变电站内噪声研究及控制系统设计

赵宏飞，姜宁，马宏忠，李凯，许宏华，李勇

（1. 江苏省电力公司 检修分公司扬州分部，江苏 扬州 225000；2. 江苏省电力公司 南京供电公司，江苏 南京 210008；3. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

近年来，随着城市中心变电站数量增多以及人们对生活居住环境品质要求的提升，噪声扰民以及居民投诉事件越来越多[1-3]。文献资料以及实测显示，配电变电站的主要噪声是变压器产生的，且大部分噪声是属于低频噪声[4-6]，噪声主要频率分量为100 Hz、200 Hz、300 Hz等，且为缓变信号，在一段时间内比较稳定，不会发生突变，适合进行自适应有源控制。由于低频噪声衰减慢，传播距离远，穿透力强，能轻易穿越障碍物，穿透墙壁直入人耳，难治理，对变电站周边居民影响较大。目前采用的传统无源控制技术，主要通过吸声处理、隔声处理，以及使用振动隔离、阻尼减振等方法达到降低变电站噪声的目的[7]。不足的是，对低频噪声控制的效果不明显，且施工量很大。噪声有源控制技术是通过控制系统及次声源（扬声器）产生与原噪声幅值相等、频率相同、相位相反的次级声波，与原噪声在一定区域内进行叠加，相互抵消，从而达到降低噪声的目的。其优点是：低频部分降噪效果明显，降噪装置体积小，成本低。有源噪声控制技术降噪的特点，正好适用于变电站中的变压器等发出的强大低频噪声，因此，具有很高的研究价值。

本文针对城市内配电变电站内的噪声特点，设计了一种基于TMS320F28335的变电站噪声有源控制系统。系统采用自适应滤波算法，数字信号处理（digital signal processing，DSP）保证快速地实现自适应算法。本文研究对其他场合噪声控制装置的研制有一定的参考价值。

1 变电站噪声信号分析及噪声自适应有源控制原理

1.1 实测变压器噪声特性分析

为选择合适的自适应控制算法相关参考信号，在距离变压器油箱2 m处，对南京江东门110 kV变电站内变压器四周的噪声进行测量，如图1（a）所示。然后对测量噪声信号进行初步分析，得到如图1（b）所示的实测噪声时域及其频谱图。

图1 变电站内变压器噪声实测图Fig. 1 The measured figure of the substation transformer noise

从变电站实测变压器噪声信号的频谱图中发现：变压器噪声中能量较大频率分量主要集中在500 Hz以内，且为100 Hz整倍数的频率（电网工频的偶数倍），可以认为变压器的噪声为线谱噪声，而且这些特征频率信号在一段时间内比较稳定，不会因外界干扰而发生突然变化，噪声的上述特征和参考文献[1]中的情况一致。由于频率越高的噪声，越容易衰减，而低频分量难衰减，因此以噪声信号中能量较大的低频分量为研究重点，并以此构建相关参考信号，针对变电站内变压器的低频噪声研究自适应滤波算法。

1.2 自适应有源噪声控制原理

单次级声源前馈有源噪声控制系统的结构如图2所示。图中设控制系统的参考信号和次级声源输出信号分别为：x（n）和y（n），误差传感器接收到的误差信号为e（n）[7]。

图2 自适应有源控制系统Fig. 2 Adaptive active control system block diagram

在实际应用中，通常会采用滤波型最小均方（filtered-X least mean square）算法[7-8]，算法控制系统框图如图3所示。使参考信号通过一个与次级通路相同的附加通路Hs（z），从而达到更新LMS算法中权系数的目的，解决因误差信号e（n）延时导致的误差信号与参考信号x（n）在时序上无法正确“对齐”的问题，H赞s（z）为Hs（z）的估计，W（z）为自适应滤波器，本算法采用的是有限脉冲响应结构[8-9]。

