CN111261188B - 高压变压器噪声频谱确定方法及装置 - Google Patents

高压变压器噪声频谱确定方法及装置 Download PDF

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CN111261188B CN202010065052.2A CN202010065052A CN111261188B CN 111261188 B CN111261188 B CN 111261188B CN 202010065052 A CN202010065052 A CN 202010065052A CN 111261188 B CN111261188 B CN 111261188B
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Abstract

本发明公开高压变压器噪声频谱确定方法及装置。该方法包括：获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱。本发明提供的高压变压器噪声频谱确定方法属于高压变压器噪声频谱通用计算方法，可以分别确定换流变压器噪声频谱和主变压器噪声频谱。该方法，可以准确确定换流变压器和交流站内的主变压器实际运行时的噪声频谱，运算效率高且运算精度高。

Description

高压变压器噪声频谱确定方法及装置
技术领域
本发明属于噪声控制技术领域，具体涉及高压变压器噪声频谱确定方法及装置。
背景技术
近年来，特高压输电技术凭借技术上的优势得到快速发展，实现了更大范围资源的有效合理配置。换流站和变电站作为特高压输电工程中的核心部分，承担着电流形式和电压等级变换的重要作用，而换流站内的换流变压器和变电站内的主变压器等电气设备在运行时会产生较大噪声，对周边环境产生影响。随着特高压工程的快速建设，设备电压等级提高、容量增大，使得变电(换流)站的噪声问题愈发突显。
随着现代化进程的推进，国家对环保的要求逐渐提高，公众的环保意识不断增强，变电/换流站的噪声问题愈发受到重视，变电/换流站的噪声问题已成为制约特高压工程建设的重要因素。换流站变压器和变电站主变压器作为变电站/换流站内单体噪声最大的室外声源，是站内噪声问题的主要产生原因。获取设备准确的噪声频谱，以便在工程中更精确地控制噪声，对保障高压输电工程周边地区人民健康愉悦的生活环境和电力系统的安全可靠运行具有重要意义。
目前，变压器的噪声频谱普遍采用设备厂家试验值或以往获取的工程资料，而这些噪声频谱难以准确反映变压器的噪声特性。究其原因，一方面，厂家试验时的试验条件和运行环境等与实际工况有一定差距；另一方面，工程中影响因素较多，难以直接测量各台设备的噪声参数，因此，得到的数据准确性不足。
此外，交流站内的主变压器和换流站内的换流变压器的运行情况和设备结构等相差较大，声源特性和等效处理方法等都有较大均有所不同，由此造成试验标准和基于测量的反算情形出现很大的差异，因此，亟需一种高压变压器噪声频谱通用计算方法，从工程实际出发，准确获得变压器实际的噪声频谱。
发明内容
本发明提供高压变压器噪声频谱确定方法及装置，以解决现有技术中变压器的噪声频谱难以确定、与实际测量数据偏差较大而准确性低等问题。
第一方面，本发明提供一种高压变压器噪声频谱确定方法，包括如下步骤：
步骤S100：获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；
步骤S200：搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；
步骤S300：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S100中，采用噪声测量设备获取各测量点处的噪声频谱；
其中，各测量点处的噪声频谱包括：各测量点的全频带声压级数据及各测量点的单频带声压级数据；各测量点与待分析的变压器声源的距离和方位各不相同。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S200中，搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型，包括：
搭建待分析的变压器声源的本体声源等效模型和待分析的变压器声源的冷却装置声源等效模型；
其中，所述待分析的变压器声源的本体声源等效模型对应于变压器，所述待分析的变压器声源的冷却装置声源等效模型对应于变压器的冷却风扇阵及油泵等冷却设施；
搭建待分析的变压器声源的噪声几何模型，其中，所述噪声几何模型为根据待分析的变压器声源与其周边建筑物的尺寸、形状、位置等信息搭建的比例模型；
在所述噪声几何模型中，变压器对应于本体声源等效模型，变压器的冷却风扇阵及油泵等冷却设施对应于冷却装置声源等效模型。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S300中，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，包括：
分别将预先指定的频率范围内的各单频带作为目标频带，确定待分析的变压器声源在各目标频带下的单频带声功率级：
步骤S310：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量；
步骤S320：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，构建单频带声功率反演数学模型；
步骤S330：解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的单频带声功率级。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S310中，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，包括：
