變壓器噪聲抗突發(fā)間歇性外環(huán)境干擾檢測技術(shù)

陳靜，吳曉文，曹浩

(1.青海省化工設(shè)計研究院有限公司，青海 西寧 810008；2.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411201；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

噪聲水平是反映變壓器運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，也是評價變電站噪聲排放是否達標(biāo)的主要因素，變壓器噪聲檢測對于其驗收投運以及運行狀態(tài)評價均具有重要意義[1-4]。然而，戶外變壓器噪聲檢測容易受到外界環(huán)境因素的干擾(其中以行駛車輛、鳥鳴、蟲鳴、蛙鳴等突發(fā)間歇性噪聲干擾為主)，使得變壓器噪聲測試難以開展，檢測效率低，測量準(zhǔn)確性差，嚴(yán)重影響變壓器運行狀態(tài)評價以及聲源源強的檢測結(jié)果。

目前，國內(nèi)外已有較多關(guān)于變壓器噪聲檢測的研究，但主要集中在不同電壓等級、運行環(huán)境、運行工況等條件下的變壓器噪聲特性方面[5-11]，少數(shù)成果研究了復(fù)雜變電站聲環(huán)境條件下變壓器聲信號與電暈、冷卻裝置等噪聲的分離方法。文獻[12]采用小波分解、譜減法以及梳狀濾波器實現(xiàn)了變電站內(nèi)部主要設(shè)備的聲源分離，但僅對變電站周邊準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)境噪聲進行分離研究，忽略了更為普遍的間歇性突發(fā)環(huán)境噪聲的影響，所提方法無法用于環(huán)境噪聲的干擾抑制；文獻[13]利用變電站不同聲源噪聲特性的差異，設(shè)計濾波器組，利用語音增強方法分離出變壓器噪聲與電暈噪聲，但未涉及變壓器噪聲抗外界環(huán)境干擾檢測內(nèi)容；文獻[14]在進行變壓器有源降噪時，對背景噪聲與待測聲信號進行相關(guān)性分析，從中找出頻帶重疊部分，利用分時測量方法去除變電站背景噪聲，但外環(huán)境噪聲發(fā)生時刻與強度具有隨機性，分時測量存在檢測效率低的問題，噪聲檢測時間較長；文獻[15]將小波包與譜減法相結(jié)合，用于提高帶噪語音信號的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，但變壓器聲音信號與人類語音存在較大差異，該算法對于變壓器信號的適用性有待進一步研究。為了提高變壓器噪聲測量精度，文獻[16]提出基于小波包分解(wavelet packet decomposition，WPD)與譜減法的變壓器噪聲信號抗干擾預(yù)處理方法，并分析該方法對于鳥鳴、蟲鳴、蛙鳴干擾的抑制效果，但該方法在不同SNR條件下的抗干擾檢測效果尚不明確，且未對常見的車輛噪聲干擾進行分析，其普適性有待分析驗證。

對此，本文提出結(jié)合WPD與譜減法語音增強技術(shù)的變壓器噪聲抗突發(fā)間歇性外環(huán)境噪聲干擾的方法。利用WPD方法定位受干擾變壓器噪聲信號中干擾源出現(xiàn)的時刻與頻段，對頻段分別進行譜減法處理，分離出純凈的變壓器噪聲信號，并利用該方法分析不同干擾源特性與SNR條件下變壓器噪聲抗干擾檢測效果，以及對比低通濾波、短時窗法等不同抗干擾檢測方法的處理性能。

1 變壓器噪聲信號抗干擾檢測方法

1.1 譜減法語音增強技術(shù)

譜減法一般用在語音信號處理領(lǐng)域，其基本原理如圖1所示[17-21]。圖1中：r(n)為噪聲信號，s(n)為語音信號，y(n)為帶噪語音信號，n為信號離散點數(shù)，Ψ(ω)為帶噪語音信號的相位譜，ω為角頻率，Pr(ω)為噪聲信號r(n)的功率譜，|·|表示信號幅值，(·)表示信號功率譜差值。

FFT—傅里葉變換，fast Fourier transform的縮寫；IFFT—傅里葉反變換，inverse FFT的縮寫。

對變壓器帶噪信號進行分幀處理，第λ幀信號的加窗FFT為

(1)

式中：Y(k,λ)為帶噪信號頻譜,k=0, 1,…；N為幀長；R為幀移；h(μ)為窗函數(shù)。

假設(shè)變壓器噪聲信號與環(huán)境噪聲信號相互獨立，則有

Y(k,λ)=S(k,λ)+R(k,λ).

(2)

式中S(ω)與N(ω)分別為信號s(n)和r(n)的FFT。由于s(n)與r(n)相互獨立，則存在如下關(guān)系：

|Y(k,λ)|2=|S(k,λ)|2+|R(k,λ)|2.

