CN109920634B - 一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗电网频率波动影响的基于波形合成法的变压器有源降噪控制方法，该方法包括：该有源降噪系统由两组滤波器组合构成，第一组滤波器用于电网频率稳定时的变压器噪声消除；第二组滤波器用于弥补电网频率波动引起的原波形合成的参考信号与变压器噪声相关度缺失的影响，两组滤波器都用误差麦克风采集的误差信号更新各自的滤波器权值，本发明的方法在原有的基于波形合成法的变压器有源降噪方法基础上，仍只用一个误差麦克风且能抗电网频率波动带来的降噪效果差的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电网频率降噪领域，具体涉及一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法。
背景技术：
变压器本体噪声主要来源于铁芯励磁时硅钢片磁致伸缩所引起的铁芯振动，以电源频率的2倍为基频。由于铁心材料的非线性以及沿铁芯内外框磁路长短的差异等原因，噪声频谱还包含基频的整数倍频。因此，对于频率为50Hz的电源，变压器噪声为频率主要集中在100Hz及其整数倍频上的低频周期性噪声，并且能量集中在600Hz以下频率的噪声中，所以变压器本体噪声属于已知频率的低频窄带噪声。
应对已知频率的窄带噪声，目前有基于波形合成法的有源降噪方法，即前馈的参考信号不用初级噪声传感器采集，而由主动降噪系统内部合成。根据预先采集的实际变电站环境中变压器本体噪声所含频率成分，参考信号为固定的若干100Hz的整数倍频率的叠加。基于波形合成的方法可以省去一个用于采集初级噪声参考信号的前置的初级噪声传感器，由于无需初级噪声参考传感器所以也不用考虑次级声源对初级声源传感器造成的有害反馈影响，在降低系统成本的同时还能降低系统的复杂度。
然而电网频率并不一直稳定，会有小范围的波动，使传统的波形合成方法中频率固定的基于波形合成所得到的的参考信号与实际变压器噪声信号间的相关程度严重降低，即使±0.2Hz的电网频率波动也会对传统方法下的有源降噪系统产生不可忽视的影响，使降噪效果下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。
一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法，所述方法包括如下步骤：
将参考信号一输入至第一组滤波器得到输出信号一；
将参考信号二输入至第二组滤波器得到输出信号二；
将输出信号一和输出信号二进行叠加后作为次级声源的输入；
通过误差传感器采集的误差信号更新第一组滤波器和第二组滤波器的滤波器权系数向量，并进行下一步的降噪。
优选的，所述输出信号一的获取方法为：
离线估计出次级声源到误差传感器间的次级路径传递函数S(z)，得到次级路径传递函数的估计
系统内部生成初始参考信号x1(n)，即参考信号一，根据第一组滤波器长度，即权系数个数M1得到第一组滤波器的初始参考信号向量X1(n)，其公式为：
X1(n)＝[x1(n)x1(n-1)…x1(n-M1+1)]；
将初始参考信号向量X1(n)通过第一组滤波器W1(z),与第一组滤波器权系数向量W1(n)经过卷积运算得到输出信号一y1(n)，其公式为：
y1(n)＝X1(n)W1 T(n)
其中
是第一组滤波器的权系数向量，M1是第一组滤波器的长度。
优选的，所述输出信号二的获取方法为：
系统预设初始参考信号x2(n)，即参考信号二，根据第二组滤波器长度，即权系数个数M2得到第二组滤波器的初始参考信号向量X2(n)，
X2(n)通过第二组滤波器W2(z)与第二组滤波器权系数向量W2(n)经过卷积运算得到输出信号二y2(n)，其公式为：
y2(n)＝X2(n)W2 T(n)
其中
是第二组滤波器的权系数向量，M2是第二组滤波器的长度。
优选的，对第一组滤波器权系数向量更新的方法包括如下步骤：
将初始参考信号向量X1(n)与
进行卷积运算得到第一组滤波器的实际参考信号x′1(n)，其公式为：
实际参考信号x′1(n)根据次级路径估计量模型向
长度M3得到第一组滤波器的实际参考信号向量X′1(n)，其公式为：
X′1(n)＝[x′1(n)x′1(n-1)…x′1(n-M3+1)]；
用误差传感器接收到的误差信号e(n)和实际参考信号向量X′1(n)更新第一组滤波器W1(z)的权系数向量W1(n+1)，其公式为：
W1(n+1)＝W1(n)+μ1X′1(n)e(n)
其中μ1为第一组滤波器权系数向量更新的步长。
优选的，对第二组滤波器权系数向量更新的方法包括如下步骤：
离线估计出次级声源到误差传感器间的次级路径传递函数S(z)，得到次级路径传递函数的估计
将初始参考信号向量X2(n)与
进行卷积运算得到第一组滤波器的实际参考信号x′2(n)，其公式为：
实际参考信号x′2(n)根据次级路径估计量模型向
长度M3得到第一组滤波器的实际参考信号向量X′2(n)，其公式为：
X′2(n)＝[x′2(n)x′2(n-1)…x′2(n-M3+1)]；
用误差信号e(n)和实际参考信号向量X′2(n)更新第二组滤波器W2(z)的权系数向量W2(n+1)，其公式为：
