變壓器噪聲抗環(huán)境干擾檢測方法對比與效果分析

張明海，楊春信，吳曉文

(1.湘西土家族苗族自治州生態(tài)環(huán)境局，湖南 吉首 416000；2.湘西土家族苗族自治州永順生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，湖南 永順 416700；3.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201)

0 引言

變壓器噪聲源強度的準確檢測是變電站噪聲控制、變壓器運行狀態(tài)聲紋監(jiān)測與評估的關鍵環(huán)節(jié)[1-6]。然而，由于變電站周邊環(huán)境復雜，變壓器噪聲檢測不可避免地受到外界環(huán)境因素的干擾，如鳥鳴、蟲鳴、車輛噪聲等，導致變壓器噪聲檢測難以開展、噪聲測量誤差不可控，無法實現(xiàn)變壓器噪聲源強的準確評估。因此，開展變壓器噪聲抗環(huán)境干擾檢測技術研究具有重要意義。

與變壓器準穩(wěn)態(tài)噪聲特性不同，外環(huán)境干擾類型復雜，具有突發(fā)性、偶然性、不確定性的特點，現(xiàn)有儀器設備無法對其進行有效處理，抑制外環(huán)境干擾對變壓器噪聲檢測結(jié)果影響的難度較大[7]。目前，國內(nèi)外關于變壓器噪聲抗環(huán)境干擾檢測方面的研究成果較少。文獻[8]研究了變電站內(nèi)電暈、變壓器、周邊環(huán)境噪聲分離方法，根據(jù)不同類型設備的時頻域噪聲特性，利用梳狀濾波器、小波變換及譜減法實現(xiàn)了變電站內(nèi)主要設備噪聲信號分離，但僅對變電站周邊準穩(wěn)態(tài)環(huán)境噪聲進行了分離研究，忽略了更為普遍的間歇性突發(fā)環(huán)境噪聲的影響，所提出的方法無法用于抑制環(huán)境噪聲的干擾。文獻[9]提出了特高壓交流變電站電暈噪聲提取方法，從變電站混合噪聲中獲取了純凈的電暈噪聲信號，為電暈噪聲源強度計算提供了參考，但未涉及抑制環(huán)境噪聲干擾的相關內(nèi)容。文獻[10]提出了特高壓變電站主設備噪聲分離方法，首次對外界環(huán)境噪聲干擾進行了預處理研究，濾除了變壓器噪聲信號中的鳥鳴聲干擾，但由于外界環(huán)境噪聲干擾的多樣性，所采用方法的普適性與效果有待進一步驗證。

本文在分析常見外環(huán)境干擾噪聲特性的基礎上，提出小波包-譜減法、短時窗法以及濾波器法抑制干擾噪聲，并對3種方法在不同干擾類型以及信噪比條件下的應用效果進行對比分析，為電力變壓器噪聲檢測過程中的環(huán)境干擾抑制方法的選擇提供了參考依據(jù)。

1 變電站周邊常見環(huán)境干擾噪聲特性

根據(jù)所處的位置不同，變電站大致可分為城市變電站和野外變電站，其周邊環(huán)境干擾主要為蟲鳴、蛙鳴、鳥鳴、車輛噪聲等。不同類型干擾噪聲的特性不同。由于變壓器噪聲特性相關的研究成果已廣泛報道，故此處不作贅述。

1.1 常見蟲鳴聲特性

據(jù)統(tǒng)計，昆蟲綱34個目中有16個目的昆蟲能夠發(fā)聲。蟲鳴聲產(chǎn)生原因按照發(fā)聲機理的不同可分為器官發(fā)聲、非專門器官發(fā)聲兩類[11]。變電站周邊蟲鳴干擾主要發(fā)生在夏季，以蟋蟀、蟈蟈、蟬為主，分別依靠前翅摩擦以及鼓膜器振動發(fā)聲。典型蟲鳴聲時頻域特性如圖1所示。可以看出，蟬鳴聲具有起伏特性，主要集中在2～6 kHz。蟋蟀、蟈蟈具有與蟬鳴聲類似的時頻域特性，但分布范圍較窄，主要位于3～5 kHz。