根据待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源的子声源i至测量点处j的声传播衰减量，所述声传播衰减量包括子声源i的实声源至测量点处j的声传播衰减量Aij和子声源i的虚声源至测量点处j的声传播衰减量A′ij。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于：
所述步骤S320，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，构建单频带声功率反演数学模型包括：
根据目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，及各测量点的单频带声压级数据，基于户外声传播计算模型，构建待分析的变压器声源的声功率与各测量点声压级间的数学关系阵；
其中，所述变压器声源的声功率和各测量点声压级间的数学关系阵为由每个测量点处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程组成的方程组，其中，单个测量点j处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程为：
Figure BDA0002375715160000041
其中，L′octW,i为声源i的单频带声功率级(dB)；
LoctP,j为测量点j处的单频带声压级；
A′ij为来自虚声源的声传播总衰减量；
Aij为来自实声源的声传播总衰减量；
Dc为针对实声源的指向性校正；
D′c为针对虚声源的指向性校正；
将上式记为：
Figure BDA0002375715160000042
其中
Figure BDA0002375715160000043
Figure BDA0002375715160000044
Figure BDA0002375715160000045
Figure BDA0002375715160000046
Figure BDA0002375715160000047
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于：
所述步骤S330，解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的声功率，包括：
采用两步正则化方法对单频带声功率反演数学模型进行求解，从而获得准确的数值解，即变压器本体声源和风扇声源的在单频带的声功率；
所述两步正则化方法包括：
第一步、对声功率反演数学模型进行岭估计，计算解的初始估计值X1及其均方误差矩阵MSEM(X1)：
选取单元对角阵I作为正则化矩阵，并通过岭估计，确定第一步估计值X1：
X1＝(TTT+α1I)-1TTYδ；
其中，T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α1为正则化参数；
I为正则化矩阵；
相应地，初始解X1的均方误差矩阵为
Figure BDA0002375715160000051
其中，
Figure BDA0002375715160000052
为单位权方差；
第二步、对第一步中得到的均方误差矩阵MSEM(X1)求逆，并取其对角线元素构成正则化矩阵R2，并根据Tikhonov正则化方法计算准确的数值解X2：
X2＝(TTT+α2R2)-1TTYδ；
其中，T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α2为正则化参数；
R2为正则化矩阵；
其中，在第一步和第二步中，采用L曲线方法来确定正则化参数α1和α2；
进行岭估计的估计准则为：
||TX-Yδ||2+αJ(X)＝||TX-Yδ||2+αXTRX＝min；
其中，T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α为正则化参数；
R为正则化矩阵；
J(X)为稳定泛函；
||·||为2范数。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S300中，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，还包括：
根据确定的待分析的变压器声源在预先指定的频率范围内的各单频带声功率，组合成待分析的变压器声源的噪声频谱，其中，所述预先指定的频率范围为从31.5Hz至8kHz，该频率范围内的各单频带的标称中心频率分别为：31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、和8kHz。
进一步地，所述的高压变压器噪声频谱确定方法，在所述步骤S300之后，还包括：
步骤S400：根据确定的待分析的变压器声源的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的声传播路径上的任一指定位置点的噪声频谱，所述任一指定的位置点的噪声频谱包括：全频带声压级数据及单频带声压级数据。
第二方面，本发明提供一种高压变压器噪声频谱确定装置，包括：
测量点噪声频谱获取单元，用于获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；
噪声预测模型搭建单元，用于搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；
声源噪声频谱解算单元，用于根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱。
本发明提供的高压变压器噪声频谱确定方法属于高压变压器噪声频谱通用计算方法，可以分别确定换流变压器噪声频谱和主变压器噪声频谱。
