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摘 要：该文基于虚拟仪器工程平台（LabVIEW）设计了35kV变电站噪声监测系统。采用多个声强和声压传感器提取变电站噪声信号，通过USB数据采集卡采样后送入LabVIEW编写的软件进行处理。噪声监测软件具有实时声功率、波形显示、峰值计算、功率谱分析和历史数据管理等功能。该系统具有简单有效，能直观显示监测结果，且易于控制的优点。
关键词：35kV变电站 噪声 LabVIEW 声强 声压
近年来，随着我国人民生活水平的提高和居民用电负荷的快速增长，电力建设步伐也随之加快。越来越多的变电站不可避免地建设在城乡居民的生活区，站内设备产生的噪声对居民生活的影响也备受关注。变电站内的噪声主要为可闻中低频噪声，包括变压器本体的电磁噪声、冷却风机的机械噪声、设备运行中机械振动造成的振动噪声和油冷系统液体流动力噪声等[1]。如何对主变噪声进行监测，并将监测信息反馈给变电站值守人员以进行噪声控制，是电力运行人员十分关心的工作。
本文基于LabVIEW软件平台设计了35kV变电站噪声监测系统软件，实现了对安装在变压器上的多个声压、声强传感器信号的显示和处理。软件具有实时声功率、波形显示、峰值计算、功率谱分析和历史数据管理等功能，可以在35kV变电站中进行应用。
1 硬件系统设计
为对35kV变电站内的主变实施噪声监测，分别选取了声强和声压探头作为传感器。由以上传感器所获得的模拟信号由高速数据采集卡进行采集，再经USB总线送入计算机中的噪声分析软件，完成自动采集、处理和结果显示。硬件系统结构示意图如图1所示，主要部件包括声强和声压探头、高速采集卡和主机三部分。
图1 硬件系统结构示意图
在本系统中，分别在35kV变电站的主变周围布置4个声强探头，在变电站内不同区域布置8个声压探头。各传感器获取的信号均经同轴电缆传输至控制中心，并连接至数据采集卡。主机采用笔记本电脑，使监测系统具有便携式和数据共享模式。
2 软件系统设计
LabVIEW是NI公司开发的实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），可方便实现图形化编程语言软件开发[2]。本文开发的软件系统即是基于LabVIEW开发的应用程序，通过有效利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，实现对变电站噪声多点信号的采集，并计算噪声信号的声功率及其平均值、最大、最小值和噪声的频谱分析，便于用户实时掌握变电站噪声信息。所开发软件的主界面如图2所示。
该软件的声级计算采用了声压和声强测量和计算原理。声音在以波的形式传播过程中，会对弹性介质造成机械扰动，声压就是指介质中某点因此产生的压力变化，是一个瞬时值[3]。某段时间内该点的有效声压 为
（1）
其中T为时间间隔，p（t）为瞬时声压。声压级的计算公式为
（2）
单位dB。式中 为基准声压值，取 。
声强是指在垂直于声波传播的方向上，在单位时间单位面积内通过的声能，单位是 [4]。其表达式
（3）
式中u（t）表示质点运动速度， 表示介质密度，c表示声音在该介质内的传播速度。声强级的表达式
（4）
单位dB。其中 为基准声强，取 。
本软件基于以上原理对由采集卡得到的数字信号进行计算分析，从而获得声压和声强值。另外，对噪声级采用1/3倍频程法[5]进行频谱分析和显示。1/3倍頻程谱分析是一种常用于声学的测试分析方法，具有谱线少频带宽的优点。核心程序流程图如图3所示。
该软件系统主要由以下模块组成：
（1） 数据实时显示模块。
如图2所示，分别对主变压器（4个声强探头）和变电站周围区域（8个声压探头）传感器采集到的信息用波形图实时显示，设置游标方便查看波形上任一点的时间或幅值。右侧的液罐控件可以直观显示当前的声强级或声压级幅度。
图3 变电站噪声监测分析软件主界面
图3 1/3倍频程分析程序流程图
（2） 数据分析模块。
数据分析模块主要分为主变或变电站周围区域噪声的时域信息和频域信息分析模块。