图3 FXLMS算法控制系统框图Fig. 3 FXLMS control system block diagram

FXLMS算法控制系统框图中，x（n）与p（n）的关系是：

误差传感器收到的d（n）和s（n）信号分别为

此算法采用FIR滤波器形式，第n时刻滤波器的权系数和参考输入信号分别用矢量形式表示为

滤波器的输出信号为

设初级噪声具有局部平稳性，可认为自适应滤波权系数W（n）在长度L时段内基本上不变。将式（6）代入次级信号式（3）得

r信号矢量与参考信号矢量的关系为

因此，误差传感器接收到的信号e（n）可表示为

自适应算法主要采用最小均方算法，根据快速下降的原则，控制器参数向量W（n）的修正量为

第n+1时刻，自适应控制器的参数向量W（n）的公式为

式中：要求变量的取值范围为0<μ<1，μ为控制收敛稳定性与收敛速度的系数。

2 系统总体结构与设计

通过对变电站变压器噪声自适应有源控制的研究，设计以DSP为核心的自适应有源噪声控制系统，系统总体设计结构如图4所示。系统主要由：传声器部分（声传感器）、外围信号调理部分以及信号处理控制部分的3个部分组成[10]。传声器部分包括：噪声测量传感器和扬声器。外围信号处理部分包括：信号放大器、高频滤波器、A/D转换，D/A转换以及低频功率放大器等。系统处理控制器部分主要指DSP处理器TMS320F28335。在实际应用时，应根据变压器尺寸大小以及变电站环境，在变压器四周布放有源噪声控制系统装置，对变压器周围的噪声进行立体控制。

单通道有源噪声控制器系统的工作原理为：初级传感器采集的噪声信号和误差传感器采集的误差信号分别通过信号调理电路中的放大器对信号进行放大（调理），然后经过A/D采集电路模块中内置的滤波器将信号中的高频分量滤除，再将最终的模拟信号转换为数字信号。信号处理器将转换后的数字信号读取后进行自适应滤波运算控制，最后将运算控制结果送至D/A转换器，D/A转换器将模拟信号输出到功率放大器，并驱动扬声器。扬声器发出与原信号大小相等、相位相反的信号，与原信号合成，最终达到降低变电站噪声的目的。

图4 系统总体设计示意图Fig. 4 Schematic diagram of the overall system design

2.1 信号处理模块

TMS320F28335型DSP是一款高端数字信号处理器，它具有高速的数据处理能力，与以往定点型的DSP相比，其性能平均提高了50%[11-14]。此外，还具有精度高，功耗小，性能高，外设集成度高以及数据和程序存储量大等优点。在系统装置中，F28335处理器主要实现模拟量噪声信号的采集控制，数字量输入/输出控制以及数字信号处理分析等功能。

2.2 AD转换模块

ADC(模/数转换器)是数据采集电路的重要组成部分，在控制系统中占有重要的地位。本系统设计时，选用美国ADI公司推出的新一代8通道双极性同步采样AD7606。实验时，选取输入量程范围是±10 V，因此AD7606传递函数为

式中：CODE为16位二进制输出补码；Vin为输入电压，可正可负；VREE为参考电压，选取的是2.5 V内部基准电压。AD7606与TMS320F28335的连接电路如图5所示。

根据本系统的设计需要，只分析处理1 kHz以内的低频噪声信号，所以设置A/D采样频率为10 kHz。在AD7606内部的调理电路中，已经包含了高输入阻抗、低噪声的信号调理电路，同时输入端集成了高频滤波器，因此，不再需要设计额外的外部驱动和滤波电路。在运行时，控制器F28335通过对AD7606管脚OS[2:0]控制，设置芯片过采样倍数为8，此时，芯片内部的过采样控制器以及数字滤波电路会被打开。因此，F28335在处理信号时无需再进行数字滤波，节省了大量控制和数据运算时间。

图5 AD7606和F28335的连接电路图Fig. 5 Connection circuit of AD7606 and F28335

2.3 DA转换模块

噪声有源控制系统中，次级声源的输出需要考虑D/A转换器的性能指标主要是模拟信号建立的时间。在本设计系统中采用的是美国德州仪器公司生产TLV5616。数字电源和模拟电源分别供电，TMS320 F28335与TLV5616的连接电路如图6所示。

图6 TLV5616与F28335的连接电路图Fig. 6 Connection circuit of TLV5616 and F28335

信号处理器读取转换后的数字信号进行自适应滤波运算控制，再将运算结果送至D/A芯片TLV5616，D/A转换器输出模拟信号到功率放大器以及声音扬声器，最终达到抵消变电站变压器噪声的目的。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

有源噪声控制系统装置的主程序以及中断处理程序流程如图7所示。软件系统中DSP采用中断的方式进行，当DSP完成初始化后，便进入中断等待状态，FXLMS算法主要在中断服务程序中进行。

