變電站內噪聲研究及控制系統(tǒng)設計

趙宏飛，姜寧，馬宏忠，李凱，許宏華，李勇

（1. 江蘇省電力公司 檢修分公司揚州分部，江蘇 揚州 225000；2. 江蘇省電力公司 南京供電公司，江蘇 南京 210008；3. 河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

近年來，隨著城市中心變電站數(shù)量增多以及人們對生活居住環(huán)境品質要求的提升，噪聲擾民以及居民投訴事件越來越多[1-3]。文獻資料以及實測顯示，配電變電站的主要噪聲是變壓器產生的，且大部分噪聲是屬于低頻噪聲[4-6]，噪聲主要頻率分量為100 Hz、200 Hz、300 Hz等，且為緩變信號，在一段時間內比較穩(wěn)定，不會發(fā)生突變，適合進行自適應有源控制。由于低頻噪聲衰減慢，傳播距離遠，穿透力強，能輕易穿越障礙物，穿透墻壁直入人耳，難治理，對變電站周邊居民影響較大。目前采用的傳統(tǒng)無源控制技術，主要通過吸聲處理、隔聲處理，以及使用振動隔離、阻尼減振等方法達到降低變電站噪聲的目的[7]。不足的是，對低頻噪聲控制的效果不明顯，且施工量很大。噪聲有源控制技術是通過控制系統(tǒng)及次聲源（揚聲器）產生與原噪聲幅值相等、頻率相同、相位相反的次級聲波，與原噪聲在一定區(qū)域內進行疊加，相互抵消，從而達到降低噪聲的目的。其優(yōu)點是：低頻部分降噪效果明顯，降噪裝置體積小，成本低。有源噪聲控制技術降噪的特點，正好適用于變電站中的變壓器等發(fā)出的強大低頻噪聲，因此，具有很高的研究價值。

本文針對城市內配電變電站內的噪聲特點，設計了一種基于TMS320F28335的變電站噪聲有源控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用自適應濾波算法，數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）保證快速地實現(xiàn)自適應算法。本文研究對其他場合噪聲控制裝置的研制有一定的參考價值。

1 變電站噪聲信號分析及噪聲自適應有源控制原理

1.1 實測變壓器噪聲特性分析

為選擇合適的自適應控制算法相關參考信號，在距離變壓器油箱2 m處，對南京江東門110 kV變電站內變壓器四周的噪聲進行測量，如圖1（a）所示。然后對測量噪聲信號進行初步分析，得到如圖1（b）所示的實測噪聲時域及其頻譜圖。

圖1 變電站內變壓器噪聲實測圖Fig. 1 The measured figure of the substation transformer noise

從變電站實測變壓器噪聲信號的頻譜圖中發(fā)現(xiàn)：變壓器噪聲中能量較大頻率分量主要集中在500 Hz以內，且為100 Hz整倍數(shù)的頻率（電網(wǎng)工頻的偶數(shù)倍），可以認為變壓器的噪聲為線譜噪聲，而且這些特征頻率信號在一段時間內比較穩(wěn)定，不會因外界干擾而發(fā)生突然變化，噪聲的上述特征和參考文獻[1]中的情況一致。由于頻率越高的噪聲，越容易衰減，而低頻分量難衰減，因此以噪聲信號中能量較大的低頻分量為研究重點，并以此構建相關參考信號，針對變電站內變壓器的低頻噪聲研究自適應濾波算法。

1.2 自適應有源噪聲控制原理

單次級聲源前饋有源噪聲控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。圖中設控制系統(tǒng)的參考信號和次級聲源輸出信號分別為：x（n）和y（n），誤差傳感器接收到的誤差信號為e（n）[7]。

圖2 自適應有源控制系統(tǒng)Fig. 2 Adaptive active control system block diagram

在實際應用中，通常會采用濾波型最小均方（filtered-X least mean square）算法[7-8]，算法控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。使參考信號通過一個與次級通路相同的附加通路Hs（z），從而達到更新LMS算法中權系數(shù)的目的，解決因誤差信號e（n）延時導致的誤差信號與參考信號x（n）在時序上無法正確“對齊”的問題，H贊s（z）為Hs（z）的估計，W（z）為自適應濾波器，本算法采用的是有限脈沖響應結構[8-9]。