圖1 蟬鳴聲時頻域特性

1.2 蛙鳴聲特性

青蛙通過聲帶振動發(fā)聲。雄蛙聲帶發(fā)出的聲音經(jīng)氣囊共鳴放大，進而發(fā)出“呱呱”聲。雌蛙由于沒有氣囊，鳴叫聲遠低于雄蛙。典型蛙鳴聲時頻域波形如圖2所示。可以看出，蛙鳴聲同樣具有較強的間歇性，頻率主要集中在2～3 kHz。由于青蛙的發(fā)聲器官腔體較大，其發(fā)聲頻率較蟲鳴聲低。

圖2 蛙鳴聲時頻域特性

1.3 常見鳥鳴聲特性

鳥類通過鳴管發(fā)聲，通常分為叫聲和鳴唱兩種，通過調(diào)節(jié)流經(jīng)氣流的大小和壓力改變鳴叫聲的頻率[12]。由于鳥的種類繁多，圖3僅給出了具有代表性的常見鳥鳴聲時頻域波形。可以看出，與蟲鳴、蛙鳴聲類似，鳥鳴聲信號同樣存在較強的間歇性，但鳴叫方式更豐富，聲音起伏與持續(xù)性存在較為顯著的差異，頻率主要集中在2.5～3.5 kHz。

圖3 常見鳥鳴聲時頻域特性

1.4 車輛噪聲特性

汽車行駛中會產(chǎn)生多種噪聲。汽車發(fā)動機噪聲、傳動機構(gòu)噪聲、路噪和胎噪、風噪、異常駕駛的噪聲(如制動噪聲)、車輪打滑時產(chǎn)生的噪聲等。其中，汽車發(fā)動機噪聲、路噪和胎噪等噪聲是變電站周圍的主要噪聲干擾源。典型高速公路車輛噪聲時頻域波形如圖4所示。可以看出，高速公路車輛噪聲同樣具有一定的起伏特性，但相較于蟲鳴與鳥鳴聲，其頻率以低頻聲為主，頻率主要集中在

圖4 高速公路車輛噪聲時頻域特性

2.5 kHz以內(nèi)，與變壓器運行噪聲存在較多的重疊成分。

2 變壓器噪聲抗干擾檢測算法

2.1 小波包-譜減法

時域信號y(t)的小波包變換定義為[13]:

式中，j為分解層數(shù)，0≤j≤S，S為最大分解層數(shù)；t為時間；p為位置參數(shù)；n為通道數(shù)，0≤n≤2S-1；un(t)為小波包函數(shù)，滿足如下方程組[14-15]:

式中，Z為整數(shù)集合；h(k)為正交尺度函數(shù)φ(t)對應的低通濾波器；g(k)= (-1)k h(1-k)為正交小波函數(shù)ψ(t)對應的高通濾波器。

信號y(t)采用上述小波包變換，第S層分解后信號序列達到2S層。小波包分解算法可表述為[13]:

式中，h(p-2k)和g(p-2k)為濾波系數(shù)。

小波包分解系數(shù)不便直接用于后續(xù)信號處理，需要對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，從而獲得與原始信號相同長度的時域信號。

利用小波包分析方法可對變壓器噪聲信號進行多分辨時頻分解，從而定位干擾所在頻段，利用譜減法對該頻段信號進行抗干擾處理。

譜減法一般用在語音信號處理領域，其基本原理如圖5所示[16-21]。圖中，r(n) 為噪聲信號；s(n)為語音信號；y(n)為帶噪語音信號；Pr(ω)為r(n)的功率譜；Ψ(ω)為帶噪語音信號的相位譜。

圖5 基本譜減法原理

對帶噪變壓器聲信號進行分幀處理，第λ幀信號的加窗傅里葉變換為[7]:

式中，Y(k，λ)為帶噪變壓器聲信號頻譜；R為幀移；k=0， 1， …，N-1，為頻率點；N為每幀信號的長度；h(μ)為窗函數(shù)。

假設變壓器聲信號與環(huán)境干擾聲信號相互獨立，則有:

式中，S(k，λ)與R(k，λ)分別為s(n)與r(n)的傅里葉變換。由于s(n)與r(n)之間相互獨立，則存在如下關系:

令Py(k，λ)、Ps(k，λ)、Pr(k，λ)分別表示信號y(n)、s(n)、r(n)第λ幀的功率譜，式(7)可表述為:

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

2.2 短時窗法

根據(jù)環(huán)境噪聲干擾特性，干擾出現(xiàn)時具有一定的突發(fā)性，導致原本處于平穩(wěn)狀態(tài)的變壓器噪聲信號波形發(fā)生波動。由于變壓器噪聲的平穩(wěn)性，可選擇干擾未出現(xiàn)時的一段聲信號作為變壓器的實際噪聲信號，計算該段信號的聲壓級即可獲得變壓器的實際噪聲水平。因此，可對變壓器信號進行分幀處理，如圖6所示。