本发明提供的高压变压器噪声频谱确定方法，从工程实际出发，可以准确确定换流变压器和交流站内的主变压器实际运行时的噪声频谱，运算效率高且运算精度高。
本发明中采用的两步正则化方法解算声源声功率反算模型，相比迭代Tihonov正则化方法更加简单方便，且既没有单步Tikhonove正则化的收敛性不高的缺陷，也不会出现迭代求解中终止条件不合理导致的结果发散现象。
本发明提供的高压变压器噪声频谱确定方法，基于户外声学传播计算模型，根据变压器周边噪声的实测数据通过逆向计算确定变压器的噪声频谱，避免了实验测量方法中条件难以满足实际运行情况和实际测量时的设备相互影响等难题；结合设备实际运行情况，与工程实际紧密结合，可计算不同输送功率、不同运行环境等各种状态下的换流变压器噪声频谱和主变压器噪声频谱；实施时简单易行，保证了噪声频谱的准确性和及时性，对变电(换流)站噪声的有效控制和安全运行具有重要意义。
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为本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定装置的组成示意图；
图3是本发明另一实施例中换流变压器噪声频谱确定方法的流程示意图；
图4是本发明实施例中换流变压器组声学几何模型和测点分布图；
图5是本发明实施例中换流变压器组的噪声预测模型三维图；
图6是本发明实施例中换流变压器组的噪声场中某一测量点处噪声实测频谱；
图7是本发明实施例中反演确定的换流变压器的噪声频谱图；
图8是本发明实施例中换流变压器在500Hz频率所在单频带的预测曲线；
图9是本发明实施例中换流变压器的全频带预测误差图；
图10是本发明实施例中换流变压器的噪声场中多个测量点处的声压预测误差图。
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。
鉴于交流变电站内的主变压器和换流站内的换流变压器的运行情况和设备结构等相差较大，其声源特性和等效处理方法等都有较大不同，目前难以实现对换流变压器噪声频谱和主变压器噪声频谱的通用计算。
如图1所示，本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，包括如下步骤：
步骤S100：获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；
步骤S200：搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；
步骤S300：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱。
应该理解为，步骤S100与步骤S200为并列关系。调整这两个步骤执行的先后顺序后，属于相同的技术方案，具有相同的技术效果。
应该理解为，待分析的变压器声源可以包括一个高压变压器及其冷却设施，还可以包括由多个高压变压器及其冷却设施组成的变压器组。
应该理解为，待分析的变压器声源可以包括多个子声源。如，每一个高压变压器及其冷却设施分别为一个子声源；如，在变压器组中，每一个高压变压器及其冷却设施分别为一个子声源。优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S100中，采用噪声测量设备获取各测量点处的噪声频谱；
其中，各测量点处的噪声频谱包括：各测量点的全频带声压级数据及各测量点的单频带声压级数据；各测量点与待分析的变压器声源的距离和方位各不相同。
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S200中，搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型，包括：
搭建待分析的变压器声源的本体声源等效模型和待分析的变压器声源的冷却装置声源等效模型；
其中，所述待分析的变压器声源的本体声源等效模型对应于变压器，所述待分析的变压器声源的冷却装置声源等效模型对应于变压器的冷却风扇阵及油泵等冷却设施；
搭建待分析的变压器声源的噪声几何模型，其中，所述噪声几何模型为根据待分析的变压器声源与其周边建筑物的尺寸、形状、位置等信息搭建的比例模型；
在所述噪声几何模型中，变压器对应于本体声源等效模型，变压器的冷却风扇阵及油泵等冷却设施对应于冷却装置声源等效模型。
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S300中，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，包括：
分别将预先指定的频率范围内的各单频带作为目标频带，确定待分析的变压器声源在各目标频带下的单频带声功率级：
步骤S310：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量；
步骤S320：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，构建单频带声功率反演数学模型；
步骤S330：解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的单频带声功率级。
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S310中，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，包括：
根据待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源的子声源i至测量点处j的声传播衰减量，所述声传播衰减量包括子声源i的实声源至测量点处j的声传播衰减量Aij和子声源i的虚声源至测量点处j的声传播衰减量A′ij。