圖3 FXLMS算法控制系統(tǒng)框圖Fig. 3 FXLMS control system block diagram

FXLMS算法控制系統(tǒng)框圖中，x（n）與p（n）的關系是：

誤差傳感器收到的d（n）和s（n）信號分別為

此算法采用FIR濾波器形式，第n時刻濾波器的權系數(shù)和參考輸入信號分別用矢量形式表示為

濾波器的輸出信號為

設初級噪聲具有局部平穩(wěn)性，可認為自適應濾波權系數(shù)W（n）在長度L時段內基本上不變。將式（6）代入次級信號式（3）得

r信號矢量與參考信號矢量的關系為

因此，誤差傳感器接收到的信號e（n）可表示為

自適應算法主要采用最小均方算法，根據(jù)快速下降的原則，控制器參數(shù)向量W（n）的修正量為

第n+1時刻，自適應控制器的參數(shù)向量W（n）的公式為

式中：要求變量的取值范圍為0<μ<1，μ為控制收斂穩(wěn)定性與收斂速度的系數(shù)。

2 系統(tǒng)總體結構與設計

通過對變電站變壓器噪聲自適應有源控制的研究，設計以DSP為核心的自適應有源噪聲控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設計結構如圖4所示。系統(tǒng)主要由：傳聲器部分（聲傳感器）、外圍信號調理部分以及信號處理控制部分的3個部分組成[10]。傳聲器部分包括：噪聲測量傳感器和揚聲器。外圍信號處理部分包括：信號放大器、高頻濾波器、A/D轉換，D/A轉換以及低頻功率放大器等。系統(tǒng)處理控制器部分主要指DSP處理器TMS320F28335。在實際應用時，應根據(jù)變壓器尺寸大小以及變電站環(huán)境，在變壓器四周布放有源噪聲控制系統(tǒng)裝置，對變壓器周圍的噪聲進行立體控制。

單通道有源噪聲控制器系統(tǒng)的工作原理為：初級傳感器采集的噪聲信號和誤差傳感器采集的誤差信號分別通過信號調理電路中的放大器對信號進行放大（調理），然后經(jīng)過A/D采集電路模塊中內置的濾波器將信號中的高頻分量濾除，再將最終的模擬信號轉換為數(shù)字信號。信號處理器將轉換后的數(shù)字信號讀取后進行自適應濾波運算控制，最后將運算控制結果送至D/A轉換器，D/A轉換器將模擬信號輸出到功率放大器，并驅動揚聲器。揚聲器發(fā)出與原信號大小相等、相位相反的信號，與原信號合成，最終達到降低變電站噪聲的目的。

圖4 系統(tǒng)總體設計示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the overall system design

2.1 信號處理模塊

TMS320F28335型DSP是一款高端數(shù)字信號處理器，它具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，與以往定點型的DSP相比，其性能平均提高了50%[11-14]。此外，還具有精度高，功耗小，性能高，外設集成度高以及數(shù)據(jù)和程序存儲量大等優(yōu)點。在系統(tǒng)裝置中，F(xiàn)28335處理器主要實現(xiàn)模擬量噪聲信號的采集控制，數(shù)字量輸入/輸出控制以及數(shù)字信號處理分析等功能。

2.2 AD轉換模塊

ADC(模/數(shù)轉換器)是數(shù)據(jù)采集電路的重要組成部分，在控制系統(tǒng)中占有重要的地位。本系統(tǒng)設計時，選用美國ADI公司推出的新一代8通道雙極性同步采樣AD7606。實驗時，選取輸入量程范圍是±10 V，因此AD7606傳遞函數(shù)為

式中：CODE為16位二進制輸出補碼；Vin為輸入電壓，可正可負；VREE為參考電壓，選取的是2.5 V內部基準電壓。AD7606與TMS320F28335的連接電路如圖5所示。

根據(jù)本系統(tǒng)的設計需要，只分析處理1 kHz以內的低頻噪聲信號，所以設置A/D采樣頻率為10 kHz。在AD7606內部的調理電路中，已經(jīng)包含了高輸入阻抗、低噪聲的信號調理電路，同時輸入端集成了高頻濾波器，因此，不再需要設計額外的外部驅動和濾波電路。在運行時，控制器F28335通過對AD7606管腳OS[2:0]控制，設置芯片過采樣倍數(shù)為8，此時，芯片內部的過采樣控制器以及數(shù)字濾波電路會被打開。因此，F(xiàn)28335在處理信號時無需再進行數(shù)字濾波，節(jié)省了大量控制和數(shù)據(jù)運算時間。

圖5 AD7606和F28335的連接電路圖Fig. 5 Connection circuit of AD7606 and F28335

2.3 DA轉換模塊

噪聲有源控制系統(tǒng)中，次級聲源的輸出需要考慮D/A轉換器的性能指標主要是模擬信號建立的時間。在本設計系統(tǒng)中采用的是美國德州儀器公司生產TLV5616。數(shù)字電源和模擬電源分別供電，TMS320 F28335與TLV5616的連接電路如圖6所示。

圖6 TLV5616與F28335的連接電路圖Fig. 6 Connection circuit of TLV5616 and F28335

信號處理器讀取轉換后的數(shù)字信號進行自適應濾波運算控制，再將運算結果送至D/A芯片TLV5616，D/A轉換器輸出模擬信號到功率放大器以及聲音揚聲器，最終達到抵消變電站變壓器噪聲的目的。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

