CN111063528B - 变压器有源降噪设备及变压器噪声在线监测*** - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种变压器有源降噪设备及变压器噪声在线监测***，该设备包括误差传感器、自适应反馈控制***和次级声源，误差传感器用于采集所处坏境中变压器的噪声信号，并将噪声信号发送至自适应反馈控制***，自适应反馈控制***根据接收的噪声信号分析得到环境噪声数据，根据环境噪声数据采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，得到有源降噪信号发送至次级声源，以控制次级声源的次级声源的功率和发声精度满足有源降噪的要求，能够有效降低变压器噪音，提高了变压器有源降噪的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及电力电网技术领域，特别是涉及一种变压器有源降噪设备及变压器噪声在线监测***。
背景技术
随着我国经济的发展，工业和居民用电需求增加，城市电网负荷水平的不断提升，大容量电力变压器深入负荷中心，部分变电站将不得不选址在电力负荷密集的城市中心区域。变压器在工作状态产生的噪声，导致变电站附近噪声强度增加，严重影响周边居民的正常生活和工作，不仅如此，变压器噪声也反应了变压器运行状态。变压器故障无论是设计、制造、安装、运行维护、外界干扰或破坏等哪个方面的原因，它都要通过声音的形式表现出来，声音异常是故障的表征，事故的前兆。在实践中，多年来电力企业一直重视变压器的安全，噪声判断则是判断变压器是否正常的重要手段。变压器正常运行时会发出连续均匀的“嗡嗡”声，如果存在其他噪音，则变压器有故障或有故障的可能。因此，如何有效地消除和抑制变压器噪声已成为一个热门的研究课题。
传统的变压器噪声有源消声法在距变压器1m内安放若干噪声发生器，让这些噪声发生器发出的噪声和变压器噪声互相抵消，进而将变压器噪声衰减或抑制。但是，由于变压器有源降噪***的次级通道(包括次级声源、误差传感器和声传递通道等)存在噪声和扰动，使得控制器在自适应的过程中不能收敛到最优解，导致变压器降噪***的实际降噪效果难以达到预期目标，有源降噪可靠性低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高有源降噪可靠性的变压器有源降噪设备及变压器噪声在线监测***。
一种变压器有源降噪设备，包括误差传感器、自适应反馈控制***和次级声源，所述自适应反馈控制***连接所述误差传感器和所述次级声源；
所述误差传感器用于采集所处坏境中变压器的噪声信号，并将噪声信号发送至所述自适应反馈控制***，所述自适应反馈控制***根据接收的噪声信号分析得到环境噪声数据，根据所述环境噪声数据采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，得到有源降噪信号发送至所述次级声源，控制所述次级声源的功率和发声精度。
在其中一个实施例中，所述环境噪声数据包括时域噪声数据和频率噪声数据。
在其中一个实施例中，所述自适应反馈控制***通过所述有源降噪信号对所述次级声源的进行参数配置，以使所述次级声源根据配置参数输出降噪信号。
在其中一个实施例中，所述配置参数包括位置、数目、幅值和初相角。
在其中一个实施例中，所述自适应反馈控制***包括信号处理装置和处理器，所述信号处理装置连接所述误差传感器和所述次级声源，所述处理器连接所述信号处理装置。
在其中一个实施例中，变压器有源降噪设备还包括连接所述自适应反馈控制***的数据上传装置和报警装置。
在其中一个实施例中，所述数据上传装置包括485型变送器和数据导出器，所述485型变送器连接所述自适应反馈控制***和所述数据导出器。
在其中一个实施例中，变压器有源降噪设备还包括集中器，所述集中器连接所述485型变送器，还用于与基站通信。