(3)

令Py(k,λ)、Ps(k,λ)以及Pr(k,λ)分別表示信號y(n)、s(n)以及r(n)第λ幀的功率譜，則有

Py(k,λ)=Ps(k,λ)+Pr(k,λ).

(4)

變壓器噪聲為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)噪聲，假設(shè)外界環(huán)境噪聲干擾發(fā)生前后變壓器噪聲基本保持不變，以干擾噪聲未發(fā)生前的信號計算變壓器噪聲功率譜，如下：

(5)

1.2 抗環(huán)境干擾檢測方法原理

與變壓器噪聲相比，環(huán)境干擾一般具有突發(fā)性與間歇性的特點，且干擾類型多樣化，干擾噪聲不可避免地存在與變壓器噪聲相同的頻率成分，因此，常規(guī)頻譜濾波方法難以普遍適用。為此，本文提出時頻域相結(jié)合的抗干擾檢測方法，基本原理是：采用小波包分析方法[22-25]對受干擾變壓器噪聲信號進行時頻域分解與重構(gòu)，利用變壓器噪聲與干擾源噪聲的平穩(wěn)性差異定位干擾所在頻段，在受干擾頻段中截取平穩(wěn)片段來估計變壓器噪聲的功率譜；利用譜減法分別對受干擾頻段聲信號進行處理，進而分離出干擾聲與變壓器噪聲，將處理后的不同頻段變壓器聲信號疊加，即可還原出實際的變壓器噪聲信號。方法原理如圖2所示。

圖2 變壓器噪聲抗環(huán)境干擾檢測方法原理

2 變壓器噪聲抗干擾檢測效果試驗

大部分戶外變電站通常位于馬路周邊或野外，聲環(huán)境十分復(fù)雜，根據(jù)所處環(huán)境差異，常見的外界環(huán)境噪聲干擾包括機動車噪聲、動物鳴叫等等。為檢驗變壓器噪聲抗干擾檢測方法的有效性，對幾種典型變壓器噪聲干擾案例進行分析。

2.1 抗車輛噪聲干擾檢測

以高速公路車輛行駛噪聲為干擾源，實際110 kV主變壓器噪聲信號S1聲壓級為59.9 dB(本文聲壓級均為A計權(quán))，車輛噪聲干擾信號為S2，二者線性混合獲得受干擾變壓器噪聲信號Sm，SNR為4.5 dB、聲壓級為68.2 dB。實際變壓器噪聲、干擾源噪聲及其混合噪聲信號聲壓波形如圖3所示。

對圖3中的混合信號Sm進行3層WPD，分解結(jié)果如圖4所示。圖4中：Sm為原始信號，S130—S137分別為各分解頻段的小波包重構(gòu)信號。利用干擾源噪聲的突發(fā)性與非平穩(wěn)性判斷其所在頻段。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，除低頻段S130外，車輛噪聲信號在S131—S137頻段范圍內(nèi)均有分布；一般來說，車輛發(fā)動機噪聲頻率較低。造成上述分布情況的主要原因是車輪與地面摩擦產(chǎn)生了寬頻帶噪聲。采用譜減法對S131—S137頻段噪聲進行濾波處理，結(jié)果如圖5所示。

圖3 變壓器與車輛噪聲

圖4 受車輛干擾變壓器噪聲WPD

圖5 變壓器噪聲抗車輛干擾檢測效果

由圖5可以看出，各頻帶車輛噪聲干擾得到顯著抑制。對小波包信號進行重構(gòu)獲得變壓器抗干擾檢測值為60.4 dB，相對于受干擾噪聲降低了7.8 dB，與變壓器實際噪聲值誤差僅為0.5 dB。

頻譜分布相關(guān)性是衡量抗干擾檢測后變壓器噪聲信號是否有效恢復(fù)的重要參數(shù)。實際變壓器噪聲信號pt與變壓器噪聲抗干擾檢測計算值pf頻譜對比如圖6所示，二者相似系數(shù)達到0.92。為了進一步證明抗車輛干擾檢測方法的有效性，表1給出了不同SNR條件下的抗干擾檢測效果。SNR為4.5～23.3 dB時，抗車輛噪聲干擾檢測結(jié)果誤差最大為0.5 dB，最低僅為0.1 dB。

表1 不同SNR車輛干擾變壓器噪聲檢測結(jié)果

圖6 變壓器噪聲頻譜抗車輛干擾計算值與實際值對比

2.2 抗多干擾源檢測

變壓器噪聲實際測試過程往往受到多種外界噪聲的干擾，以蛙鳴、蟲鳴多源噪聲為例，分析變壓器噪聲抗干擾檢測效果。實際110 kV主變壓器噪聲信號S1聲壓級為59.9 dB，假設(shè)其受到強烈的外環(huán)境噪聲干擾，SNR僅為2.2 dB，干擾信號S2聲壓級高達70.9 dB。實際變壓器噪聲、干擾源噪聲及其混合噪聲信號波形如圖7所示。

