基於擾動跟蹤法的變壓器有源降噪系統研究
武漢大學電氣工程學院、國網湖北省電力公司技術培訓中心的研究人員王晉偉、應黎明、劉勤、楊鵬，在2018年第1期《電工技術學報》上撰文指出，變壓器雜訊是變電站中主要雜訊來源，開展變壓器有源雜訊控制研究能夠彌補無源降噪方式對低頻雜訊治理效果差的不足，具有應用價值。
對電力變壓器雜訊信號進行採集及分析，建立了複雜聲波模型。通過分析變壓器雜訊特性及各頻率分量聲壓級貢獻，將100 Hz、200 Hz、300 Hz三個能量集中的雜訊頻率分量作為消除目標，提出一種基於擾動跟蹤法的變壓器有源雜訊控制演算法。
進一步以工控機和可視化編程實現擾動跟蹤控制功能，以PCI數據卡、傳聲器和揚聲器實現雜訊信號採集及輸出功能，搭建有源降噪實驗裝置。在110 kV變電站中進行降噪實驗，實驗結果表明該系統在夾角為40°的測量區域內能取得一定降噪效果，為變壓器有源降噪系統的進一步應用研究奠定基礎。
Advertisements
毗鄰居民生活區的變電站普遍存在雜訊擾民問題，影響居民日常生活，甚至危害人體健康[1]。電力變壓器雜訊是變電站中主要雜訊來源，屬於低頻雜訊[2]。該類雜訊波長長，穿透及繞射能力強。傳統無源雜訊控制方式（如加裝吸聲、隔聲牆），對這類低頻雜訊治理效果不顯著且投資巨大[2]，同時，在變電站中大面積加裝隔音牆會導致變壓器散熱難，並給生產現場帶來安全隱患。
有源雜訊控制（Active Noise Control，ANC）技術為低頻段雜訊治理提供了有效的解決手段[3,4]。ANC應用於變壓器降噪的原理如圖1所示，即採用適當控制演算法跟蹤待消除雜訊信號，發出一個與其頻率和幅值相同、相位相反的次級聲，通過聲波相消干涉原理達到降噪目的。
Advertisements
圖1 電力變壓器有源雜訊控制系統示意圖
ANC在聲學降噪應用研究方面已取得的研究成果主要集中在封閉空間降噪[5-8]。針對變電站這類開闊空間的ANC降噪研究開展較少[9-13]，且已有成果側重於控制演算法模擬研究，物理實驗研究成果較少。文獻[9]首次將ANC技術應用於變壓器降噪，但受當時技術水平限制，只能通過人為調節來跟蹤雜訊信號，降噪效果不理想。
20世紀80年代后，電子與計算機技術的快速發展及自適應濾波理論的逐漸成熟，為ANC的應用研究奠定了基礎。文獻[10]將自適應濾波演算法中的最小方均（Least Mean Square，LMS）演算法應用於變壓器降噪，實現了自適應跟蹤變壓器雜訊信號。
其後，多位學者在此基礎上對演算法進行改進[11,12]，但LMS及其改進演算法在收斂速度與收斂精度之間存在固有矛盾，對參考信號具有高相關性要求，對次級通道辨識精度要求高及存在聲反饋現象等因素，使得這類演算法在實際應用中受到限制。
文獻[13]在FXLMS演算法的基礎上，提出了一種利用陷波器合成參考信號的電力變壓器有源降噪方法；文獻[14]在其基礎上進一步改進演算法，以減小合成參考信號與初級雜訊信號出現頻率偏差時的不利影響；文獻[15]將電源信號作為參考信號，雖然能夠避免參考信號拾取時干擾雜訊及聲反饋現象對系統的不利影響，但由於很難準確獲得由電源信號產生的鐵心振動經絕緣油、油箱壁、空氣這一振動—聲傳播路徑的傳遞函數，從而無法準確跟蹤雜訊信號並保證系統的穩定性。上述文獻中，僅有文獻[14,15]進行了100 Hz單頻雜訊物理降噪實驗。
針對目前變壓器ANC演算法在實際應用的局限性及物理實驗研究較少的問題，本文測量並分析了電力變壓器雜訊。將三個聲壓級貢獻大的頻率分量作為待消除目標，提出了一種基於擾動跟蹤法的有源控制演算法，通過模擬驗證了該演算法的有效性。
利用工控機和可視化編程實現了基於擾動跟蹤法的有源雜訊控制器功能。最後，利用PCI數據卡、傳聲器及揚聲器實現雜訊信號採集和輸出功能，搭建了一套可實際運行的降噪系統實驗裝置，並在真實變電站中進行了降噪實驗。實驗結果驗證了本文提出的電力變壓器ANC系統具有一定降噪效果。
圖11 降噪實驗圖
結論
本文提出並實現了一種基於擾動跟蹤法的電力變壓器雜訊有源控制系統，在110 kV變電站中進行了降噪實驗，並在一定區域內取得了降噪效果，為進一步應用研究提供了基礎。通過對實驗過程及結果進行分析總結，結論如下：
1）本文提出的基於擾動跟蹤法電力變壓器雜訊有源控制演算法實現容易、計算簡單，能夠有效應用於實際運行的變壓器降噪系統。
2）本文設計的基於擾動跟蹤法的電力變壓器雜訊有源控制系統能夠在變電站實際運行，並能在夾角為40°的扇形測量區域內取得平均2.3 dB的降噪效果。
3）目前，本文提出的擾動跟蹤法僅將100 Hz、200 Hz、300 Hz雜訊分量作為跟蹤目標，若將更多雜訊頻率分量作為待消除目標，預期能夠進一步提高降噪效果，但同時要考慮演算法計算複雜度和系統實現難易程度，以保證演算法在線跟蹤性能。
4）本文所採用的次級聲源陣列方案僅以經驗法進行設計，若依據變壓器雜訊空間輻射、衰減特性對次級聲源陣列方案進行優化設計，則預期能夠獲得更大的降噪區域和更好的降噪效果。（來源：電氣技術）