一种变压器噪声在线监测***，包括远程控制终端和上述变压器有源降噪设备。
在其中一个实施例中，变压器噪声在线监测***还包括移动终端，所述移动终端与所述远程控制终端通信。
上述变压器有源降噪设备及变压器噪声在线监测***，通过误差传感器用于采集所处坏境中变压器的噪声信号，自适应反馈控制***根据接收的噪声信号分析得到环境噪声数据，根据环境噪声数据采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，得到有源降噪信号发送至次级声源，以控制次级声源的次级声源的功率和发声精度满足有源降噪的要求，能够有效降低变压器噪音，提高了变压器有源降噪的可靠性。
附图说明
图1为一实施例中变压器有源降噪设备的结构框图；
图2为一实施例中变压器有源降噪设备的原理图；
图3为一实施例中自适应反馈控制***的离散域等效图；
图4为一实施例中基本粒子群算法的流程图；
图5为一实施例中自适应反馈控制***的软件框架结构图；
图6为一实施例中变压器噪声在线监测***的硬件结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
电力变压器的噪声包括辅助冷却装置噪声和电力变压器本体噪声，噪声频率主要包括100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz和600Hz，为低频噪声。变压器噪声的低频特性使得传统的被动降噪技术效果不明显且价格昂贵。国外一些大型电力变压器制造公司和相关研究机构对变压器噪声问题进行了大量研究，研究方向主要涉及到变压器：噪声和声学特性、振动机理、降噪方法和措施等。国内对变压器噪声抑制方面的研究相对滞后于国外，研究工作主要集中在变压器噪声机理以及控制，定性分析和实践经验总结方面。随着测试技术和计算机辅助分析的发展，国内有些学者从测试变压器噪声振动频谱方面进行分析，还有利用有限元技术分析变压器噪声机理。
在有源降噪***中，最关键的内容便是如何有效的复制初级噪声源，并产生等幅反向的次级声波，这主要依赖于***结构的合理设计以及次级声源参数的优化选择。围绕这些问题，国内外学者已作了大量的研究工作。1955年曾有人提出通过有源降噪技术来控制变压器噪声。他对一座15000kVA的大型变压器进行了实验。在单个扬声器降噪的实验中，虽然在误差传感器处取得了最大15dB的降噪量，但是降噪范围仅仅局限在扬声器辐射轴向上非常小的角度之内，而且其它方向噪声可能还会增大。为了获得全局性的降噪效果，必须增加扬声器的数目。***中的变增益放大器和移相器都是人工进行调节，由于变压器噪声不断地发生变化，需要人工经常进行调节，不仅费时费力，而且很不准确，提高***的自动调节能力，发展自适应***是解决该问题的关键。
目前对电力变压器有源降噪技术的研究，已经在多方面取得了重大进展，比如：①与相关学科领域的理论结合，深层次剖析变压器噪声产生的机理；②构建变压器噪声辐射模型进行变压器周边声场预测，逐渐从实验研究向理论研究发展；③研究对象涉及不同规格的变压器，研究规模不断扩大；④声强噪声标定法等新技术方法不断引入到研究中。但将有源降噪技术应用到实际的电力变压器噪声控制，尚存在如下关键性技术问题：
1)电力变压器噪声测量和分析。已知电力变压器的本体噪声主要是由铁芯的磁致伸缩振动引起，以100Hz为基频。对变压器噪声进行测量可以了解变压器噪声特性，进而针对所需降噪的噪声频段进行有源降噪设计。目前常用的噪声测量方法有声压法和声强法两种，正确分析这两种方法的优缺点，选择合适的方法进行变压器的声功率级分析、声压级分析和低频噪声分析,可以为变压器的有源降噪研究提供数据支持。
2)电力变压器噪声源的合理建模。目前存在的噪声源模型，一般是形状规则且由时谐函数激发，但在实际的变压器噪声控制中，噪声源一般具有时间上随机性和空间上分布不规则等性质，因此，如何正确分析噪声源的类型和特征，并建立其合理的简化建模，关系到整个有源降噪***的设计及优化，具有至关重要的作用。