对于噪声的时域信息，通过对4个声强探头和8个声压探头传输数据的声级计算分析，得到监测时间和当前噪声级（dB）间的关系，则可以计算并显示设定时间区间内的声级平均值、最大值和最小值。本日记录可以显示当天的噪声大小随时间的变化趋势，方便操作人员读取或存储噪声信息。
对于噪声的频域信息，可根据采集到的时域特征，实施时频域变换，从而显示主变或变电站周边噪声的频域信息，包括频率上限、下限和中心频率，且可对当前数据进行功率谱分析，为运行人员提供更加丰富的噪声状态信息。
图4 数据实时显示模块
图5 时域信息分析模块
图6 频域信息分析模块
（3） 数据管理模块。
为方便分析噪声数据的历史变化规律，本软件设计了噪声数据库系统。数据库结构如图2中所示。“声强 01”等分别代表各文件夹名，其中保存了历史噪声信号的时域、频域和能量信息。“导出图像”可保存当前实时波形和功率谱、本日记录等图片形式的信息。“Reports”内可保存操作人员人工填写的备注等报告文件。本模块支持打开、更改、删除、新建、打印历史数据报表的功能。为35kV变电站不同主变噪声数据的横向比对奠定基础。
3 结语
为对35kV变电站进行噪声监测和分析，本文基于LabVIEW软件平台开发了一套变电站噪声监测系统。通过在35kV主变和变电站区域内安装声压和声强传感器，实现噪声信号的采集。采用USB高速数据采集卡对传感器信号实时采集，并传输至主机，通过噪声监测软件实现对噪声信号的实时声级计算、频谱分析和数据管理。该软件具有操作界面友好，分析功能全面，速度快、可靠性高的特点，有助于变电站值守人员实时掌握站内噪声信息。
参 考 文 献
[1] 李永明， 王玉强， 徐禄文等. 变电站噪声预测和仿真分析[J].电力建设， 2013， （7）.
[2] 王福明等. LabVIEW程序设计与虚拟仪器[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.
[3] 李强. 基于虚拟仪器的声强分析系统[D].吉林大学， 2007.
[4] 吕佳珩， 吕铭刚， 武佩. 基于LabVIEW的声强测量分析系统的研究[J]. 内蒙古农业大学学报：自然科学版， 2008， （2）.
[5] 王东生. 分贝的由来和1/3倍频程算法[J].橡塑资源利用， 2005， （5）.
关键词：35kV变电站 噪声 LabVIEW 声强 声压
近年来，随着我国人民生活水平的提高和居民用电负荷的快速增长，电力建设步伐也随之加快。越来越多的变电站不可避免地建设在城乡居民的生活区，站内设备产生的噪声对居民生活的影响也备受关注。变电站内的噪声主要为可闻中低频噪声，包括变压器本体的电磁噪声、冷却风机的机械噪声、设备运行中机械振动造成的振动噪声和油冷系统液体流动力噪声等[1]。如何对主变噪声进行监测，并将监测信息反馈给变电站值守人员以进行噪声控制，是电力运行人员十分关心的工作。
本文基于LabVIEW软件平台设计了35kV变电站噪声监测系统软件，实现了对安装在变压器上的多个声压、声强传感器信号的显示和处理。软件具有实时声功率、波形显示、峰值计算、功率谱分析和历史数据管理等功能，可以在35kV变电站中进行应用。
1 硬件系统设计
为对35kV变电站内的主变实施噪声监测，分别选取了声强和声压探头作为传感器。由以上传感器所获得的模拟信号由高速数据采集卡进行采集，再经USB总线送入计算机中的噪声分析软件，完成自动采集、处理和结果显示。硬件系统结构示意图如图1所示，主要部件包括声强和声压探头、高速采集卡和主机三部分。
图1 硬件系统结构示意图
在本系统中，分别在35kV变电站的主变周围布置4个声强探头，在变电站内不同区域布置8个声压探头。各传感器获取的信号均经同轴电缆传输至控制中心，并连接至数据采集卡。主机采用笔记本电脑，使监测系统具有便携式和数据共享模式。
2 软件系统设计