有源噪聲控制系統(tǒng)裝置的主程序以及中斷處理程序流程如圖7所示。軟件系統(tǒng)中DSP采用中斷的方式進行，當DSP完成初始化后，便進入中斷等待狀態(tài)，F(xiàn)XLMS算法主要在中斷服務程序中進行。

圖7 系統(tǒng)軟件程序流程圖Fig. 7 System software program flow chart

系統(tǒng)主程序主要完成基本的寄存器定義、端口定義以及系統(tǒng)初始化，初始化完成后等待中斷，判斷是否執(zhí)行中斷處理程序。在響應中斷的過程中讀取采集的數(shù)據(jù)，完成通道的FXLMS算法，最后輸出數(shù)據(jù)。在上述工作流程中，自適應濾波算法的執(zhí)行為整個DSP軟件部分的重點，該部分效果直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和實時性。

3.2 算法程序流程圖

算法程序中的自適應濾波器采用30階FIR濾波器，由于低頻分量噪聲難衰減，幅值較大，因此采用輸入信號x（n）中能量較大的低頻分量作為相關參考信號s（n）。再加上這些特征頻率信號在一段時間內比較穩(wěn)定，不會因外界干擾而發(fā)生突然變化，因此，可利用上一時刻信號的誤差值來修正下一時刻自適應濾波器的系數(shù)，系數(shù)μ取值為0.5。算法程序流程如圖8所示。

圖8 算法程序流程圖Fig. 8 Software program flow chart

自適應有源噪聲控制實驗系統(tǒng)的軟件設計主要采用基于CCS軟件的C語言進行開發(fā)，采用C語言編程比較靈活，而且其可讀性和可移植性強、便于算法程序的修改和完善。

4 變電站噪聲抑制效果分析

為驗證算法的有效性，先利用Matlab對算法有效性進行實驗驗證。輸入信號x（n）為變電站采集的實測變壓器噪聲信號，參考信號s（n）為噪聲信號中能量較大的100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz和500 Hz低頻分量。x（n）=s（n）+v（n），v（n）為其他的剩余高頻分量以及隨機的突變及雜散信號。然后構建以s（n）為參考信號的自適應控制算法，對變電站實測噪聲進行抑制分析，并觀察抑制效果。變壓器原始參考輸入噪聲信號和降噪后的噪聲信號如圖9所示，圖9（a）是降噪前后時域波形比較圖，圖9（b）是降噪前后頻譜分析比較圖。

圖9 降噪前后的結果分析比較圖Fig. 9 Analysis of the results before and after denoising

從圖9（a）降噪前后時域圖中可以發(fā)現(xiàn)：對噪聲進行濾波抑制后，可以使噪聲剩余量變得很小，趨近于0。從圖9（b）降噪前后的頻譜圖中可以發(fā)現(xiàn)：低頻的周期噪聲信號基本濾除，高頻噪聲以及諸如汽車、工地、說話等非周期信號還有一定的剩余，由于非周期信號的不可預知性，對其抑制比較難。由于本算法能夠有效地降低能量較大的低頻周期噪聲信號，對多頻的線譜噪聲有著良好的控制效果，使降噪達到滿意的效果，剩余噪聲對整個降噪的效果影響可以忽略。在變電站變壓器噪聲抑制的應用中，要注意參考信號與噪聲信號的相關性，它們的相關性越大，自適應噪聲控制系統(tǒng)的噪聲控制效果越好。當然，自適應濾波算法還需進一步優(yōu)化和改進，比如使用變步長LMS濾波算法、歸一化LMS濾波算法等，使降噪達到更加滿意的效果。

5 結語

通過對變電站內變壓器周圍實測噪聲分析后得出：變電站中低頻噪聲中能量較大頻率分量相對比較確定，主要是500 Hz以下的4～5個頻率分量，且這些特征頻率信號在一段時間內比較穩(wěn)定，不會因外界干擾而發(fā)生突然變化。

由于低頻噪聲很難衰減，針對此特點，本文基于自適應有源噪聲控制技術，構建和變電站主要噪聲分量相關的參考信號，設計了以TMS320F28335為核心處理器的變電站有源噪聲控制系統(tǒng)。以DSP為核心處理器的自適應有源噪聲控制系統(tǒng)具有收斂速度快、運行性能穩(wěn)定的特點，獲得了理想的降噪效果。本文的自適應濾波算法還需進一步優(yōu)化和改進，使算法應用達到更加滿意的效果。在變電站噪聲抑制的實際應用中，還應考慮現(xiàn)場各種復雜情況，才能使變電站降噪達到滿意的效果。

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