圖6 短時窗法原理

將變壓器噪聲信號分為若干等幀長的片段，幀移為1/2幀長，則前后兩幀信號中1/2幀長的數(shù)據(jù)相互重疊，以該方式保證對原始信號的更精細劃分，避免過多引入干擾信號進而影響聲壓級計算結(jié)果。所有幀信號中聲壓級的最小值即可認為是變壓器的實際噪聲值。

2.3 濾波器法

設濾波器輸入信號為x(m)，輸出信號為y(m)，直接形式的濾波器函數(shù)可以表述為[10]:

式中，m-1為濾波器階數(shù)；ma為反饋濾波器階數(shù)；mb為前饋濾波器階數(shù)；bi(i=0，1，…，mb)為前饋濾波器系數(shù)；ai(i=1，…，ma)為反饋濾波器系數(shù)。

對式(10)進行z變換，上述濾波器的傳遞函數(shù)為:

具體分析時，以2 kHz作為截止頻率，設計6階Butterworth低通濾波器，其幅頻響應如圖7(a)所示；以50 Hz及其整數(shù)倍為中心頻率設計通帶梳狀濾波器，如圖7(b)所示。

圖7 濾波器幅頻響應

大量研究結(jié)果表明，變壓器噪聲頻率主要分布在2 kHz以內(nèi)，更高頻分量較少，對聲壓級的影響可以忽略。對于自冷變壓器，噪聲頻率主要集中在50 Hz及其整數(shù)倍頻率分量上，可以結(jié)合低通濾波與梳狀濾波提取變壓器純凈聲信號。對于風冷變壓器，風機對變壓器噪聲水平的影響不容忽略，可采用低通濾波器消除高頻環(huán)境干擾對變壓器噪聲測量結(jié)果的影響。

3 變壓器抗干擾檢測效果與對比分析

3.1 抗蟲鳴干擾檢測效果對比

實際110 kV主變壓器噪聲信號s1聲壓級為59.7 dB。以間歇性混合昆蟲聲干擾為例，信號采樣率為22 050 Hz，信噪比為-5.13 dB，干擾信號s2聲壓級高達78.1 dB，混合聲信號sm聲壓級與變壓器噪聲實際值相差18.4 dB。實際變壓器噪聲s1、混合聲信號sm時頻域波形如圖8所示。

圖8 變壓器與蟲鳴混合聲信號

3.1.1小波包-譜減法抗干擾檢測效果

利用小波包-譜減法對混合信號sm進行抗干擾處理，如圖9所示。經(jīng)過3層小波包分解后，變壓器聲信號被分割為8個頻段。蟲鳴聲主要集中在S132—S137頻段， 頻率分布范圍寬， 其中以S132、S136頻段最為顯著。采用小波包-譜減法分別對以上頻段進行處理并重構(gòu)，得出變壓器抗干擾處理后的聲信號ssub，對應聲壓級為59.5 dB，聲壓級誤差為0.2 dB。混合聲信號與抗干擾處理后聲信號時域波形如圖10所示。將圖10與圖8對比可以看出，采用小波包-譜減法能夠有效削減混合聲信號中的非平穩(wěn)部分，并較為準確地還原出純凈的變壓器聲信號。實際變壓器噪聲信號s1與變壓器噪聲抗干擾計算值ssub頻譜對比如圖11所示，二者具有較高的一致性，頻譜相關系數(shù)達到0.97。由此可見，小波包-譜減法能夠有效抑制間歇性蟲鳴干擾。

圖9 蟲鳴干擾小波包-譜減法處理效果

圖10 混合聲信號與抗干擾處理聲信號

圖11 純凈變壓器噪聲頻譜與抗干擾計算結(jié)果對比

3.1.2短時窗法抗干擾檢測效果

對3 s帶噪變壓器聲信號進行分幀處理，以3 528個數(shù)據(jù)點為1幀，幀移為1 764，共分為36幀。分別計算每幀信號的等效A聲級，最小聲壓級為58.9 dB，相對實際值誤差為0.8 dB。短時窗法利用每幀信號進行計算，因此此處未以圖形展示處理結(jié)果。

