一种提高变压器声音测量精度的方法 |
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申请号 | CN202111469968.5 | 申请日 | 2021-12-03 | 公开(公告)号 | CN114112018B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
申请人 | 国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司; 宿迁电力设计院有限公司; | 发明人 | 韩少华; 万新强; 赖勇; 庞吉年; 毛王清; 夏睿; 刘刚; 葛蕾; 赵航宇; 陈秋平; | ||||
摘要 | 本 发明 是一种提高 变压器 声音测量 精度 的方法,包括如下步骤:1)设置 采样 频率 与采样时间,检测变压器声 信号 S1;2)选取第一截止频率,设计巴特沃斯高通数字 滤波器 Filter1,获取消除 风 噪后的变压器声信号S2;3)选取第二截止频率,设计巴特沃斯低通 数字滤波器 Filter2,获取变压器频带声信号S3;4)选取第三截止频率,设计巴特沃斯 低通滤波器 Filter3与巴特沃斯 高通滤波器 Filter4,分别获取低频带声信号S4与高频带声信号S5;5)进行Weiner滤波增强处理,获取低频带声信号S4与高频带声信号S5的增强信号;6)对增强信号进行声压级计算,并计算变压器的总声压级。 | ||||||
权利要求 | 1.一种提高变压器声音测量精度的方法,其特征是包括如下步骤: |
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说明书全文 | 一种提高变压器声音测量精度的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种提高变压器声音测量精度的方法,属于变压器声音检测技术。 背景技术[0002] 变压器运行故障是导致电力系统大面积停电的关键原因,根据DL/T 573‑2010《电力变压器检修导则》,变压器过载、不平衡负载、谐波负载、严重过热、直流偏磁、局部放电、绕组铁心松动、附件松动等多种缺陷均与变压器运行声音有关;变压器运行声音的准确测量对于其运行状态评价与故障诊断具有重要意义;然而,变压器声音检测过程容易受到外界环境因素的干扰,包括行驶车辆、鸟鸣、虫鸣、蛙鸣等,造成变压器声音检测难以开展、检测效率低、测量准确性差等问题,严重影响了变压器运行状态评价与故障诊断过程。 发明内容[0003] 本发明提出的是一种提高变压器声音测量精度的方法,其目的旨在解决现有技术中进行变压器声音测量过程中容易受到外界声音干扰的问题。 [0004] 本发明的技术解决方案:一种提高变压器声音测量精度的方法,该方法包括如下步骤: [0007] 3)选取第二截止频率,设计巴特沃斯低通数字滤波器Filter2,获取变压器频带声信号S3; [0009] 5)进行Weiner滤波增强处理,获取低频带声信号S4与高频带声信号S5的增强信号; [0010] 6)对增强信号进行声压级计算,并计算变压器的总声压级。 [0011] 优选地,所述巴特沃斯高通数字滤波器Filter1为6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1,所述巴特沃斯低通数字滤波器Filter2为6阶巴特沃斯低通数字滤波器Filter2,所述巴特沃斯低通滤波器Filter3为6阶巴特沃斯低通滤波器Filter3,所述巴特沃斯高通滤波器Filter4为6阶巴特沃斯高通滤波器Filter4。 [0012] 优选地,所述步骤1)中采样频率大于或等于48kHz,能够覆盖可听声频段;所述采样时间超过2s,检测获取变压器声音信号S1;所述变压器声音信号S1是指不同时刻变压器的声压,是一段横轴为时间纵轴为声压的波形。 [0013] 优选地,所述步骤2)中第一截止频率优选为80Hz,采用直接法设计6阶巴特沃斯(Butterworth)高通数字滤波器Filter1,变压器声信号S1送入6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1获取消除风噪后的变压器声信号S2。 [0014] 优选地,所述步骤3)中第二截止频率优选为2kHz,采用直接法设计6阶巴特沃斯(Butterworth)低通数字滤波器Filter2,利用6阶巴特沃斯(Butterworth)低通数字滤波器Filter2对消除风噪后的变压器声信号S2进行处理,获取变压器频带声信号S3。 [0015] 优选地,所述步骤4)中第三截止频率优选为700Hz,采用直接法设计6阶巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器Filter3与6阶巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器Filter4;利用6阶巴特沃斯低通滤波器Filter3对变压器频带声信号S3进行处理,获取低频带声信号S4;利用6阶巴特沃斯高通滤波器Filter4对变压器频带声信号S3进行处理,获取高频带声信号S5。 [0016] 优选地,所述步骤5)中进行Weiner滤波增强处理,获取低频带声信号S4与高频带声信号S5的增强信号,具体为:对低频带声信号S4进行Weiner滤波增强处理,获取低频带声信号S4的增强信号;对高频带声信号S5进行Weiner滤波增强处理,获取高频带声信号S5的增强信号。 [0018] 优选地,所述步骤6)中对增强信号进行声压级计算,具体包括: [0019] 1)对低频带声信号S4的增强信号进行声压级计算,获得第一声压级Leq1; [0020] 2)对高频带声信号S5的增强信号进行声压级计算,获得第二声压级Leq2。 [0021] 优选地,所述步骤6)中变压器的总声压级计算方法如公式(2)所示: [0022] [0023] 式中,Leq是变压器的总声压级,Leq1为第一声压级,Leq2为第二声压级。 [0024] 优选地,所述6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1、6阶巴特沃斯低通数字滤波器Filter2、6阶巴特沃斯低通滤波器Filter3、6阶巴特沃斯高通滤波器Filter4的函数表述均如公式(1)所示: [0025] [0026] 式中:m‑1…m‑ma均为滤波器阶数;m、m‑1…m‑mb也均为滤波器阶数;ma=6为反馈滤波器阶数;mb=6为前馈滤波器阶数;bi(i=0,1,……,mb)为前馈滤波器系数;ai(i=0,1,……,ma)为反馈滤波器系数;所述6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1、6阶巴特沃斯低通数字滤波器Filter2、6阶巴特沃斯低通滤波器Filter3、6阶巴特沃斯高通滤波器Filter4的各自函数表述中的前馈滤波器系数bi、反馈滤波器系数ai根据实际需要设置。 [0027] 本发明的优点: [0028] 1)本发明设置采样频率与采样时间,检测变压器声信号,通过设计滤波器消除变压器声音信号中的风噪以及变压器声音信号频率以外的高频噪声,获取主要频带声信号,针对主要频带声信号又分为低频带声信号与高频带声信号,通过Weiner滤波增强处理可进一步消除变压器声音主要频带范围内的外界干扰声音,通过非相干叠加原理计算出变压器的总声压级; [0030] 附图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。 [0031] 附图2为本发明实施例截止频率为80Hz的高通数字滤波器幅频响应图。 [0032] 附图3为本发明实施例截止频率为2kHz的低通数字滤波器幅频响应图。 [0033] 附图4为本发明实施例截止频率为700Hz的低通数字滤波器幅频响应图。 [0034] 附图5为本发明实施例截止频率为700Hz的高通数字滤波器幅频响应图。 具体实施方式[0035] 参见图1,本实施例提高变压器声音测量精度的方法的实施步骤包括: [0036] 1)设置采样频率与采样时间,检测变压器声信号S1; [0037] 2)选取第一截止频率,设计6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1,获取消除风噪后的变压器声信号S2; [0038] 3)选取第二截止频率,设计6阶巴特沃斯低通数字滤波器Filter2,获取变压器频带声信号S3; [0039] 4)选取第三截止频率,设计6阶巴特沃斯低通滤波器Filter3与6阶巴特沃斯高通滤波器Filter4对变压器频带声信号S3进行处理,分别获取低频带声信号S4与高频带声信号S5; [0040] 5)对低频带声信号S4与高频带声信号S5分别进行Weiner滤波增强处理,获取低频带声信号S4的增强信号与高频带声信号S5的增强信号; [0041] 6)对低频带声信号S4与高频带声信号S5的增强信号分别进行声压级计算,利用非相干叠加原理计算变压器的总声压级。 [0042] 本实施例中,所述6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1的输入信号设为x(m),6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1的输出信号设为y(m),直接形式的6阶巴特沃斯高通数字滤波器Filter1的函数表述如公式(1)所示: [0043] [0044] 式中:m‑1…m‑ma均为滤波器阶数;m、m‑1…m‑mb也均为滤波器阶数;ma=6为反馈滤波器阶数;mb=6为前馈滤波器阶数;bi(i=0,1,……,mb)为前馈滤波器系数;ai(i=0,1,……,ma)为反馈滤波器系数;其中,前馈滤波器系数bi和反馈滤波器系数ai的具体设计如下: [0045] b0=0.985292071325286; [0046] b1=‑5.91175242795171; [0047] b2=14.7793810698793; [0048] b3=‑19.7058414265057; [0049] b4=14.7793810698793; [0050] b5=‑5.91175242795171; [0051] b6=0.985292071325286; [0052] a0=1; [0053] a1=‑5.97036578104684; [0054] a2=14.8522676796558; [0055] a3=‑19.7054087928995; [0056] a4=14.7062781369370; [0057] a5=‑5.85357170846266; [0058] a6=0.970800465816472。 [0059] 所述6阶巴特沃斯低通数字滤波器Filter2的函数表述也如公式(1)所示;其中,前馈滤波器系数bi和反馈滤波器系数ai的具体设计如下: [0060] b0=5.457735721692281e‑07; [0061] b1=3.274641433015368e‑06; [0062] b2=8.186603582538421e‑06; [0063] b3=1.091547144338456e‑05; [0064] b4=8.186603582538421e‑06; [0065] b5=3.274641433015368e‑06; [0066] b6=5.457735721692281e‑07; [0067] a0=1; [0068] a1=‑5.259364609410227; [0069] a2=11.566129391042576; [0070] a3=‑13.610057554787442; [0071] a4=9.035975203089848; [0072] a5=‑3.208665800580283; [0073] a6=0.476018300154148。 [0074] 所述6阶巴特沃斯低通滤波器Filter3的函数表述也如公式(1)所示;其中,前馈滤波器系数bi和反馈滤波器系数ai的具体设计如下: [0075] b0=1.256801246407591e‑09; [0076] b1=7.540807478445544e‑09; [0077] b2=1.885201869611386e‑08; [0078] b3=2.513602492815181e‑08; [0079] b4=1.885201869611386e‑08; [0080] b5=7.540807478445544e‑09; [0081] b6=1.256801246407591e‑09; [0082] a0=1; [0083] a1=‑5.740709993005902; [0084] a2=13.736951993835140; [0085] a3=‑17.537999982678507; [0086] a4=12.599532988608864; [0087] a5=‑4.829319169164712; [0088] a6=0.771544242840395。 [0089] 所述6阶巴特沃斯高通滤波器Filter4的函数表述也如公式(1)所示;其中,前馈滤波器系数bi和反馈滤波器系数ai的具体设计如下: [0090] b0=0.878375912033339; [0091] b1=‑5.270255472200034; [0092] b2=13.175638680500086; [0093] b3=‑17.567518240666782; [0094] b4=13.175638680500086; [0095] b5=‑5.270255472200034; [0096] b6=0.878375912033339; [0097] a0=1; [0098] a1=‑5.740709993005909; [0099] a2=13.736951993835167; [0100] a3=‑17.537999982678564; [0101] a4=12.599532988608921; [0102] a5=‑4.829319169164739; [0103] a6=0.771544242840400。 [0104] 本实施例中,变压器频带声信号S3是指大于80Hz、小于等于2kHz的声音信号;低频带声信号S4是指大于80Hz、小于等于700Hz的声音信号;高频带声信号S5是指大于700Hz、小于等于2kHz的声音信号。 [0105] 本实施例中,步骤1)中采样频率为65536Hz,能够覆盖可听声频段,采样时间为2s,获取变压器声信号S1。 [0106] 本实施例中,为了避免变压器声音检测过程中风噪干扰,步骤2)中采用直接法设计截止频率为80Hz的6阶巴特沃斯(Butterworth)高通数字滤波器Filter1,如图2所示;利用80Hz的6阶巴特沃斯(Butterworth)高通数字滤波器Filter1按照公式(1)对变压器声信号S1进行处理,获取消除风噪后的变压器声信号S2: [0107] [0108] 式中:m‑1…m‑ma均为滤波器阶数;m、m‑1…m‑mb也均为滤波器阶数;ma=6为反馈滤波器阶数;mb=6为前馈滤波器阶数;bi(i=0,1,……,mb)为前馈滤波器系数;ai(i=0,1,……,ma)为反馈滤波器系数。 [0109] 本实施例中,由于变压器本体及其冷却风扇声音均为准稳态声音,频谱一般集中在2kHz范围内;因此,步骤3)中截止频率为2kHz,采用直接法设计6阶巴特沃斯(Butterworth)低通数字滤波器Filter2,如图3所示;利用6阶巴特沃斯(Butterworth)低通数字滤波器Filter2,按照公式(1)方式对消除风噪后的变压器声信号S2进行处理,获取变压器频带声信号S3。 [0110] 本实施例中,由于变压器本体声音信号频谱主要位于700Hz以下的50Hz整数倍频率上,而冷却风扇噪声在2kHz以内的频带范围内分布较为均匀,考虑外界干扰频带在2kHz范围内均可能出现;因此,为了尽可能地消除外界干扰,需要将2kHz以内的信号进行频率分割,划分为低频带声信号S4与高频带声信号S5;步骤4)中采用直接法设计截止频率为700Hz的6阶巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器Filter3(如图4)与6阶巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器Filter4(如图5),分别利用6阶巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器Filter3、6阶巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器Filter4按照公式(1)对变压器频带声信号S3进行处理,获取低频带声信号S4与高频带声信号S5。 [0111] 本实施例中,首先在步骤5)中对低频带声信号S4与高频带声信号S5进行分帧处理,帧长为4096,帧移为2048,之后采用Weiner滤波增强方法分别对低频带声信号S4与高频带声信号S5进行处理,分别获取低频带声信号增强信号S6与高频带声信号增强信号S7。 [0112] 本实施例中,对低频带声信号增强信号S6与高频带声信号增强信号S7分别进行声压级计算,分别获得第一声压级Leq1与第二声压级Leq2;利用非相干叠加原理,按照公式(2)计算变压器的总声压级Leq: [0113] [0114] 本发明综合考虑了变压器声音频带范围以及外界噪声可能出现的频带,通过一些列滤波器组合以及Weiner滤波增强方法有效抑制变压器声音频带范围内外的多种可能出现的外界干扰声音,具有使用便捷、测量精度高的优点。 |