W2(n+1)＝W2(n)+μ2X′2(n)e(n)
其中，e(n)为n时刻采集的误差信号，W2(n)为n时刻的权系数向量,μ2为第二组滤波器权系数向量更新的步长。
优选的，当使用FIR滤波器表示传递函数时，利用
表示n时刻以滤波器长度M3建模的次级路径传递函数的估计
的滤波权向量。
优选的，所述初始参考信号x1(n)的表达式为：
所述初始参考信号x2(n)的初始值为0。
优选的，所述次级声源的输入y(n)的计算方法为：
y1(n)＝X1(n)W1 T(n)；
y2(n)＝X2(n)W2 T(n)；
y(n)＝y1(n)+y2(n)。
本发明的优点在于：该种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法，在原有的基于波形合成法的变压器有源降噪方法只用了误差传感器即实现变压器的有源降噪的基础上，加入了用误差信号合成参考信号的第二组滤波器，使得电网频率发生波动时，任然可以通过误差信号得到与变压器噪声信号相关的参考信号，使得整个系统能在电网频率波动时仍然能够正常工作，对变压器噪声有良好抑制。
附图说明
图1是抗电网频率波动影响的基于波形合成法的变压器有源降噪系统结构原理图；
图2是传统的基于波形合成法的变压器有源降噪系统原理图；
图3是传统的基于波形合成法的变压器有源降噪系统在电网频率波动+0.2Hz时的降噪效果仿真结果图；
图4是抗电网频率波动影响的基于波形合成法的变压器有源降噪系统在电网频率波动+0.2Hz时的降噪效果仿真结果图；
图5是第二组滤波器信号相关图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图5所示，一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法，所述方法包括如下步骤：
离线估计次级路径的方法可采用白噪声法，所述次级路径传递函数的估计
是FIR滤波器。当使用FIR滤波器表示传递函数时，利用
表示n时刻以滤波器长度M3建模的次级路径传递函数的估计
的滤波权向量。
在进行主动降噪，即欲在降噪点处生成和噪声信号等幅反相的次级声源信号前，首先要获得次级声源输出的参考信号，由于本发明中的系统由两组滤波器构成，所以两组滤波器需要各自的参考信号。第一组滤波器的设置是为了在电网频率正常时快速生成系统想要的次级声源输出，由于频率正常时的变压器噪声信号已知，所以参考信号可不用参考传感器采集而由有源降噪系统内部合成。根据已知的变压器噪声频率特性，系统内部生成第一组滤波器的初始参考信号x1(n)，其中
Fs＝16000,为采样率，第一组滤波器的初始参考信号即为与变压器噪声频率相同的几个频率信号的叠加。再根据第一组滤波器的长度，即权系数个数M1得到第一组滤波器的初始参考信号向量X1(n)，具体有：X1(n)＝[x1(n)x1(n-1)…x1(n-M1+1)]。
将第一组滤波器的初始参考信号向量X1(n)与
进行卷积运算得到第一组滤波器的实际参考信号x′1(n)，具体计算如下：
根据次级路径估计量模型向
长度M3得到第一组滤波器的实际参考信号向量X′1(n)，具体有：X′1(n)＝[x′1(n)x′1(n-1)…x′1(n-M3+1)]。
系统预设初始参考信号x2(n)，即参考信号二，其值为0，根据第二组滤波器长度，即权系数个数M2得到第二组滤波器的初始参考信号向量X2(n)，X2(n)通过第二组滤波器W2(z)与第二组滤波器权系数向量W2(n)经过卷积运算得到输出信号二y2(n)，将信号X2(n)通过第二组滤波器W2(z)，与第二组滤波器权系数向量W2(n)经过卷积运算得到第二组滤波器的输出y2(n)。具体计算如下：
y2(n)＝X2(n)W2 T(n)
其中
是第二组滤波器的权系数向量，M2是第二组滤波器的长度，当n＝0时刻X2(n)＝0，W2(n)＝0，y2(n)＝0。
本发明核心的改进就是第二组滤波器的参与使用，第二组滤波器的初始参考信号x2(n+1)用误差传感器接收的误差信号e(n)加上由第二组滤波器前一个采样点的输出信号y2(n)经过次级路径估计后计算得到的信号y′2(n)得到。具体计算如下：
其中Y2(n)＝[y2(n)y2(n-1)…y2(n-M3+1)]；
x2(n+1)＝e(n)-y′2(n)
再根据第二组滤波器的长度，即权系数个数M2得到第二组滤波器新的初始参考信号向量X2(n+1)，具体有：X2(n+1)＝[x2(n+1)x2(n)…x2(n-M2)]。
再将第二组滤波器的初始参考信号向量X2(n+1)与
进行乘加运算得到第二组滤波器新的实际参考信号x′2(n+1)，具体计算如下：
根据次级路径估计模型向量
长度M3得到第二组滤波器的实际参考信号向量X′2(n+1)，具体有：X′2(n+1)＝[x′2(n+1)x′2(n)…x′2(n-M3)]。可以发现，第二组滤波器的参考信号是通过误差传感器采集的相对于第一组滤波器的参考信号在时间上滞后的信号，但是由于变压器噪声有窄带低频且呈周期性的特性，所以滞后采集的参考信号依然与实际噪声信号线性相关，所以用误差传感器采集的误差信号可以正常用于第二组滤波器的次级声源输出以及权值更新。并且在电网频率发生波动导致第一组滤波器无法得到与噪声相关的参考信号时，第二组滤波器可以用上述方法弥补参考信号的不相关导致的频率波动时降噪效果差的影响。