图7 系统软件程序流程图Fig. 7 System software program flow chart

系统主程序主要完成基本的寄存器定义、端口定义以及系统初始化，初始化完成后等待中断，判断是否执行中断处理程序。在响应中断的过程中读取采集的数据，完成通道的FXLMS算法，最后输出数据。在上述工作流程中，自适应滤波算法的执行为整个DSP软件部分的重点，该部分效果直接影响系统的稳定性、精度和实时性。

3.2 算法程序流程图

算法程序中的自适应滤波器采用30阶FIR滤波器，由于低频分量噪声难衰减，幅值较大，因此采用输入信号x（n）中能量较大的低频分量作为相关参考信号s（n）。再加上这些特征频率信号在一段时间内比较稳定，不会因外界干扰而发生突然变化，因此，可利用上一时刻信号的误差值来修正下一时刻自适应滤波器的系数，系数μ取值为0.5。算法程序流程如图8所示。

图8 算法程序流程图Fig. 8 Software program flow chart

自适应有源噪声控制实验系统的软件设计主要采用基于CCS软件的C语言进行开发，采用C语言编程比较灵活，而且其可读性和可移植性强、便于算法程序的修改和完善。

4 变电站噪声抑制效果分析

为验证算法的有效性，先利用Matlab对算法有效性进行实验验证。输入信号x（n）为变电站采集的实测变压器噪声信号，参考信号s（n）为噪声信号中能量较大的100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz和500 Hz低频分量。x（n）=s（n）+v（n），v（n）为其他的剩余高频分量以及随机的突变及杂散信号。然后构建以s（n）为参考信号的自适应控制算法，对变电站实测噪声进行抑制分析，并观察抑制效果。变压器原始参考输入噪声信号和降噪后的噪声信号如图9所示，图9（a）是降噪前后时域波形比较图，图9（b）是降噪前后频谱分析比较图。

图9 降噪前后的结果分析比较图Fig. 9 Analysis of the results before and after denoising

从图9（a）降噪前后时域图中可以发现：对噪声进行滤波抑制后，可以使噪声剩余量变得很小，趋近于0。从图9（b）降噪前后的频谱图中可以发现：低频的周期噪声信号基本滤除，高频噪声以及诸如汽车、工地、说话等非周期信号还有一定的剩余，由于非周期信号的不可预知性，对其抑制比较难。由于本算法能够有效地降低能量较大的低频周期噪声信号，对多频的线谱噪声有着良好的控制效果，使降噪达到满意的效果，剩余噪声对整个降噪的效果影响可以忽略。在变电站变压器噪声抑制的应用中，要注意参考信号与噪声信号的相关性，它们的相关性越大，自适应噪声控制系统的噪声控制效果越好。当然，自适应滤波算法还需进一步优化和改进，比如使用变步长LMS滤波算法、归一化LMS滤波算法等，使降噪达到更加满意的效果。

5 结语

通过对变电站内变压器周围实测噪声分析后得出：变电站中低频噪声中能量较大频率分量相对比较确定，主要是500 Hz以下的4～5个频率分量，且这些特征频率信号在一段时间内比较稳定，不会因外界干扰而发生突然变化。

由于低频噪声很难衰减，针对此特点，本文基于自适应有源噪声控制技术，构建和变电站主要噪声分量相关的参考信号，设计了以TMS320F28335为核心处理器的变电站有源噪声控制系统。以DSP为核心处理器的自适应有源噪声控制系统具有收敛速度快、运行性能稳定的特点，获得了理想的降噪效果。本文的自适应滤波算法还需进一步优化和改进，使算法应用达到更加满意的效果。在变电站噪声抑制的实际应用中，还应考虑现场各种复杂情况，才能使变电站降噪达到满意的效果。

[1] 吴高强，程胜高，黄磊. 户外220 kV变电站噪声环境影响预测研究[J]. 噪声与振动控制，2007（3）: 135-137.WU Gaoqiang，CHENG Shenggao，HUANG Lei. Prediction on noise of 220 kV outdoor substation to environmental infection[J]. Noise and Vibration Control，2007（3）:135-137（in Chinese）.

