基于LabVIEW的35kV變電站噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：該文基于虛擬儀器工程平臺(tái)（LabVIEW）設(shè)計(jì)了35kV變電站噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用多個(gè)聲強(qiáng)和聲壓傳感器提取變電站噪聲信號(hào)，通過USB數(shù)據(jù)采集卡采樣后送入LabVIEW編寫的軟件進(jìn)行處理。噪聲監(jiān)測(cè)軟件具有實(shí)時(shí)聲功率、波形顯示、峰值計(jì)算、功率譜分析和歷史數(shù)據(jù)管理等功能。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單有效，能直觀顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，且易于控制的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：35kV變電站 噪聲 LabVIEW 聲強(qiáng) 聲壓

近年來，隨著我國人民生活水平的提高和居民用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，電力建設(shè)步伐也隨之加快。越來越多的變電站不可避免地建設(shè)在城鄉(xiāng)居民的生活區(qū)，站內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的噪聲對(duì)居民生活的影響也備受關(guān)注。變電站內(nèi)的噪聲主要為可聞中低頻噪聲，包括變壓器本體的電磁噪聲、冷卻風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲、設(shè)備運(yùn)行中機(jī)械振動(dòng)造成的振動(dòng)噪聲和油冷系統(tǒng)液體流動(dòng)力噪聲等[1]。如何對(duì)主變?cè)肼曔M(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)信息反饋給變電站值守人員以進(jìn)行噪聲控制，是電力運(yùn)行人員十分關(guān)心的工作。

本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了35kV變電站噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安裝在變壓器上的多個(gè)聲壓、聲強(qiáng)傳感器信號(hào)的顯示和處理。軟件具有實(shí)時(shí)聲功率、波形顯示、峰值計(jì)算、功率譜分析和歷史數(shù)據(jù)管理等功能，可以在35kV變電站中進(jìn)行應(yīng)用。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為對(duì)35kV變電站內(nèi)的主變實(shí)施噪聲監(jiān)測(cè)，分別選取了聲強(qiáng)和聲壓探頭作為傳感器。由以上傳感器所獲得的模擬信號(hào)由高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，再經(jīng)USB總線送入計(jì)算機(jī)中的噪聲分析軟件，完成自動(dòng)采集、處理和結(jié)果顯示。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要部件包括聲強(qiáng)和聲壓探頭、高速采集卡和主機(jī)三部分。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在本系統(tǒng)中，分別在35kV變電站的主變周圍布置4個(gè)聲強(qiáng)探頭，在變電站內(nèi)不同區(qū)域布置8個(gè)聲壓探頭。各傳感器獲取的信號(hào)均經(jīng)同軸電纜傳輸至控制中心，并連接至數(shù)據(jù)采集卡。主機(jī)采用筆記本電腦，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有便攜式和數(shù)據(jù)共享模式。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是NI公司開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），可方便實(shí)現(xiàn)圖形化編程語言軟件開發(fā)[2]。本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)即是基于LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用程序，通過有效利用LabVIEW強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站噪聲多點(diǎn)信號(hào)的采集，并計(jì)算噪聲信號(hào)的聲功率及其平均值、最大、最小值和噪聲的頻譜分析，便于用戶實(shí)時(shí)掌握變電站噪聲信息。所開發(fā)軟件的主界面如圖2所示。

該軟件的聲級(jí)計(jì)算采用了聲壓和聲強(qiáng)測(cè)量和計(jì)算原理。聲音在以波的形式傳播過程中，會(huì)對(duì)彈性介質(zhì)造成機(jī)械擾動(dòng)，聲壓就是指介質(zhì)中某點(diǎn)因此產(chǎn)生的壓力變化，是一個(gè)瞬時(shí)值[3]。某段時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)的有效聲壓 為

（1）

其中T為時(shí)間間隔，p（t）為瞬時(shí)聲壓。聲壓級(jí)的計(jì)算公式為

（2）

單位dB。式中 為基準(zhǔn)聲壓值，取 。

聲強(qiáng)是指在垂直于聲波傳播的方向上，在單位時(shí)間單位面積內(nèi)通過的聲能，單位是 [4]。其表達(dá)式

（3）

式中u（t）表示質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度， 表示介質(zhì)密度，c表示聲音在該介質(zhì)內(nèi)的傳播速度。聲強(qiáng)級(jí)的表達(dá)式