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于：
所述步骤S320，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，构建单频带声功率反演数学模型包括：
根据目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，及各测量点的单频带声压级数据，基于户外声传播计算模型，构建待分析的变压器声源的声功率与各测量点声压级间的数学关系阵，其中，所述变压器声源的声功率和各测量点声压级间的数学关系阵为由每个测量点处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程组成的方程组，其中单个测量点j处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程为：
Figure BDA0002375715160000101
其中，L′octW,i为声源i的单频带声功率级(dB)；
LoctP,j为测量点j处的单频带声压级；
Dc为针对实声源的指向性校正；
D′c为针对虚声源的指向性校正；
其中，实声源指所有实际的等效声源；虚声源指各实声源由反射镜像等效的声源。
将上式记为：
Figure BDA0002375715160000102
其中
Figure BDA0002375715160000103
Figure BDA0002375715160000111
Figure BDA0002375715160000112
Figure BDA0002375715160000113
Figure BDA0002375715160000114
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于：
所述步骤S330，解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的声功率，包括：
采用两步正则化方法对单频带声功率反演数学模型进行求解，从而获得准确的数值解，即变压器本体声源和风扇声源的在单频带的声功率；
所述两步正则化方法包括：
第一步、对声功率反演数学模型进行岭估计，计算解的初始估计值X1及其均方误差矩阵MSEM(X1)：
选取单元对角阵I作为正则化矩阵，并通过岭估计，确定第一步估计值X1：
X1＝(TTT+α1I)-1TTYδ；
其中，T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α1为正则化参数；
I为正则化矩阵；
相应地，初始解X1的均方误差矩阵为
Figure BDA0002375715160000115
其中，
Figure BDA0002375715160000116
为单位权方差；
第二步、对第一步中得到的均方误差矩阵MSEM(X1)求逆，并取其对角线元素构成正则化矩阵R2，并根据Tikhonov正则化方法计算准确的数值解X2：
X2＝(TTT+α2R2)-1TTYδ；
其中，T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α2为正则化参数；
R2为正则化矩阵；
其中，在第一步和第二步中，采用L曲线方法来确定正则化参数α1和α2；
进行岭估计的估计准则为：
||TX-Yδ||2+αJ(X)＝||TX-Yδ||2+αXTRX＝min；
其中，T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α为正则化参数；
R为正则化矩阵；
J(X)为稳定泛函；
||·||为2范数。
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，
所述步骤S300中，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，还包括：
根据确定的待分析的变压器声源在预先指定的频率范围内的各单频带声功率，组合成待分析的变压器声源的噪声频谱，其中，所述预先指定的频率范围为从31.5Hz至8kHz，该频率范围内的各单频带的标称中心频率分别为：31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、和8kHz。
优选地，该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，在所述步骤S300之后，还包括：
步骤S400：根据确定的待分析的变压器声源的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的声传播路径上的任一指定位置点的噪声频谱，所述任一指定的位置点的噪声频谱包括：全频带声压级数据及单频带声压级数据。
如图2所示，本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定装置，包括：
测量点噪声频谱获取单元10，用于获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；
噪声预测模型搭建单元20，用于搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；
声源噪声频谱解算单元30，用于根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱。
本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，结合变压器的实际运行情况，与工程实际紧密结合，分别计算不同输送功率、不同运行环境等各种状态下的换流变压器噪声频谱和主变压器噪声频谱。该方法实施时简单易行，能够保证噪声频谱的准确性和及时性；而准确且及时的噪声频谱对实施变电(换流)站噪声的有效控制和安全运行具有重要的工程应用意义。