[2] 樊超，聂京凯，肖伟民，等. 变电站降噪用吸声材料的研究[J]. 中国电力，2014，47（4）: 144-147.FAN Chao，NIE Jingkai，XIAO Weimin，et al. Research on sound-absorption materials for substation noise reduction[J]. Electric Power，2014，47（4）:144-147（in Chinese）.

[3] 浦琪琦，金小谷，张江涛. 控制室内变电站电抗器噪声的新型系统结构[J]. 中国电力，2013，46（9）: 117-120.PU Qiqi，JIN Xiaogu，ZHANG Jiangtao. A new type noise control system structure for indoor-reactors[J]. Electric Power，2013，46（9）: 117-120（in Chinese）.

[4] 刘珊，曹海泉，洪刚，等. 基于小波包能量熵的变压器振动信号特征研究[J]. 电网与清洁能源，2010，26（5）:35-38.LIU Shan，CAO Haiquan，HONG Gang，et al. Analysis and discussion on field measurement of substation ambient noise[J]. Power System and Clean Energy，2010，26（5）:35-38（in Chinese）.

[5] 谭闻，张小武. 电力变压器噪声研究与控制[J]. 高压电器，2009，45（2）: 70-73.TAN Wen，ZHANG Xiaowu. Investigation and control of power transformer noise[J]. High Voltage Apparatus，2009，45（2）: 70-73（in Chinese）.

[6] 莫娟，刘吉轩，苏俊收，等. 大型电力变压器的噪声预估研究[J]. 高压电器，2014，50（6）: 70-73.MO Juan，LIU Jixuan，SU Junshou，et al. Noise prediction of large power transformer[J]. High Voltage Apparatus，2014，50（6）: 70-73（in Chinese）.

[7] 李宁，田冬梅，单大鹏，等. 城市变电站噪声分析及降噪措施探讨[J]. 高压电器，2015，51（1）: 70-73.LI Ning，TIAN Dongmei，SHAN Dapeng，et al. Analysis and discussion on the noise arised from substation in city[J]. High Voltage Apparatus，2015，51（1）: 70-73（in Chinese）.

[8] 黄成，旷冬伟，冯春林，等. 电力电容器单元噪声测量方法的若干问题试验研究[J]. 电力电容器与无功补偿，2014（5）: 75-80.HUANG Cheng，KUANG Dongwei，FENG Chunlin，et al.Research on several issues in noise measurement of power capacitor[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation，2014（5）: 75-80（in Chinese）.

[9] 刘会灯，邱阿瑞. 管道电机噪声有源控制系统研究[J].电机与控制学报，2011，15（1）: 60-67.LIU Huideng，QIU Arui. Experimental research of duct active noise control for motor operating noise[J]. Electric Machines and Control，2011，15（1）:60-67（in Chinese）.

[10] 薄中.双通道自适应有源噪声控制系统的设计与研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2008: 42-44.

[11] 王惠中，冯霞，张雨默. 基于DSP电动机综合保护装置的设计[J]. 电力系统保护与控制，2011，39（3）: 105-108.WANG Huizhong，FENG Xia，ZHANG Yumo. Design of motor synthetic protection unit based on DSP[J]. Power System Protection and Control，2011，39（3）: 105-108（in Chinese）.

[12] 左丽霞，卢山，邓芳芳. 基于DSP的高速数据采集系统设计与实现[J]. 电力系统保护与控制，2010，38（13）:108-112.ZUO Lixia，LU Shan，DENG Fangfang. Design and implementation of a high-speed data acquisition system based on DSP[J]. Power System Protection and Control，2010，38（13）: 108-112（in Chinese）.

[13] 王海姣，刘明光，李宗垒. 变电站进线段应用避雷针保护的优势[J]. 高压电器，2014，50（2）: 68-70.WANG Haijiao，LIU Mingguang，LI Zonglei. Adopting lightning rod for protecting incoming line of transformer substation[J]. High Voltage Apparatus，2014，50（2）: 68-70（in Chinese）.

[14] 欧林，王渝红，李兴源，等. 变电站与换流站合并建站时交直流系统谐波畸变分析[J]. 高压电器，2014，50（3）: 24-26.OU Lin，WANG Yuhong，LI Xingyuan，et al. Analysis of AC-DC system harmonic distortion when the power substation and the converter station are built together[J]. High Voltage Apparatus，2014，50（3）: 24-26（in Chinese）.