3)变压器有源降噪***的自适应设计及参数优化。电力变压器噪声源一般具有时间上随机性和空间上分布不规则等特点，为了获得全局、实时的较好降噪效果，有源降噪***必须具有自适应性，这其中次级声源的参数是关键，可以采用各种方法对其进行优化，同时误差传感器的选择，应尽量使实际的控制目标逼近理论的控制目标。
电力变压器有源降噪是三维自由声场空间的有源噪声控制，基于声场相干理论和惠更斯原理而实施。因此，本身请提出在自适应***上建立一种半球声源模型，正确分析噪声源的类型和特征，基于粒子群算法对次级声源的数目、位置、初相角和幅值四个参数进行优化，得到一套有效的次级声源参数优化方法，通过初调和微调，实现了正方体降噪区域的空间降噪。
在一个实施例中，提供了一种变压器有源降噪设备，适用于配电变压器低频降噪***，有效降低低频噪声。如图1所示，变压器有源降噪设备包括误差传感器100、自适应反馈控制***200和次级声源300，自适应反馈控制***200连接误差传感器100和次级声源300。误差传感器100用于采集坏境中变压器的噪声信号，并将噪声信号发送至自适应反馈控制***200，自适应反馈控制***200根据接收的噪声信号分析得到环境噪声数据，根据环境噪声数据采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，得到有源降噪信号发送至次级声源300，控制次级声源300的功率和发声精度。
其中，误差传感器100和次级声源300的数量并不唯一，可以根据实际需求进行调整。通过各误差传感器100进行噪声检测生成信号并发送至自适应反馈控制***200，自适应反馈控制***200建立半球声源模型分析噪声源的类型和特征，将有源降噪的目标函数设定为各个误差传感器处声压平方和最小，采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，发出有源降噪信号到次级声源300，使次级声源300的功率和发声精度要满足有源降噪的要求。
在一个实施例中，自适应反馈控制***200通过有源降噪信号对次级声源300的进行参数配置，以使次级声源300根据配置参数输出降噪信号。其中，配置参数具体包括位置、数目、幅值和初相角。自适应反馈控制***200基于粒子群算法对次级声源的数目、位置、初相角和幅值四个参数进行优化，提高了对变压器有源降噪的准确性。
自适应反馈控制***200的具体硬件结构并不唯一，在一个实施例中，如图2所示，自适应反馈控制***200包括信号处理装置220和处理器240，信号处理装置220连接误差传感器100和次级声源300，处理器240连接信号处理装置220。通过信号处理装置220对接收的信号进行测量和处理分析，得到环境噪声数据，处理器240结合环境噪声数据，以各个误差传感器处声压平方和最小为有源降噪的目标函数建立约束条件，采用基本粒子群算法进行参数优化，信号处理装置220再根据优化结果生成有源降噪信号发送至次级声源300。其中，信号处理装置220包括测量部分222、控制部分224和发生部分226，通过控制部分224控制测量部分222进行信号测量分析，以及控制发生部分226生成有源降噪信号发送至次级声源300。
对应地，在一个实施例中，误差传感器100包括麦克风110和第一放大器120，麦克风110通过第一放大器120连接信号处理装置220。麦克风110对所处坏境噪音进行采集，采集的信号经第一放大器120放大处理后发送至信号处理装置220。
进一步地，次级声源300包括第二放大器320和扬声器340，扬声器340通过第二放大器320连接信号处理装置220。信号处理装置220输出的有源降噪信号经第二放大器320放大后传输至扬声器340，扬声器340根据接收的信号进行参数配置，发出次级声源信号对变压器噪声进行有源降噪。