本发明一个实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，针对变压器声源，反演其9个倍频带的噪声频谱，包括如下步骤：
步骤1：获取多个测量点处的噪声频谱；
步骤2：建立变压器噪声预测模型；
步骤3：反演变压器声源包括有9个倍频带的噪声频谱。
具体地，步骤1中，选用声级计等噪声测量设备在多个测量点处测量噪声，以获取各测量点处的噪声频谱，其中，各测量点处的噪声频谱包括各倍频带分别对应的声压级。
具体地，步骤2中，建立变压器噪声预测模型包括：
步骤2-1：分别建立变压器声源的本体声源等效模型和冷却装置声源等效模型；
步骤2-2：建立变压器噪声几何模型。
具体地，步骤2-1中，将变压器声源分为本体声源和风扇声源并分别等效；其中，本体等效声源对应于经噪声控制后的变压器；所述噪声控制技术用于对变压器本体进行封闭式隔声处理或其他消声控制。风扇等效声源对应于变压器的冷却风扇、油泵等冷却设施；
具体地，步骤2-2中，建立变压器噪声几何模型为根据变压器声源与其周边建筑物的尺寸、形状、位置等信息搭建的比例模型，包括根据变压器场内防火墙等建筑物的物理尺寸建立的障碍物等效模型。
具体地，步骤3中，声源的噪声频谱为声源在31.5Hz至8kHz范围内的倍频带频谱数据；应该理解为，根据反演的技术要求，也可以处理声源在2Hz至20kHz范围内的倍频带频谱数据。
针对31.5Hz至8kHz范围内的各倍频作为中心的各单频带，反演声源的噪声频谱包括：
步骤3-1：基于ISO9613-2户外声传播计算方法，计算各单频带下变压器声源的各子声源i至测量点j的声衰减量，该声传播衰减量包括子声源i的实声源至测量点处的声传播衰减量Aij和子声源i的虚声源至测量点处j的声传播衰减量A′ij；
步骤3-2：构建单频带声功率反演数学模型；
步骤3-3：解算单频带声功率反演数学模型，获得声源在该单频带下的声功率级；
循环步骤3-1至3-3，直至获得在31.5Hz至8kHz范围内声源的以各倍频作为中心的各单频带的声功率级，以用于后续组合而成为噪声频谱。
具体地，步骤3-1中，各单频带下变压器声源的各子声源i至测量点j的声衰减量，即声源传播至测量点间的总衰减量A。应该理解为，总声衰减量A中包含有几何发散、大气吸收、地面效应和屏障衰减等因素造成的衰减量。
具体地，步骤3-2中，构建单频带声功率反演数学模型，包括：
利用步骤3-1计算得到的单频带下声源至测量点间的声传播衰减量，基于户外声传播计算模型，构建变压器单频带声功率级与各测量点的声压级间的数学关系阵，也即单频带声功率反演数学模型。
具体地，户外声传播计算模型描述了户外环境中点声源的传播规律，用于计算户外环境中点声源传播至测量点处的声压级LoctP：
LoctP＝LoctW+DC-A
上式中，LoctW为点声源的声功率级(dB)，用于表征该点声源的声能；DC为点声源的指向性校正(dB)；A为点声源到测量点间的声衰减量总衰减量(dB)。
应该理解为，线声源和面声源的声传播计算公式虽然与点声源不同，但都是基于点声源得出；线声源和面声源通常情况下可等效为点声源进行声场计算。
基于户外声传播计算模型，确定单个测量点的声压级与本体等效声源的声功率级和风扇等效声源的声功率级的关系方程：
记测量点j处的各单频带下的声压级LoctP,j与该单频带下本体等效声源的声功率级和风扇等效声源的声功率级的关系方程为：
Figure BDA0002375715160000151
上式中：Aij为该单频带下声源i的实声源到测量点j间的声传播总衰减量；A′ij为该单频带下声源i的虚声源到测量点j的声传播总衰减量；1＜j＜n，n为测量点的总数量，如图4和图5中的18；1＜i＜m，m为子声源的数量，如图4和图5中的12；DC为实声源的指向性校正(dB)；D′C虚声源的指向性校正(dB)。这里，各变压器声源的等效声源的指向性相同，因此指向性校正相同，因此不设置下标进行区分。
将上式改写为：
Figure BDA0002375715160000152
其中，
Figure BDA0002375715160000153
Figure BDA0002375715160000154
Figure BDA0002375715160000155
Figure BDA0002375715160000156
Figure BDA0002375715160000161
将全部的测量点的声压级LoctP,j与本体等效声源的声功率级和风扇等效声源的声功率级的关系方程组合，得到的数学关系阵即单频带声功率反演数学模型：
Figure BDA0002375715160000162
将上式记为：TX＝Y，其中，T为已知量，Y为已知量，X为待求解的未知量。
具体地，步骤3-3中解算单频带声功率反演数学模型，获得声源在单频带下的声功率，包括：
采用两步正则化方法对步骤3-2中构建的变压器噪声频谱反演数学模型进行求解，从而获得变压器噪声频谱反演数学模型准确的数值解，也即单频带下的本体声源和风扇声源的声功率级LoctW,i。
具体地，两步Tikhonov正则化方法包括：
第一步、对反演数学模型进行岭估计，计算解的估计值X1及其均方误差矩阵MSEM(X1)；
第二步、根据第一步得到的均方误差矩阵MSEM(X1)构造新的正则化矩阵R，然后根据Tikhonov正则化方法计算准确的数值解X2。
相比单步Tikhonov正则化方法和迭代Tikhonov正则化方法，两步Tikhonov正则化方法在第二步求解中根据第一步求解结果调整正则化矩阵R，不仅提高了结果的收敛阶数，而且避免了在迭代Tikhonov正则化方法求解中因为终止条件选取不合理而造成的结果发散现象。且该两步正则化方法简单易行，快速方便，不存在单步Tikhonov正则化方法收敛阶数不高的缺陷，也不会出现迭代Tikhonov正则化方法求解中终止条件不合理导致的结果发散现象。
具体地，在该两步正则化方法中，对反演数学模型进行岭估计的估计准则为：