圖7 變壓器與多干擾源噪聲

對混合信號Sm進行3層WPD，結(jié)果如圖8所示，多源干擾噪聲在S130—S137所有頻率范圍內(nèi)均有分布。由于昆蟲的聲腔較小，蟲鳴聲頻率較高，主要集中在S132—S137頻段，其中以S132、S134、S136、S137頻段最為顯著；蛙鳴噪聲頻率較蟲鳴低，主要集中在S130、S131、S133以及S135頻段。利用譜減法對上述信號進行濾波處理，結(jié)果如圖9所示。

圖8 受多源干擾變壓器噪聲WPD

圖9 變壓器噪聲抗多源干擾檢測效果

由圖9可以看出，干擾信號已經(jīng)被有效抑制。實際變壓器噪聲信號pt與變壓器噪聲計算值pf頻譜對比表明，頻譜相關(guān)系數(shù)達到0.93，二者聲壓級誤差為0.9 dB。

由于在變壓器噪聲實際檢測過程中，干擾信號的強度難以預(yù)計，為了進一步分析該算法的檢測效果，分別計算5種SNR條件下變壓器噪聲檢測結(jié)果，見表2。

表2 不同SNR多源干擾變壓器噪聲抗干擾檢測結(jié)果

由表2可以看出，SNR由2.2 dB增大至25.7 dB時，該算法針對多源干擾的檢測誤差穩(wěn)定控制在0.9 dB范圍內(nèi)，SNR為5.7 dB時檢測誤差最低，僅為0.1 dB。隨著SNR提高，受干擾噪聲值逐漸降低，但抗干擾計算誤差出現(xiàn)一定的波動，主要原因是：SNR較低時，干擾噪聲幅值超過實際變壓器噪聲信號，在進行譜減法處理時，干擾噪聲的抑制效果較為明顯，此時抗干擾計算結(jié)果略高于變壓器實際噪聲水平。但隨著SNR的逐漸提高，干擾噪聲幅值逐漸低于實際變壓器噪聲信號，由于實際變壓器噪聲信號并非為絕對平穩(wěn)信號，譜減法在剔除干擾噪聲的同時削弱了實際變壓器噪聲信號的幅值，此時抗干擾計算結(jié)果略低于變壓器實際噪聲水平，絕對誤差在SNR提高到17.7 dB后保持穩(wěn)定。

實際外界環(huán)境噪聲干擾具有不可預(yù)見、多樣性的特點，但也具有普遍的突發(fā)性和間歇性。根據(jù)本文抗干擾檢測方法原理，可以通過設(shè)置合理的WPD層數(shù)，定位干擾所在頻段，并利用譜減法對干擾所在頻段進行處理，對不同環(huán)境噪聲干擾取得較好的抑制效果。

3 實測變壓器噪聲抗干擾檢測效果

分別對某110 kV戶外變壓器受鳥鳴聲干擾前后噪聲進行檢測，測量時間為3 s，采樣頻率fs為8 192 Hz，現(xiàn)場檢測噪聲信號如圖10所示。

圖10 帶噪變壓器聲信號

由圖10可以看出，變壓器噪聲信號受到間歇性環(huán)境噪聲的干擾。采用3層WPD算法對受干擾變壓器噪聲信號進行處理，選用db4小波基函數(shù)，熵標(biāo)準(zhǔn)為Shannon熵，分解結(jié)果如圖11所示。

圖11 帶噪變壓器聲信號WPD

由圖11可以看出，外界環(huán)境噪聲主要集中在S132—S137頻段。在該頻段范圍內(nèi)，采用譜減法語音增強技術(shù)濾除干擾噪聲。將噪聲信號進行分幀處理，為便于進行FFT分析，每幀信號長度取為256，幀移長度為128。根據(jù)信號長度以及幀長、幀移取值，將噪聲信號共分為191幀，抗干擾處理后的變壓器聲信號如圖12所示。對比圖11與圖12可以看出，S132—S137頻段中的突發(fā)間歇性干擾噪聲得到顯著抑制。經(jīng)過聲壓級計算，未受干擾變壓器噪聲聲壓級為59.6 dB，受干擾變壓器噪聲聲壓級為62.5 dB，抗干擾處理后聲壓級為59.8 dB，聲壓級檢測誤差由2.9 dB降至0.2 dB，檢測精度大幅提高。

