基于波束形成的变压器振动噪声定位系统

席禹、蒋文辉、罗嘉林、梁博、陈煜敏、陈光侵

南方电网数字电网研究院有限公司，广东省广州 市， 510700

0　引言

作为变电站中最为昂贵和重要的设备，变压器一直被作为科研人员的研究重点。在随着社会的发展，变压器的振动噪声越来越受到人们的关注。此外利用变压器噪声进行变电站规划、变压器运行状态评估也具有良好的前景^[1,2]。因此对变压器的振动噪声的研究至关重要。

本文研究了宽带信号的波束形成技术与达波方向估计技术，整理出了一种基于频域数据的宽带变压器信号定位思路。根据研究的内容，进行了现场应用测试。

1　宽带信号的波达方向估计与波束形成

基金项目：国家自然科学基金资助项目（5729264）；江苏省自然科学基金资助项目（sk277054）；广东省科技厅科技项目（2014b0048）

1.1　宽带信号的处理方式

宽带信号抵达各个阵元的时间各异，同一平面在各个阵元输出端的响应有不同的延迟时间。假设有P个宽带信号源分别从不同的方向辐射到由M个阵元组成的宽带传感器阵列(同样有P<M)，则第m个传感器上接收到的信号为

(1)

式中s_p(t)为第p个信号源；_p表示第p个信号源的到达方向；_m(_p)表示第p个信号源到达第m个传感器相对于参考真元的时延；n_m(t)表示第m个阵元的加性噪声。

利用傅里叶变换将在时域阵列接收到的数据转换到频域，对公式(1)进行傅里叶变换，可以得到

(2)

即利用傅里叶变换将接收到的宽带信号转换为J组互不相关的窄带频域分量，再令

(3)

则有

(4)

将接收到的信号转换为频域后套用窄带的算法来获得所需要的结果。

宽带信号由于其包含各种频率的信号，所以干扰不可避免。一般情况下，阵元间距会设置为接收信号最高频率f_max对应波长的一半。即有

(5)

1.2　非相干信号子空间算法

ISM算法是将时域接收到的数据首先在时域内进行分割，设将数据分割为J段；对每段数据进行傅里叶变换得到频域数据，每段频域数据可以当作窄带信号来进行计算。之后再将J段数据的计算结果加权即可估计出宽带信号的计算结果。设每段在变换后长度为K，则K为频域快拍，记X_k(f_j),k=1,2,…,K,j=1,2,…,J。于是频率上的互谱密度为

(6)

再对R_X(f_j)进行特征值分解，则有

(7)

在公式(7)中特征值_i>²,(i=1,2,…,P)对应的特征值向量构成信号子空间U_s=[u₁,u₂,…,u_P]，特征值_i²,(i=P+1,P+2,…,M)对应的特征值向量构成噪声子空间U_n(f_j)=[u_P+1,u_P+2,…,u_M]。则平均意义下的MUSIC空间谱为

(8)

通过公式(8)即可求解出宽带信号的波达方向。

2　振动噪声定位监测系统的设计

基金项目：国家自然科学基金资助项目（5729264）；江苏省自然科学基金资助项目（sk277054）；广东省科技厅科技项目（2014b0048）

变压器振动噪声定位监测系统是用来对噪声源的位置进行精确可视化定位的一套系统。如图1所示为为变压器振动噪声源定位监测系统的总体架构图。

图1 监测系统构架图

Fig.1 Monitoring system architecture diagram

根据图1，该监测系统的硬件部分主要包括噪声传感器、工业照相机、高速数据采集卡及工控机。噪声定位监测系统针对变压器采集的数据主要分为两种，最重要的就是变压器发出的噪声，噪声通过噪声传感器传输给信号调理模块，信号调理模块将调整后的信号传输给多通道数据采集卡，工控机内的软件便可以借助多通道数据采集卡采集到的数据计算出变压器噪声源的位置，再进行波束形成还原出波束图。此外，采集的第二种信号就是现场照片，工业照相机将现场的照片拍摄后传输给工控机，利用此前计算得出的噪声源位置数据和二维波束图，即可合成出能体现声源位置的照片。

3　振动噪声定位监测系统的现场应用

基金项目：国家自然科学基金资助项目（5729264）；江苏省自然科学基金资助项目（sk277054）；广东省科技厅科技项目（2014b0048）

关于变压器振动噪声定位系统的变压器应用，应用对象为1号主变压器，如图2所示。变压器噪声定位结果如图3所示。输出结果中，变压器照片由摄像头拍摄得到。声场图由不同颜色的曲线构成，曲线为代表声场强度的等值线。红色曲线密集处即为噪声源定位位置。运行中的变压器右侧风扇处在运行状态，噪音中的成分多为风扇噪音，可以看出变压器噪声定位结果为变压器右侧风扇部位。

图2 1号主变压器

Fig.2 No. 1 main transformer

图3 变压器噪声定位结果

Fig.3 Noise location results of transformer

4　结论

本文将波束形成技术应用在了变压器噪声定位研究之中，根据宽带信号DOA技术确定了变压器噪声定位的算法结构，并搭建了一套变压器噪声定位监测系统，开展了相关的试验。

参 考 文 献

1. 张言苍,张毅刚,徐大可.变压器局部放电在线检测的现状及发展[J].继电器,2004(22):70-75.

ZHANG Yancang, ZHANG Yigang, XU Dake. The status and development of on-line partial discharge detection in transformer[J]. Relay, 2004(22): 70-75.

2. Lesieutre B C, Hagman W H, Kirtley. An improved transformer top oil temperature model for use in an on-line monitoring and diagnostic system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997,12(1):249-256.

2