第一组滤波器的输出y1(n)由信号X1(n)通过第一组滤波器W1(z),与第一组滤波器权系数向量W1(n)经过卷积运算得到。最终的输出信号y(n)由y1(n)与y2(n)相加得到。具体计算如下：
y1(n)＝X1(n)W1 T(n)
y2(n)＝X2(n)W2 T(n)
y(n)＝y1(n)+y2(n)
用误差传感器接收到的误差信号e(n)和参考信号X1(n)更新第一组滤波器W1(z)的权系数向量W1(n+1)；用误差传感器接收到的误差信号e(n)和参考信号X2(n)更新第二组滤波器W2(z)的权系数向量W2(n+1)。具体计算如下：
W1(n+1)＝W1(n)+μ1X′1(n)e(n)
W2(n+1)＝W2(n)+μ2X′2(n)e(n)
其中μ1为第一组滤波器权系数向量更新的步长，μ2为第二组滤波器权系数向量更新的步长。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (1)
1.一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将参考信号一输入至第一组滤波器得到输出信号一；
将参考信号二输入至第二组滤波器得到输出信号二；
将输出信号一和输出信号二进行叠加后作为次级声源的输入；
通过误差传感器采集的误差信号更新第一组滤波器和第二组滤波器的滤波器权系数向量，并进行下一步的降噪；
所述输出信号一的获取方法为：
离线估计出次级声源到误差传感器间的次级路径传递函数S(z)，得到次级路径传递函数的估计
系统内部生成初始参考信号x1(n)，即参考信号一，根据第一组滤波器长度，即权系数个数M1得到第一组滤波器的初始参考信号向量X1(n)，其公式为：
X1(n)＝[x1(n)x1(n-1)…x1(n-M1+1)]；
将初始参考信号向量X1(n)通过第一组滤波器W1(z),与第一组滤波器权系数向量W1(n)经过卷积运算得到输出信号一y1(n)，其公式为：
y1(n)＝X1(n)W1 T(n)
其中
是第一组滤波器的权系数向量，M1是第一组滤波器的长度；
所述输出信号二的获取方法为：
系统预设初始参考信号x2(n)，即参考信号二，根据第二组滤波器长度，即权系数个数M2得到第二组滤波器的初始参考信号向量X2(n)，
X2(n)通过第二组滤波器W2(z)与第二组滤波器权系数向量W2(n)经过卷积运算得到输出信号二y2(n)，其公式为：
y2(n)＝X2(n)W2 T(n)
其中
是第二组滤波器的权系数向量，M2是第二组滤波器的长度；
所述初始参考信号x1(n)的表达式为：
所述初始参考信号x2(n)的初始值为0；
对第一组滤波器权系数向量更新的方法包括如下步骤：
将初始参考信号向量X1(n)与
进行卷积运算得到第一组滤波器的实际参考信号x′1(n)，其公式为：
实际参考信号x′1(n)根据次级路径估计量模型向
长度M3得到第一组滤波器的实际参考信号向量X′1(n)，其公式为：
X′1(n)＝[x′1(n)x′1(n-1)...x′1(n-M3+1)]；
用误差传感器接收到的误差信号e(n)和实际参考信号向量X′1(n)更新第一组滤波器W1(z)的权系数向量W1(n+1)，其公式为：
W1(n+1)＝W1(n)+μ1X′1(n)e(n)
其中μ1为第一组滤波器权系数向量更新的步长；
对第二组滤波器权系数向量更新的方法包括如下步骤：
离线估计出次级声源到误差传感器间的次级路径传递函数S(z)，得到次级路径传递函数的估计
将初始参考信号向量X2(n)与
进行卷积运算得到第一组滤波器的实际参考信号x′2(n)，其公式为：
实际参考信号x′2(n)根据次级路径估计量模型向
长度M3得到第一组滤波器的实际参考信号向量X′2(n)，其公式为：
X′2(n)＝[x′2(n)x′2(n-1)...x′2(n-M3+1)]；
用误差信号e(n)和实际参考信号向量X′2(n)更新第二组滤波器W2(z)的权系数向量W2(n+1)，其公式为：
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| CN201910215831.3A CN109920634B (zh) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | 一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法 |
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| CN201910215831.3A Active CN109920634B (zh) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | 一种抗电网频率波动影响的变压器有源降噪方法 |
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