||TX-Yδ||2+αJ(X)＝||TX-Yδ||2+αXTRX＝min
上式中，
T：X→B为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，这里为声压级，δ为测量误差水平；
α为正则化参数；
R为正则化矩阵；
J(X)为稳定泛函；
||·||为2范数。
具体地，该两步正则化方法的具体解法为：
第一步解法：选取R＝I，则第一步正则化计算实质上就是岭估计，解的估计值X1的计算公式为
X1＝(TTT+α1I)-1TTYδ，其中，α1为第一正则化参数；
解的估计值X1相应的均方误差矩阵为：
Figure BDA0002375715160000171
上式中，
Figure BDA0002375715160000172
为单位权方差。
第二步解法：将第一步解法得到的均方差矩阵MSEM(X1)求逆，然后取其对角线元素，构成第二步正则化计算的正则化矩阵R2，即R＝R2＝diag(MSEM(X1)-1)；
根据Tikhonov正则化理论，解的估计值X2的计算公式为
X2＝(TTT+α2R2)-1TTYδ，其中，α2为第二正则化参数。
具体地，在该两步正则化方法中，均用L曲线方法来确定正则化参数α，也即α1和α2。
具体地，步骤3-4中循环操作步骤3-1至3-3获得声源31.5Hz至8kHz范围内的倍频带噪声频谱，具体为，依次选取31.5Hz至8kHz范围内倍频带的标称中心频率31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz为目标频率(共9个单频带)，循环操作步骤3-1至3-3，即可获得对应目标频率下声源的声功率，并组合为变压器的噪声频谱。
具体地，组合变压器的噪声频谱包括：
操作步骤3-1至3-3每次循环的计算结果为声源在一个单频带下对应的声功率；完成所有单个的目标频带下对应的声功率后，按照单频带的顺序依次写出所有频带下对应的声功率，即可以得到变压器的声功率频谱，也即变压器声源的噪声频谱；
根据各目标频率下的声源声功率级，将各频率作为横坐标，各频率对应的声功率作为纵坐标，画出各频带与声功率级对应的频谱图，也即变压器声源的噪声频谱，如图7所示。
在求解得出变压器声源的声功率频谱数据后，可进一步结合各单频带下声源至测量点的声传播衰减量，计算得出声源外任一点处的声压级。
综上，本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定方法，不仅避免了实验测量方法中的实验条件苛刻的情况，而且解决了工程实际测量过程中设备相互影响导致结果不准的难题，对变电(换流)站噪声的有效控制和安全运行具有重要意义。
本发明实施例的噪声频谱确定方法，操作简单易行，充分考虑了设备实际运行情况，能够实现设备噪声频谱的实时计算；条理清晰、准确度高、易于程序化，可大大减少人力、物力成本，便于工程应用。
本发明实施例的噪声频谱确定方法，适应性强，既可用于交流变电站内的主变压器声功率的反演，也可用于换流站内的换流变压器声功率的反演。
下面以如图4所示的特高压换流变组为对象，对本发明实施例的高压变压器噪声频谱确定方法进行描述。如图4所示，该换流变压器组内有6台换流变压器，各换流变之间由防火墙隔开。换流变的前方设置有换流变风扇，也即，图4中总计有12个子声源。选择图4中所示的每台换流变压器的前方、距离换流变风扇分别为5m、10m、20m处的测量点为反演方法所采用的测量点，也即，图图4中总计有18个测量点。
如图3所示，该方法具体包括：
步骤S1：获取测量点噪声数据；
采用校准后的噪声分析仪，逐一对图4中所示的18个测量点采集并记录噪声频谱。测量中，选择噪声分析仪自带的倍频程分析模块，可直接获得各测量点处的声压级频谱。图6中示出了其中一个测量点处的声压级频谱，其中，横坐标为各倍频程的中心频率及其倍频带(即16Hz、31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz、16kHz)，纵坐标为各倍频带对应的声压级(dB)。
步骤S2：搭建换流变压器噪声预测模型；
根据换流变压器组(以下简称换流变)实际的地理分布和建筑的尺寸搭建换流变压器场噪声预测几何模型。以换流变压器声源等效模型相关指导文件为基础，结合换流变压器实际尺寸和工程布置情况搭建合理的声源等效模型。
具体地，如图5所示，确定每台换流变压器包括本体声源和风扇声源，并将换流变的本体声源等效为一个距离地面1.5m高、7.5m长、7m宽的水平面声源，将换流变的风扇声源等效为一个距离地面1m高、5m长、7m宽的垂直面声源。图5即该换流变的声噪声预测模型三维图。
步骤S3：反演该换流变声源，其在31.5Hz至8kHz范围内的倍频带频谱数据，包括：
步骤S3-1：计算单频带下全部子声源至各测量点的声传播衰减量：
根据步骤S2中搭建的噪声预测模型，对换流变声源对应于任一单频带的声功率级赋予任意大于40dB的声功率值，并计算各测量点处的噪声数据，进而得出该频带下全部声源至各测量点间的声传播总衰减量。
应该理解为，设定该已知声功率值为任意大于40dB的数值；此处大于40dB是一个估计值，用于防止后续衰减量计算发生计算错误。
步骤S3-2：构建单频带声功率反演数学模型；
根据步骤S1和S3-1所得声源至测量点间的声传播总衰减量和测量点处的噪声频谱，以户外声传播计算模型为基础，构建换流变噪声频谱中单频带声功率级反演数学模型。
步骤S3-3：解算声功率反演数学模型获得声源单频带的声功率；
采用两步正则化方法对步骤S3-2中构建的变压器噪声频谱反演数学模型进行求解，获得模型准确的解析解，即变压器声源的本体声源和风扇声源分别对应的各单频带下的声功率级。
步骤S3-4：循环操作步骤S3-1至S3-3获得声源31.5Hz至8kHz范围内的倍频带噪声频谱。如图3所示，累计共反演了9个倍频带(也即，m为9，i依次取0～8)的声功率级。
