变压器降噪处理「随机噪声为什么要用功率谱分析」

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南京工程学院电力工程学院的研究人员陈兴、王青云，在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“一种基于窄带有源降噪的改进变步长变压器有源降噪算法”），为了提高变压器有源降噪算法收敛的速度，保证算法稳态降噪量，本文针对变压器噪声特性，提出一种改进的基于窄带有源降噪的变压器有源降噪算法。

该算法以经典的并行参考输入的窄带有源降噪技术为基础，结合波形合成的方法，由系统内部合成参考信号，无需采用参考送话器。并且引入了对残余误差信号中各频率信号的估计，使用了基于sigmoid函数的变步长策略，使算法在保持低稳态误差的同时提高变压器有源降噪算法收敛的速度。

本文搭建了基于DSP的实验平台，用实地采集的变压器噪声信号进行了模拟变压器噪声环境下的降噪实验，在误差送话器处取得6.4dB的总体降噪效果。

随着城市电网负荷的增加，部分变电站不得不选址在人口密集区域，由变压器工作时产生的噪声将会对附近人们的工作和生活产生影响。目前，应对变电站噪声，主要有吸声、隔声等无源技术和有源降噪技术这两大类噪声抑制手段。经过国内外学者的研究，变电站噪声主要由变压器产生，且其噪声具有低频特性，声波波长较长，穿透以及绕射能力强。

传统无源降噪方式需要在变电站外围加装隔声构件（如隔音墙），成本高昂。相比传统的无源技术，有源降噪（active noise control, ANC）技术基于声波干涉相消理论，对以低频噪声为主的变压器噪声可实现良好的降噪效果，并且随着数字信号处理器件高速化和小型化的发展，有源降噪系统成本逐渐降低，效率不断提高。

近年国内已有学者对电力变压器噪声的产生原因以及噪声特性作了研究，发现电力变压器噪声主要源于铁心励磁时硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动，并且频率集中在100Hz及其整数倍的低频段。因此，对于变压器噪声只需对有限的若干个频点附近范围的噪声进行消除即可。

传统窄带有源降噪（narrow-band active noise control, NANC）技术利用多个并联的二权值有限脉冲响应（finit inpulse response, FIR）滤波器对每个频率信号进行单独处理，构建了经典的前馈并行参考输入NANC系统。

有学者结合变压器噪声频率固定的特点，使用波形合成的方法，直接由有源降噪系统内部生成的与待消噪噪声信号同频的各个频率正弦信号的叠加作为系统的参考信号，从而节约一个高精度参考送话器，降低系统硬件成本，且无需补偿次级声源对参考送话器的有害声反馈，提高了系统稳定性。有学者提出一种变步长有源降噪算法，结合了sigmoid函数，提出误差相关的变步长策略，提升了有源降噪算法收敛速度以及稳态性能。

结合变压器噪声特性以及变电站环境的特点，在传统NANC方法的基础上，本文以经典并行参考输入的窄带有源降噪技术为基础，结合波形合成的方法，利用多个二权值FIR滤波器的并联，对变压器噪声所含的各频率信号进行单独处理，并对残余误差信号中所含的各频率分量残余误差进行自适应估计，结合基于sigmoid函数的误差信号相关的变步长策略，对每个二权值FIR滤波器的权值以互相独立的变收敛步长进行更新，在维持低稳态误差的同时，提高算法在降噪初始阶段的收敛速度。

为进一步说明算法性能及可实现性，本文实地采集了变压器噪声信号，并搭建了基于数字信号处理器（digital signal processing, DSP）芯片的硬件平台，进行了模拟实验，在误差送话器处取得了总体6.4dB的降噪效果。

图8 变压器有源降噪系统实验布置图

结论

本文提出改进的基于NANC变压器有源降噪算法引入了残余误差各频率分量的估计，对NANC系统中各频率通道的步长因子采用了互相独立的变步长策略，在减小稳态误差的情况下能提高算法收敛速度和有源降噪系统的性能。在基于DSP的硬件平台上进行了模拟变压器噪声的有源降噪实验，在误差送话器处取得约6.4dB的总体降噪效果。