武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院、國網(wǎng)湖北省電力公司技術(shù)培訓(xùn)中心的研究人員王晉偉、應(yīng)黎明、劉勤、楊鵬，在2018年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，變壓器噪聲是變電站中主要噪聲來源，開展變壓器有源噪聲控制研究能夠彌補(bǔ)無源降噪方式對低頻噪聲治理效果差的不足，具有應(yīng)用價(jià)值。

對電力變壓器噪聲信號進(jìn)行采集及分析，建立了復(fù)雜聲波模型。通過分析變壓器噪聲特性及各頻率分量聲壓級貢獻(xiàn)，將100 Hz、200 Hz、300 Hz三個能量集中的噪聲頻率分量作為消除目標(biāo)，提出一種基于擾動跟蹤法的變壓器有源噪聲控制算法。

進(jìn)一步以工控機(jī)和可視化編程實(shí)現(xiàn)擾動跟蹤控制功能，以PCI數(shù)據(jù)卡、傳聲器和揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)噪聲信號采集及輸出功能，搭建有源降噪實(shí)驗(yàn)裝置。在110 kV變電站中進(jìn)行降噪實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)在夾角為40°的測量區(qū)域內(nèi)能取得一定降噪效果，為變壓器有源降噪系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

毗鄰居民生活區(qū)的變電站普遍存在噪聲擾民問題，影響居民日常生活，甚至危害人體健康[1]。電力變壓器噪聲是變電站中主要噪聲來源，屬于低頻噪聲[2]。該類噪聲波長長，穿透及繞射能力強(qiáng)。傳統(tǒng)無源噪聲控制方式（如加裝吸聲、隔聲墻），對這類低頻噪聲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墻會導(dǎo)致變壓器散熱難，并給生產(chǎn)現(xiàn)場帶來安全隱患。

有源噪聲控制（Active Noise Control，ANC）技術(shù)為低頻段噪聲治理提供了有效的解決手段[3,4]。ANC應(yīng)用于變壓器降噪的原理如圖1所示，即采用適當(dāng)控制算法跟蹤待消除噪聲信號，發(fā)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(dá)到降噪目的。

圖1  電力變壓器有源噪聲控制系統(tǒng)示意圖

在聲學(xué)降噪應(yīng)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(cè)重于控制算法仿真研究，物理實(shí)驗(yàn)研究成果較少。文獻(xiàn)[9]首次將ANC技術(shù)應(yīng)用于變壓器降噪，但受當(dāng)時技術(shù)水平限制，只能通過人為調(diào)節(jié)來跟蹤噪聲信號，降噪效果不理想。

世紀(jì)80年代后，電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及自適應(yīng)濾波理論的逐漸成熟，為ANC的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[10]將自適應(yīng)濾波算法中的最小方均（Least Mean Square，LMS）算法應(yīng)用于變壓器降噪，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)跟蹤變壓器噪聲信號。

其后，多位學(xué)者在此基礎(chǔ)上對算法進(jìn)行改進(jìn)[11,12]，但LMS及其改進(jìn)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(guān)性要求，對次級通道辨識精度要求高及存在聲反饋現(xiàn)象等因素，使得這類算法在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

文獻(xiàn)[13]在FXLMS算法的基礎(chǔ)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(xiàn)[14]在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)算法，以減小合成參考信號與初級噪聲信號出現(xiàn)頻率偏差時的不利影響；文獻(xiàn)[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噪聲及聲反饋現(xiàn)象對系統(tǒng)的不利影響，但由于很難準(zhǔn)確獲得由電源信號產(chǎn)生的鐵心振動經(jīng)絕緣油、油箱壁、空氣這一振動—聲傳播路徑的傳遞函數(shù)，從而無法準(zhǔn)確跟蹤噪聲信號并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。上述文獻(xiàn)中，僅有文獻(xiàn)[14,15]進(jìn)行了100 Hz單頻噪聲物理降噪實(shí)驗(yàn)。

針對目前變壓器ANC算法在實(shí)際應(yīng)用的局限性及物理實(shí)驗(yàn)研究較少的問題，本文測量并分析了電力變壓器噪聲。將三個聲壓級貢獻(xiàn)大的頻率分量作為待消除目標(biāo)，提出了一種基于擾動跟蹤法的有源控制算法，通過仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。

利用工控機(jī)和可視化編程實(shí)現(xiàn)了基于擾動跟蹤法的有源噪聲控制器功能。最后，利用PCI數(shù)據(jù)卡、傳聲器及揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)噪聲信號采集和輸出功能，搭建了一套可實(shí)際運(yùn)行的降噪系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，并在真實(shí)變電站中進(jìn)行了降噪實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的電力變壓器ANC系統(tǒng)具有一定降噪效果。

圖2  降噪實(shí)驗(yàn)圖

結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于擾動跟蹤法的電力變壓器噪聲有源控制系統(tǒng)，在110 kV變電站中進(jìn)行了降噪實(shí)驗(yàn)，并在一定區(qū)域內(nèi)取得了降噪效果，為進(jìn)一步應(yīng)用研究提供了基礎(chǔ)。通過對實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，結(jié)論如下：

1）本文提出的基于擾動跟蹤法電力變壓器噪聲有源控制算法實(shí)現(xiàn)容易、計(jì)算簡單，能夠有效應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行的變壓器降噪系統(tǒng)。

2）本文設(shè)計(jì)的基于擾動跟蹤法的電力變壓器噪聲有源控制系統(tǒng)能夠在變電站實(shí)際運(yùn)行，并能在夾角為40°的扇形測量區(qū)域內(nèi)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噪聲分量作為跟蹤目標(biāo)，若將更多噪聲頻率分量作為待消除目標(biāo)，預(yù)期能夠進(jìn)一步提高降噪效果，但同時要考慮算法計(jì)算復(fù)雜度和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難易程度，以保證算法在線跟蹤性能。

4）本文所采用的次級聲源陣列方案僅以經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，若依據(jù)變壓器噪聲空間輻射、衰減特性對次級聲源陣列方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則預(yù)期能夠獲得更大的降噪?yún)^(qū)域和更好的降噪效果。