3.1.3濾波器法抗干擾檢測效果

采用通帶梳狀濾波器以及低通濾波器對帶噪變壓器聲信號進行處理，處理結(jié)果如圖12所示。通過濾波算法能夠得出平穩(wěn)的變壓器噪聲信號，有效抑制蟲鳴聲干擾。變壓器噪聲抗干擾計算值為59.1 dB，相對實際值誤差為0.6 dB，濾波后的聲信號sf與變壓器實際噪聲s1的頻譜相關系數(shù)達到0.97。

圖12 混合聲信號與濾波處理聲信號

不同信噪比條件下變壓器噪聲抗干擾檢測結(jié)果見表1。可以看出，信噪比在-5.13 dB至14.85 dB范圍時，隨著信噪比的提高，小波包-譜減法、短時窗法、濾波器法檢測誤差逐漸增大，最大誤差分別穩(wěn)定在0.7 dB、1.7 dB、0.8 dB。三種檢測方法最低誤差分別為0.2 dB、0.8 dB、0.6 dB。小波包-譜減法與濾波器法平均誤差較低，分別為0.5 dB與0.7 dB。由此可見，小波包-譜減法與濾波器法對于間歇性蟲鳴干擾的處理效果較好，性能優(yōu)于短時窗法。

表1 不同信噪比變壓器噪聲抗蟲鳴干擾檢測結(jié)果 dB

3.2 抗蛙鳴干擾檢測效果對比

按照與抗蟲鳴干擾檢測相同的分析方法，不同信噪比條件下變壓器噪聲抗蛙鳴干擾檢測結(jié)果見表2。可以看出，信噪比在-1.44 dB至18.56 dB范圍時，隨著信噪比的提高，小波包-譜減法誤差逐漸降低，短時窗法、濾波器法檢測誤差具有一定的波動性，三種方法最大誤差分別為7.6 dB、3.5 dB、2.0 dB。三種檢測方法最低誤差分別為0.3 dB、0 dB、0.4 dB。短時窗法與濾波器法平均誤差較低，分別為1.2 dB、1.3 dB。由此可見，小波包-譜減法對于低信噪比連續(xù)蛙鳴干擾處理效果較差，對于高信噪比干擾處理效果較好，短時窗法與濾波器法對于連續(xù)蛙鳴干擾信號的平均處理效果較好。

表2 不同信噪比變壓器噪聲抗蛙鳴干擾檢測結(jié)果 dB

3.3 抗鳥鳴干擾檢測效果對比

不同信噪比條件下變壓器噪聲抗鳥鳴干擾檢測結(jié)果見表3。可以看出，信噪比在-5.90 dB至20.12 dB范圍時，隨著信噪比的提高，小波包-譜減法、濾波器法檢測誤差具有一定的波動性，短時窗法檢測誤差逐漸增大，三種方法最大誤差分別為0.7 dB、1.6 dB、1.0 dB。三種檢測方法最低誤差分別為0.1 dB、0.6 dB、0.1 dB。小波包-譜減法與濾波器法平均誤差較低。由此可見，小波包-譜減法與濾波器法對于鳥鳴聲干擾信號的處理效果較好，性能優(yōu)于短時窗法。

表3 不同信噪比變壓器噪聲抗蛙鳴干擾檢測結(jié)果 dB

3.4 抗車輛干擾檢測效果對比

不同信噪比條件下變壓器噪聲抗干擾檢測結(jié)果見表4。可以看出，信噪比在-2.68 dB至17.32 dB范圍時，小波包-譜減法、短時窗法、濾波器法最大誤差分別為6.8 dB、8.4 dB、6.2 dB，最低誤差分別為0.3 dB、0.3 dB、0.1 dB，平均誤差分別為2.1 dB、2.9 dB、1.9 dB。隨著信噪比的提高，短時窗法檢測誤差逐漸降低。由此可見，相對于小波包-譜減法、濾波器法，短時窗法在信噪比高于10 dB時對于抗高速公路干擾檢測效果較好，但三種方法檢測誤差存在較大波動。

表4 不同信噪比變壓器噪聲抗車輛干擾檢測結(jié)果 dB

3.5 現(xiàn)場檢測效果對比

分別對某110 kV戶外變壓器受鳥鳴干擾前后噪聲進行檢測，測量時間為3 s，采樣頻率為8 192 Hz。未受干擾變壓器聲壓級為59.6 dB，受干擾變壓器聲壓級為62.5 dB，經(jīng)小波包-譜減法處理后聲壓級為59.8 dB，聲壓級檢測誤差由2.9 dB降低至0.2 dB，檢測精度大幅提高。未受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)抗干擾處理后，未受干擾變壓器噪聲與抗干擾處理后的變壓器噪聲相似系數(shù)提高至0.92。

