谱幅值的间接检测结果。图5(b)为利用仪器直接测量所获得的可听噪声的1/3倍频程谱图。从图中看出，间接测量获得的可听噪声的1/3倍频程谱与直接测量获得的频谱幅值近似相等。
S6：根据获得的可听噪声的1/3倍频程谱，计算获得可听噪声的A声级的间接检测值。可听噪声的A声级的间接检测值通过下式(7)确定:
Figure GDA0002107802110000093
式中，AN为可听噪声的A声级的间接检测值，单位dB；D为可听噪声所需检测点与导线之间的距离，单位为m；M为中心频率点个数，由于低频段对可听噪声A声级的影响很小，仅考虑1kHz-20kHz谱段对声级的影响；Δi为不同频段的A计权系数值，其与目前国际上使用的可听噪声A计权系数值相同。
在公式(7)中，Δi的值如表4所示:
表4不同频段的A计权值Δi
Figure GDA0002107802110000101
表5为利用本发明所获得的可听噪声的A声级间接检测值与可听噪声的A声级直接测量值的对比情况，其中，可听噪声的A声级直接测量值由丹麦B&K公司3560Pulse多通道噪声分析仪获取。
表5利用本发明所获得的可听噪声的A声级间接检测值与可听噪声的A声级直接测量值的对比实验验证结果
Figure GDA0002107802110000102
由于实验时的背景环境非常安静，因此此时可听噪声的直接检测值可认为是可听噪声的真实值。从表5中可以发现，可听噪声的A声级的间接检测值与直接测量值大小接近，间接检测法的综合不确定度不超过2.51dB。这对本发明所提出的方法的正确性和准确性进行了验证。因此，本发明所提出的可听噪声间接检测方法能够准确的获得可听噪声的1/3倍频程谱以及A声级。
实施例2：户外直流输电线段可听噪声的间接检测
为了更充分说明本发明，利用实施例2对本发明进行阐述。本实施例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。实验线段长1080m，可在0-±1200kV的范围内调压。实验采用双极性实验,导线仍为6×720mm2的导线，导线分裂间距为0.45m。在不同环境和极间距，导线距地高度的情况下，进行多次实验。同时，为了减少随机误差带来的影响，在同一环境下，进行多组测量。在本实施例中，电晕电流信号采样率为62.5MHZ，表6为测量时的条件信息。
表6各组实验的条件
Figure GDA0002107802110000111
本实施例中可听噪声的间接检测方法的具体步骤与实施例1相同，此处不再赘述。
实验结果如图6和图7所示，图6是实验线段在10组实验中获得的1kHz–20kHz频段内的电晕电流的1/3倍频程对数功率谱图；图7是在10组实验中获得的可听噪声间接检测频谱图。表7为利用本发明可听噪声的A声级的间接检测值与可听噪声的A声级的直接测量值的对比实验验证结果。
表7利用本发明可听噪声的A声级的间接检测值与可听噪声的A声级直接测量值的对比实验验证结果
Figure GDA0002107802110000121
从表7中可以发现，可听噪声的A声级计算值与测量值近似相等。图8为可听噪声的A声级间接检测值与其直接测量值的对比关系图。由表7和图8可知，采用可听噪声的A声级的间接检测值的综合不确定度不超过3.41dB，这对本发明所提出的方法的有效性进行了验证。同时，在以上10组实验中，各种实验条件(包括距地高度、极间距、温度和湿度等)都不尽相同，但所获得间接检测值的不确定度皆较好。因此，本发明所提出的间接检测法具有相当的普适性，其不仅适用于实际线路也适用于电晕笼，并且一定范围内的参数变化对间接检测值的精度影响不大。
以上实施例仅为本发明较佳的实施方案，并不用以限制本发明。其他在本发明的技术和原则之内，所做的任何改进，替换等，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可听噪声的间接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：测量获得电晕电流的时域波形数据；
S2：对步骤S1中测得的电晕电流的时域波形数据进行降噪处理，获得降噪后的电晕电流的时域数据；
S3：求取电晕电流的1/3倍频程谱数据；
S4：计算输电导线的最大表面标称场强E，单位为kV/cm；
S5：根据电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程声压级的相关性模型,计算获得可听噪声的1/3倍频程谱；
所述电晕电流的1/3倍频程谱与可听噪声的1/3倍频程声压级的相关性模型由下式(4)确定：
Figure FDA0002481684260000011
其中，Y(fi)为电晕电流的1/3倍频程谱以频率fi为中心频率的幅值；L(fi)为可听噪声的1/3倍频程谱以频率fi为中心频率的声压级幅值；α为可听噪声与电晕电流幅值相关性的斜率，其值近似于1；βi,1和βi，2为常数，其分别代表电晕放电弱和电晕放电强两种不同的情况，其值与导线参数有关，采用统计的方法预先获得；Ez为分界电场强度，单位为kV/cm，其值采用下式(5)计算：
Figure FDA0002481684260000012
其中，
Figure FDA0002481684260000013
为空气相对密度,r为分裂子导线半径，单位为cm；k1为表面粗糙系数，对于绞线一般取0.4-0.6之间；k3是分界点场强与起晕场强的比值，取1.3-2之间；k2为湿度校正因子，其值由下式(6)计算：
Figure FDA0002481684260000014
其中，hr是相对湿度；
S6：根据获得的可听噪声的1/3倍频程谱，计算获得可听噪声的A声级的间接检测值；
可听噪声的A声级的间接检测值通过下式(7)确定:
Figure FDA0002481684260000021
式中，AN为可听噪声的A声级的间接检测值，单位dB；D为可听噪声所需检测点与导线之间的距离，单位为m；M为中心频率个数；Δi为不同频段的A计权系数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，测量电晕电流的时域波形时，测量带宽为20Hz-22.4kHz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用多频陷波滤波器滤除窄带干扰信号，采用小波阈值降噪的方法抑制白噪声。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
1)在1kHz-20kHz的频段范围内，通过下式(1)确定电晕电流的1/3倍频程的各个频段的中心频率及上下限频率：
Figure FDA0002481684260000022
其中，f为电晕电流的1/3倍频程的某个频段的中心频率；f2、f1分别为该频段的上、下限频率，单位均为Hz；n＝1/3；
2)通过如下方法确定电晕电流的1/3倍频程的各个频段的谱幅值：
首先，以电晕电流的1/3倍频程的每个频段为带通频带，分别对电晕电流进行带通滤波；
然后，利用下式(2)和(3)计算滤波后的电晕电流在每个频段的幅值：
Figure FDA0002481684260000023
Figure FDA0002481684260000024
其中，y(f)和Y(f)分别为以f为中心频率的频带的电晕电流的有效值和1/3倍频程谱幅值，其单位分别为mA和dB；Xk是电晕电流经过滤波后的第k个数值，
Figure FDA0002481684260000031
是电晕电流经过滤波后的平均值；N是电晕电流的数据个数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用有限元法、边界元法或模拟电荷法计算输电导线的最大表面标称场强E。
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