圖12 抗干擾處理后變壓器聲信號WPD

為了進一步表明算法有效性，將無干擾變壓器噪聲pt、受干擾變壓器噪聲pm、抗干擾處理后變壓器噪聲pf頻譜進行對比，如圖13所示。

圖13 實測變壓器噪聲頻譜與抗干擾計算結(jié)果對比

由圖13可以看出，鳥鳴干擾顯著出現(xiàn)在2.5～3.6 kHz范圍內(nèi)，無干擾變壓器噪聲、受干擾變壓器噪聲、抗干擾處理后變壓器噪聲頻譜中100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz、600 Hz等主要成分及其幅值近似相同。無干擾變壓器噪聲與受干擾變壓器噪聲相似系數(shù)為0.87，經(jīng)過抗干擾處理后，相似系數(shù)提高至0.92。由于現(xiàn)場環(huán)境噪聲大多與鳥鳴噪聲相同，均具有突發(fā)間歇性特點，可以預(yù)期，所提算法能夠有效抑制現(xiàn)場實測變壓器噪聲中的環(huán)境噪聲干擾。

4 不同抗干擾檢測方法對比

變壓器噪聲與突發(fā)間歇性環(huán)境噪聲在時域波形、頻譜分布特性方面存在較多差異，針對這些差異可采用的抗干擾檢測方法較多[26]，采用常見的低通濾波方法、短時窗法與本文方法進行對比分析。

變壓器周邊突發(fā)環(huán)境噪聲源主要分為小聲腔動物噪聲(如鳥鳴、蟲鳴等)、大聲腔動物噪聲(如犬吠等)以及車輛噪聲等。其中，小聲腔動物噪聲頻率較高，一般高于變壓器噪聲所處的50 Hz～2 kHz頻段，對于該類噪聲采用低通濾波方法具有一定的可行性。然而，對于后2種聲源類型，低通濾波方法處理效果較差，主要原因是后2種環(huán)境噪聲頻率較低，與變壓器噪聲頻段存在較多重疊部分，單純采用頻域濾波方法難以取得具有普遍適用性的良好效果。因此，針對變壓器周邊突發(fā)間歇性環(huán)境噪聲，選擇時域、頻域相結(jié)合的抗干擾處理方法較為合適。

以車輛噪聲干擾為例，分別利用低通濾波器以及短時窗法進行抗干擾處理，不同方法的處理結(jié)果見表3。變壓器噪聲實際值為63.6 dB，在SNR為4.42～12.38 dB范圍內(nèi)，本文方法抗干擾處理誤差為0.1～1.1 dB，短時窗法與濾波法誤差分別為0.2～1.9 dB、1.6～5.8 dB。由于采用時頻域相結(jié)合的處理方法，本文方法相對于短時窗法與濾波法具有更高的檢測精度。面臨變壓器周邊環(huán)境噪聲復(fù)雜多變、噪聲類型難以預(yù)知的現(xiàn)實情況，本文所提抗干擾檢測方法優(yōu)勢更為突出。

表3 不同抗干擾檢測方法效果對比

5 結(jié)論

針對變壓器噪聲檢測結(jié)果易受外界突發(fā)間歇性環(huán)境噪聲干擾的問題，本文提出結(jié)合WPD與譜減法的變壓器噪聲抗干擾檢測方法，分析多種常見干擾源條件下變壓器噪聲抗干擾檢測效果，以及低通濾波、小波譜減法等不同抗干擾檢測方法的對比效果，主要得出以下結(jié)論：

a)受周邊車輛噪聲干擾，SNR在4.5～23.3 dB范圍內(nèi)時，變壓器噪聲抗干擾檢測誤差最大為0.5 dB，最低僅為0.1 dB，抗干擾處理后噪聲信號頻譜與實際信號頻譜相關(guān)系數(shù)達到0.92。

b)受周邊多源噪聲干擾，SNR在2.2～25.7 dB范圍內(nèi)時，變壓器噪聲抗干擾檢測誤差最大為0.9 dB，最低僅為0.1 dB，抗干擾處理后噪聲信號頻譜與實際信號頻譜相關(guān)系數(shù)達到0.93。

c)抗鳥鳴干擾現(xiàn)場實測結(jié)果表明，抗干擾處理后變壓器噪聲頻譜與實際頻譜相關(guān)系數(shù)達到0.92，聲壓級檢測誤差由2.9 dB降至0.2 dB，檢測精度大幅提高。

d)相較于低通濾波方法以及短時窗法，本文所提方法檢測精度更高，更適用于處理變壓器噪聲測量現(xiàn)場復(fù)雜突發(fā)間歇性環(huán)境噪聲干擾，對于電網(wǎng)環(huán)評、變壓器運行狀態(tài)評價具有指導(dǎo)意義。

本文提出的抗干擾檢測方法對于突發(fā)間歇性噪聲效果較為顯著，具有較好的可行性，但由于實際變壓器噪聲信號并非絕對平穩(wěn)，處理后的信號幅值可能出現(xiàn)略低于實際噪聲幅值的問題，后續(xù)將在變壓器實際聲功率譜的準(zhǔn)確評估方面開展相關(guān)研究工作。