具体地，依次选取31.5Hz至8kHz31.5Hz至8kHz范围内倍频带的标称中心频率31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz为目标频率，循环操作步骤33-1至3-3，获得对应频率下声源的声功率，最后组合成变压器的噪声频谱。图7所示为反演得到的某特高压换流变本体声源和风扇声源的声功率频谱。
在得出变压器声源的声功率频谱数据后，可进一步计算得出声源的声功率和声压级，结合单频带下声源至测量点的声传播衰减量，计算得出声源外任一点处的频谱和声压级。
为了验证该实施例的高压变压器噪声频谱确定方法生成的噪声频谱的准确性，图8示出了12个测量点处以500Hz为中心频率的单频带的预测声压级曲线。图9示出了距离该换流变分别为1m、5m、10m、20m处在全频带上的预测误差曲线。从图9中可以看出，基于该实施例的噪声频谱确定方法得到的声源声功率进行噪声预测，无论是工程噪声预测主频500Hz频率上的预测误差，还是全频带上各单频带上的预测误差均处于±2dB(A)以内。
如图10所示，对比分析了12个测量点处的采用反演方法得到的声压级数据、工程资料和实测变压器数据。从图10中可看出，采用反演方法得到的声源数据进行声压级预测的精度比采用工程资料进行预测的精度更高。
以上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//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、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 (8)

1.一种高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100：获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；
步骤S200：搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；
步骤S300：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，包括：
分别将预先指定的频率范围内的各单频带作为目标频带，确定待分析的变压器声源在各目标频带下的单频带声功率级：
步骤S310：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量；
步骤S320：根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，构建单频带声功率反演数学模型，包括：根据目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，及各测量点的单频带声压级数据，基于户外声传播计算模型，构建待分析的变压器声源的声功率与各测量点声压级间的数学关系阵，其中，所述变压器声源的声功率和各测量点声压级间的数学关系阵为由每个测量点处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程组成的方程组，其中单个测量点j处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程为：
Figure FDA0003834350380000011
其中，L′octW,i为声源i的单频带声功率级(dB)；
LoctP,j为测量点j处的单频带声压级；
A′ij为来自虚声源的声传播总衰减量；
Aij为来自实声源的声传播总衰减量；
Dc为针对实声源的指向性校正；
D′c为针对虚声源的指向性校正；
将上式记为：
Figure FDA0003834350380000021
其中
Figure FDA0003834350380000022
Figure FDA0003834350380000023
Figure FDA0003834350380000024
Figure FDA0003834350380000025
Figure FDA0003834350380000026
步骤S330：解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的单频带声功率级。
2.根据权利要求1所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于，
所述步骤S100中，采用噪声测量设备获取各测量点处的噪声频谱；
其中，各测量点处的噪声频谱包括：各测量点的全频带声压级数据及各测量点的单频带声压级数据；各测量点与待分析的变压器声源的距离和方位各不相同。
3.根据权利要求2所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于，
所述步骤S200中，搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型，包括：
搭建待分析的变压器声源的本体声源等效模型和待分析的变压器声源的冷却装置声源等效模型；
其中，所述待分析的变压器声源的本体声源等效模型对应于变压器，所述待分析的变压器声源的冷却装置声源等效模型对应于变压器的冷却风扇阵及油泵冷却设施；
搭建待分析的变压器声源的噪声几何模型，其中，所述噪声几何模型为根据待分析的变压器声源与其周边建筑物的尺寸、形状、位置信息搭建的比例模型；
在所述噪声几何模型中，变压器对应于本体声源等效模型，变压器的冷却风扇阵及油泵冷却设施对应于冷却装置声源等效模型。
4.根据权利要求1所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于，
所述步骤S310中，根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，包括：