具体地，在一个实施例中，环境噪声数据包括时域噪声数据和频率噪声数据。自适应反馈控制***200根据误差传感器100监测到的噪声信号分别进行时域分析和频率分析，得到时域噪声数据和频率噪声数据，如图3所示为自适应反馈控制***200的离散域等效图。自适应反馈控制***200再结合有源降噪的目标函数建立约束条件，利用自适应粒子群算法进行参数优化。
如图4所示为基本粒子群算法的流程图，先种群初始化N个粒子的初始位置和初始速度，计算各粒子的适应度，结合约束条件更新个体历史最优粒子pbest和种群最优粒子gbest，根据目标函数分析粒子gbest是否达到精度要求，若是则结束优化，若否，则判断是否达到最大迭代次数。在达到最大优化次数时结束优化，反之则更新各粒子的速度和位置返回更新个体历史最优粒子pbest和种群最优粒子gbest的步骤。采用基本粒子群算法对参数优化进行初调和微调，得到的优化参数可实现正方体降噪区域的空间降噪。
此外，自适应反馈控制***200还支持对采集的环境噪声数据以及生成的优化参数进行保存、输出和读取操作，例如自适应反馈控制***200可将相关数据通过数据传输接口上传至终端以便操作人员查看，此外，操作人员还可以发送查询指令，自适应反馈控制***200根据查询指令读取对应数据发送至显示器进行显示。如图5所示为自适应反馈控制***200的软件框架结构图，自适应反馈控制***200包括数据采集、输出、存储、读取模块，噪声测量分析模块以及有源降噪模块，其中，数据采集、输出、存储、读取模块用作进行数据采集、数据输出、数据存储和数据读取功能，噪声测量分析模块用于进行时域分析和频域分析，时域分析包含分析噪声信号的时间-幅值数据和时间-声压级数据，频域分析包含分析噪声信号的频率-幅值数据和频率-声压级数据。有源降噪模块用于根据自适应粒子群算法进行参数优化。
此外，在一个实施例中，变压器有源降噪设备还包括连接自适应反馈控制***200的数据上传装置和报警装置。自适应反馈控制***200可通过数据上传装置将数据上传至本地终端，也可以是通过数据上传装置将数据发送至基站，通过广域网传输至远程控制终端。此外，自适应反馈控制***200还在采集的噪声数据超过预设的限定阈值时控制报警装置进行报警，当变压器噪声过高时提醒操作人员及时检修。报警装置进行报警的方式并不是唯一的，可以是通过控制报警灯闪烁报警，或者通过报警扬声器发声报警，也可以是通过控制显示器显示报警信息。此外，报警装置还可以是采用以上方式的组合进行报警。
在一个实施例中，数据上传装置包括485型变送器和数据导出器，485型变送器连接自适应反馈控制***200和数据导出器。485型变送器将自适应反馈控制***20输出的数据通过数据导出器导出以实现数据转移。此外，485型变送器还通过线路将数据发送至基站，通过基站将数据上传至广域网。
进一步地，变压器有源降噪设还包括集中器，集中器连接485型变送器，还用于与基站通信。集中器具体可采用GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)集中器，集中器将485型变送器传输的数据发送至基站，此外，集中器还可根据传输的数据生成数据曲线导出，以便操作人员进行数据查看和统计分析。
上述变压器有源降噪设备，根据环境噪声数据采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，得到有源降噪信号发送至次级声源，以控制次级声源的次级声源的功率和发声精度满足有源降噪的要求，能够有效降低变压器噪音，提高了变压器有源降噪的可靠性。此外，有源降噪技术以***小、重量轻、低频效果好等优点应用于配电变压器低频降噪***，有效降低低频噪声，能够有效解决住宅小区配电变压器噪声问题，降低噪声对居民的影响，而且可以给供电单位工作人员不断加强对住宅小区配电变压器的研究，制定更加合理的降噪方案，更好的保障居住区的环境，具有较高的实用价值。