短時窗法變壓器聲壓級計算值為58.9 dB，相對實際值誤差為0.7 dB，抗干擾處理后的聲信號頻譜與變壓器實際噪聲頻譜相關系數(shù)為0.92。

經(jīng)過濾波器法處理后，變壓器噪聲抗干擾計算值為59.5 dB，相對實際值誤差為0.1 dB，濾波后的聲信號頻譜與變壓器實際噪聲頻譜相關系數(shù)為0.95。

現(xiàn)場檢測表明，小波包-譜減法、濾波器法對于鳥鳴干擾的檢測效果優(yōu)于短時窗法，現(xiàn)場檢測結(jié)果與前述分析一致。

4 關于算法選擇的討論

變壓器周邊環(huán)境噪聲十分復雜，環(huán)境干擾的產(chǎn)生具有隨機性、突發(fā)性、間歇性，干擾源類型與噪聲特性存在較大差異，包括小聲腔動物噪聲(如鳥鳴、蟲鳴等)、大聲腔動物噪聲(如蛙鳴、犬吠等)以及車輛噪聲等。小聲腔動物噪聲頻率較高，一般高于變壓器噪聲所處的50～2 000 Hz頻段，對于該類噪聲采用濾波法具有一定的可行性。然而，對于后兩種聲源類型，濾波方法處理效果仍有不足，主要原因在于后兩種環(huán)境干擾噪聲頻率較低，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。此時，根據(jù)外界環(huán)境干擾的突發(fā)間歇性特征，選擇時域、頻域相結(jié)合方法較為合適，如低通濾波后的短時窗法、小波包-譜減法等。

短時窗法實現(xiàn)難度較低，便于嵌入式開發(fā)，但對于變壓器噪聲信號的信噪比要求較高，若外環(huán)境干擾噪聲幅值與變壓器噪聲幅值相當，則很難達到較好的抗干擾效果。

小波包-譜減法能夠?qū)Ц蓴_變壓器聲信號進行任意層數(shù)的頻段分解與增強，原則上對于突發(fā)間歇性環(huán)境干擾普遍適用，但算法執(zhí)行難度較大，不便于集成，算法效果與未受干擾信號片段的選擇有關。因此，在現(xiàn)場應用過程中，應根據(jù)實際需要選擇合適的算法，對于實時性要求較高的應用場合宜選擇濾波器法或短時窗法，否則可選擇具有普適性的小波包-譜減法。

5 結(jié)論

為了降低外界環(huán)境噪聲對變壓器噪聲測量結(jié)果的干擾，根據(jù)環(huán)境干擾與變壓器噪聲特性差異，提出了3種抗干擾檢測方法，對比分析了算法檢測效果，并對算法的選擇方法進行了初步探討，為提高變壓器噪聲測量精度提供了參考依據(jù)。主要得出以下結(jié)論:

1)變壓器所處周邊環(huán)境干擾主要為蟲鳴、蛙鳴、鳥鳴、車輛噪聲等，蟲鳴、蛙鳴、鳥鳴聲頻率普遍高于2 kHz，車輛噪聲主要集中在2.5 kHz以內(nèi)，與變壓器運行噪聲存在較多的重疊成分。

2)小波包-譜減法對于突發(fā)間歇性蟲鳴、蛙鳴、鳥鳴干擾均具有較好的抑制效果，整體性能優(yōu)于短時窗法與濾波器法，但對于車輛噪聲干擾的抑制效果有待提高，原因在于車輛噪聲與變壓器噪聲存在共同頻率成分，且小波包分解層數(shù)較少，頻率分辨率不足。

3)短時窗法整體效果不及小波包-譜減法、濾波器法，檢測效果與信噪比以及環(huán)境干擾的持續(xù)性有關。

4)濾波器法抗干擾檢測效果相對較好，對于多種不同類型的環(huán)境干擾，能夠在較低信噪比條件下維持2 dB以內(nèi)的檢測誤差。

5)由于變壓器周邊環(huán)境干擾復雜，具體應用過程中應當根據(jù)實時性需求選擇適用于現(xiàn)場環(huán)境的抗干擾檢測方法。