根据待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源的子声源i至测量点处j的声传播衰减量，所述声传播衰减量包括子声源i的实声源至测量点处j的声传播衰减量Aij和子声源i的虚声源至测量点处j的声传播衰减量A′ij。
5.根据权利要求1所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于：
所述步骤S330，解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的声功率，包括：
采用两步正则化方法对单频带声功率反演数学模型进行求解，从而获得准确的数值解，即变压器本体声源和风扇声源的在单频带的声功率；
所述两步正则化方法包括：
第一步、对声功率反演数学模型进行岭估计，计算解的初始估计值X1及其均方误差矩阵MSEM(X1)：
选取单元对角阵I作为正则化矩阵，并通过岭估计，确定第一步估计值X1：
X1＝(TTT+α1I)-1TTYδ；
其中，T：X→Y为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α1为正则化参数；
I为正则化矩阵；
相应地，初始解X1的均方误差矩阵为
Figure FDA0003834350380000031
其中，
Figure FDA0003834350380000032
为单位权方差；
第二步、对第一步中得到的均方误差矩阵MSEM(X1)求逆，并取其对角线元素构成正则化矩阵R2，并根据Tikhonov正则化方法计算准确的数值解X2：
X2＝(TTT+α2R2)-1TTYδ；
其中，T：X→Y为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α2为正则化参数；
R2为正则化矩阵；
其中，在第一步和第二步中，采用L曲线方法来确定正则化参数α1和α2；
进行岭估计的估计准则为：
||TX-Yδ||2+αJ(X)＝||TX-Yδ||2+αXTRX＝min；
其中，T：X→Y为Hilbert空间X和Y之间的线性紧算子，
Yδ＝Y+δ，表示带测量误差的测量值，δ为测量误差水平；
α为正则化参数；
R为正则化矩阵；
J(X)为稳定泛函；
||·||为2范数。
6.根据权利要求1所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于，
所述步骤S300中，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，还包括：
根据确定的待分析的变压器声源在预先指定的频率范围内的各单频带声功率，组合成待分析的变压器声源的噪声频谱，其中，所述预先指定的频率范围为从31.5Hz至8kHz，该频率范围内的各单频带的标称中心频率分别为：31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、和8kHz。
7.根据权利要求1所述的高压变压器噪声频谱确定方法，其特征在于，在所述步骤S300之后，还包括：
步骤S400：根据确定的待分析的变压器声源的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的声传播路径上的任一指定位置点的噪声频谱，所述任一指定的位置点的噪声频谱包括：全频带声压级数据及单频带声压级数据。
8.一种高压变压器噪声频谱确定装置，其特征在于，包括：
测量点噪声频谱获取单元，用于获取待分析的变压器声源的声传播路径上的多个测量点的噪声频谱；
噪声预测模型搭建单元，用于搭建待分析的变压器声源的噪声预测模型；
声源噪声频谱解算单元，用于根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，确定待分析的变压器声源的噪声频谱，包括：
分别将预先指定的频率范围内的各单频带作为目标频带，确定待分析的变压器声源在各目标频带下的单频带声功率级：
根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，计算目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量；
根据各测量点的噪声频谱和待分析的变压器声源的噪声预测模型，构建单频带声功率反演数学模型，包括：根据目标频带下待分析的变压器声源至各测量点的声传播衰减量，及各测量点的单频带声压级数据，基于户外声传播计算模型，构建待分析的变压器声源的声功率与各测量点声压级间的数学关系阵，其中，所述变压器声源的声功率和各测量点声压级间的数学关系阵为由每个测量点处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程组成的方程组，其中单个测量点j处的声压级与所有变压器本体声源声功率和风扇声源声功率的关系方程为：
Figure FDA0003834350380000051
其中，L′octW,i为声源i的单频带声功率级(dB)；
LoctP,j为测量点j处的单频带声压级；
A′ij为来自虚声源的声传播总衰减量；
Aij为来自实声源的声传播总衰减量；
Dc为针对实声源的指向性校正；
D′c为针对虚声源的指向性校正；
将上式记为：
Figure FDA0003834350380000061
其中
Figure FDA0003834350380000062
Figure FDA0003834350380000063
Figure FDA0003834350380000064
Figure FDA0003834350380000065
解算单频带声功率反演数学模型，确定待分析的变压器声源在目标频带下的单频带声功率级。
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