在一个实施例中，还提供了一种变压器噪声在线监测***，包括远程控制终端和上述变压器有源降噪设备。此外，变压器噪声在线监测***还包括移动终端，移动终端与远程控制终端通信。具体如图6所示，自适应反馈控制***200上传的数据经485型变送器和集中器发送至基站，通过广域网传输到远程控制终端进行显示，实现远程对变压器噪声进行在线监测。远程控制终端还可将数据共享到移动终端进行显示，便于操作人员随时查看数据。其中，远程控制终端通信可以是台式电脑，移动终端可以是手机、笔记本或可穿戴设备。此外，移动终端也可以是通过云平台直接与广域网通信，获取变压器噪声数据进行查看。
上述变压器噪声在线监测***，根据环境噪声数据采用基本粒子群算法进行次级声源的参数优化，得到有源降噪信号发送至次级声源，以控制次级声源的次级声源的功率和发声精度满足有源降噪的要求，能够有效降低变压器噪音，提高了变压器有源降噪的可靠性。同时还可通过远程控制终端实现对变压器噪声远程在线监控，提高了变压器噪声监控的便利性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种变压器有源降噪设备，其特征在于，包括误差传感器、自适应反馈控制***和次级声源，所述自适应反馈控制***连接所述误差传感器和所述次级声源；
所述自适应反馈控制***包括信号处理装置和处理器，所述信号处理装置连接所述误差传感器和所述次级声源，所述处理器连接所述信号处理装置；所述误差传感器包括麦克风和第一放大器，所述麦克风通过所述第一放大器连接所述信号处理装置；所述次级声源包括第二放大器和扬声器，所述扬声器通过所述第二放大器连接所述信号处理装置；
所述误差传感器用于采集所处坏境中变压器的噪声信号，并将噪声信号发送至所述自适应反馈控制***，所述自适应反馈控制***根据接收的噪声信号，通过建立半球声源模型分析噪声源的类型和特征，得到环境噪声数据，并将有源降噪的目标函数设定为各个误差传感器处声压平方和最小，再根据所述环境噪声数据，采用基本粒子群算法进行次级声源的数目、位置、初相角和幅值的参数优化，得到有源降噪信号发送至所述次级声源，控制所述次级声源的功率和发声精度；
所述基本粒子群算法的过程为：先种群初始化N个粒子的初始位置和初始速度，计算各粒子的适应度，结合约束条件更新个体历史最优粒子pbest和种群最优粒子gbest，根据目标函数分析粒子gbest是否达到精度要求，若是则结束优化，若否，则判断是否达到最大迭代次数；在达到最大优化次数时结束优化，反之则更新各粒子的速度和位置返回更新个体历史最优粒子pbest和种群最优粒子gbest的步骤；
所述自适应反馈控制***还支持对采集的环境噪声数据进行时域分析和频域分析，所述时域分析包含分析噪声信号的时间-幅值数据和时间-声压级数据，所述频域分析包含分析噪声信号的频率-幅值数据和频率-声压级数据。
2.根据权利要求1所述的变压器有源降噪设备，其特征在于，所述环境噪声数据包括时域噪声数据和频率噪声数据。
3.根据权利要求1所述的变压器有源降噪设备，其特征在于，所述自适应反馈控制***通过所述有源降噪信号对所述次级声源的进行参数配置，以使所述次级声源根据配置参数输出降噪信号。
4.根据权利要求1所述的变压器有源降噪设备，其特征在于，还包括连接所述自适应反馈控制***的数据上传装置和报警装置。
5.根据权利要求4所述的变压器有源降噪设备，其特征在于，所述数据上传装置包括485型变送器和数据导出器，所述485型变送器连接所述自适应反馈控制***和所述数据导出器。
6.根据权利要求5所述的变压器有源降噪设备，其特征在于，还包括集中器，所述集中器连接所述485型变送器，还用于与基站通信。
7.一种变压器噪声在线监测***，其特征在于，包括远程控制终端和权利要求1-6任意一项所述的变压器有源降噪设备。
8.根据权利要求7所述的变压器噪声在线监测***，其特征在于，还包括移动终端，所述移动终端与所述远程控制终端通信。
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