（4）

單位dB。其中 為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，取 。

本軟件基于以上原理對(duì)由采集卡得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，從而獲得聲壓和聲強(qiáng)值。另外，對(duì)噪聲級(jí)采用1/3倍頻程法[5]進(jìn)行頻譜分析和顯示。1/3倍頻程譜分析是一種常用于聲學(xué)的測(cè)試分析方法，具有譜線少頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。核心程序流程圖如圖3所示。

該軟件系統(tǒng)主要由以下模塊組成：

（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊。

如圖2所示，分別對(duì)主變壓器（4個(gè)聲強(qiáng)探頭）和變電站周圍區(qū)域（8個(gè)聲壓探頭）傳感器采集到的信息用波形圖實(shí)時(shí)顯示，設(shè)置游標(biāo)方便查看波形上任一點(diǎn)的時(shí)間或幅值。右側(cè)的液罐控件可以直觀顯示當(dāng)前的聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)幅度。

圖3 變電站噪聲監(jiān)測(cè)分析軟件主界面

圖3 1/3倍頻程分析程序流程圖

（2）數(shù)據(jù)分析模塊。

數(shù)據(jù)分析模塊主要分為主變或變電站周圍區(qū)域噪聲的時(shí)域信息和頻域信息分析模塊。

對(duì)于噪聲的時(shí)域信息，通過對(duì)4個(gè)聲強(qiáng)探頭和8個(gè)聲壓探頭傳輸數(shù)據(jù)的聲級(jí)計(jì)算分析，得到監(jiān)測(cè)時(shí)間和當(dāng)前噪聲級(jí)（dB）間的關(guān)系，則可以計(jì)算并顯示設(shè)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的聲級(jí)平均值、最大值和最小值。本日記錄可以顯示當(dāng)天的噪聲大小隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，方便操作人員讀取或存儲(chǔ)噪聲信息。

對(duì)于噪聲的頻域信息，可根據(jù)采集到的時(shí)域特征，實(shí)施時(shí)頻域變換，從而顯示主變或變電站周邊噪聲的頻域信息，包括頻率上限、下限和中心頻率，且可對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，為運(yùn)行人員提供更加豐富的噪聲狀態(tài)信息。

圖4 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊

圖5 時(shí)域信息分析模塊

圖6 頻域信息分析模塊

（3）數(shù)據(jù)管理模塊。

為方便分析噪聲數(shù)據(jù)的歷史變化規(guī)律，本軟件設(shè)計(jì)了噪聲數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2中所示。“聲強(qiáng) 01”等分別代表各文件夾名，其中保存了歷史噪聲信號(hào)的時(shí)域、頻域和能量信息。“導(dǎo)出圖像”可保存當(dāng)前實(shí)時(shí)波形和功率譜、本日記錄等圖片形式的信息。“Reports”內(nèi)可保存操作人員人工填寫的備注等報(bào)告文件。本模塊支持打開、更改、刪除、新建、打印歷史數(shù)據(jù)報(bào)表的功能。為35kV變電站不同主變?cè)肼晹?shù)據(jù)的橫向比對(duì)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

為對(duì)35kV變電站進(jìn)行噪聲監(jiān)測(cè)和分析，本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)了一套變電站噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過在35kV主變和變電站區(qū)域內(nèi)安裝聲壓和聲強(qiáng)傳感器，實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的采集。采用USB高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)采集，并傳輸至主機(jī)，通過噪聲監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)聲級(jí)計(jì)算、頻譜分析和數(shù)據(jù)管理。該軟件具有操作界面友好，分析功能全面，速度快、可靠性高的特點(diǎn)，有助于變電站值守人員實(shí)時(shí)掌握站內(nèi)噪聲信息。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李永明， 王玉強(qiáng)， 徐祿文等. 變電站噪聲預(yù)測(cè)和仿真分析[J].電力建設(shè)， 2013， （7）.

[2] 王福明等. LabVIEW程序設(shè)計(jì)與虛擬儀器[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[3]李強(qiáng). 基于虛擬儀器的聲強(qiáng)分析系統(tǒng)[D].吉林大學(xué)， 2007.

[4]呂佳珩， 呂銘剛， 武佩. 基于LabVIEW的聲強(qiáng)測(cè)量分析系統(tǒng)的研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2008， （2）.

[5]王東生. 分貝的由來和1/3倍頻程算法[J].橡塑資源利用， 2005， （5）.