LabVIEW是NI公司开发的实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），可方便实现图形化编程语言软件开发[2]。本文开发的软件系统即是基于LabVIEW开发的应用程序，通过有效利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，实现对变电站噪声多点信号的采集，并计算噪声信号的声功率及其平均值、最大、最小值和噪声的频谱分析，便于用户实时掌握变电站噪声信息。所开发软件的主界面如图2所示。
该软件的声级计算采用了声压和声强测量和计算原理。声音在以波的形式传播过程中，会对弹性介质造成机械扰动，声压就是指介质中某点因此产生的压力变化，是一个瞬时值[3]。某段时间内该点的有效声压 为
（1）
其中T为时间间隔，p（t）为瞬时声压。声压级的计算公式为
（2）
单位dB。式中 为基准声压值，取 。
声强是指在垂直于声波传播的方向上，在单位时间单位面积内通过的声能，单位是 [4]。其表达式
（3）
式中u（t）表示质点运动速度， 表示介质密度，c表示声音在该介质内的传播速度。声强级的表达式
（4）
单位dB。其中 为基准声强，取 。
本软件基于以上原理对由采集卡得到的数字信号进行计算分析，从而获得声压和声强值。另外，对噪声级采用1/3倍频程法[5]进行频谱分析和显示。1/3倍頻程谱分析是一种常用于声学的测试分析方法，具有谱线少频带宽的优点。核心程序流程图如图3所示。
该软件系统主要由以下模块组成：
（1） 数据实时显示模块。
如图2所示，分别对主变压器（4个声强探头）和变电站周围区域（8个声压探头）传感器采集到的信息用波形图实时显示，设置游标方便查看波形上任一点的时间或幅值。右侧的液罐控件可以直观显示当前的声强级或声压级幅度。
图3 变电站噪声监测分析软件主界面
图3 1/3倍频程分析程序流程图
（2） 数据分析模块。
数据分析模块主要分为主变或变电站周围区域噪声的时域信息和频域信息分析模块。
对于噪声的时域信息，通过对4个声强探头和8个声压探头传输数据的声级计算分析，得到监测时间和当前噪声级（dB）间的关系，则可以计算并显示设定时间区间内的声级平均值、最大值和最小值。本日记录可以显示当天的噪声大小随时间的变化趋势，方便操作人员读取或存储噪声信息。
对于噪声的频域信息，可根据采集到的时域特征，实施时频域变换，从而显示主变或变电站周边噪声的频域信息，包括频率上限、下限和中心频率，且可对当前数据进行功率谱分析，为运行人员提供更加丰富的噪声状态信息。
图4 数据实时显示模块
图5 时域信息分析模块
图6 频域信息分析模块
（3） 数据管理模块。
为方便分析噪声数据的历史变化规律，本软件设计了噪声数据库系统。数据库结构如图2中所示。“声强 01”等分别代表各文件夹名，其中保存了历史噪声信号的时域、频域和能量信息。“导出图像”可保存当前实时波形和功率谱、本日记录等图片形式的信息。“Reports”内可保存操作人员人工填写的备注等报告文件。本模块支持打开、更改、删除、新建、打印历史数据报表的功能。为35kV变电站不同主变噪声数据的横向比对奠定基础。
3 结语
为对35kV变电站进行噪声监测和分析，本文基于LabVIEW软件平台开发了一套变电站噪声监测系统。通过在35kV主变和变电站区域内安装声压和声强传感器，实现噪声信号的采集。采用USB高速数据采集卡对传感器信号实时采集，并传输至主机，通过噪声监测软件实现对噪声信号的实时声级计算、频谱分析和数据管理。该软件具有操作界面友好，分析功能全面，速度快、可靠性高的特点，有助于变电站值守人员实时掌握站内噪声信息。
参 考 文 献
[1] 李永明， 王玉强， 徐禄文等. 变电站噪声预测和仿真分析[J].电力建设， 2013， （7）.
[2] 王福明等. LabVIEW程序设计与虚拟仪器[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.
[3] 李强. 基于虚拟仪器的声强分析系统[D].吉林大学， 2007.
[4] 吕佳珩， 吕铭刚， 武佩. 基于LabVIEW的声强测量分析系统的研究[J]. 内蒙古农业大学学报：自然科学版， 2008， （2）.
[5] 王东生. 分贝的由来和1/3倍频程算法[J].橡塑资源利用， 2005， （5）.