用于特高压线路分裂导线内侧的立方体形声强测量装置与实现方法
阅读说明：本技术 用于特高压线路分裂导线内侧的立方体形声强测量装置与实现方法 (Cubic sound intensity measuring device for inner side of split conductor of extra-high voltage line and implementation method ) 是由 袁海文 赵鹏辉 吕建勋 刘颖异 李鑫 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种用于测量特高压线路分裂导线内侧声强的装置。该装置采用立方体结构,通过合理的均压、屏蔽设计,可使之适用于特高压电磁环境。该装置可以并行采集特高压线路可听噪声源处的声压,使用光纤将原始数据快速传输至远端上位机,然后通过本发明提出的声强算法得到声源声强。本发明将声压传感器阵列布置于立方体结构的特定位置,通过有规则的成对匹配,基于匹配信号获取特定方向的声强,进一步通过信息余度设计,可靠、快速地实现了相应位置声强的有效测量。(The invention provides a device for measuring the sound intensity of the inner side of a split conductor of an extra-high voltage line. The device adopts the cube structure, through reasonable voltage-sharing, shielding design, can make it be applicable to extra-high voltage electromagnetic environment. The device can collect the sound pressure of the audible noise source of the extra-high voltage line in parallel, the original data is rapidly transmitted to a far-end upper computer by using the optical fiber, and then the sound intensity of the sound source is obtained by the sound intensity algorithm provided by the invention. The sound pressure sensor array is arranged at a specific position of the cubic structure, the sound intensity in a specific direction is obtained based on the matching signal through regular pairing matching, and further effective measurement of the sound intensity at the corresponding position is reliably and quickly realized through information redundancy design.)
技术领域
本发明属于检测技术与自动化装置领域，具体涉及一种立方体形声强测量装置与实现方法，包含该装置的结构和参数设计、传感器阵列的排布方式和相应的声强算法，特别适用于特高压环境下可听噪声源处声强矢量的安全可靠测量。
背景技术
特高压输电系统中，随着电压等级的提高，输电线表面电场强度增大，当场强达到临界点之后便会击穿空气，发生电晕放电。电晕放电不仅造成电能资源损耗，而且会伴随产生多种电晕效应，包括可听噪声、无线电干扰、地面电场和离子流等现象。可听噪声作为一种环境噪声干扰，会严重影响当地居民的身心健康，是特高压输电线路建设中最需要考虑的因素之一。
为了优化特高压输电线路设计，降低周围可听噪声水平，营造良好的声环境，须分析噪声的时域频域特征及其变化规律，而噪声的采集和测量是研究的重要环节和关键步骤。传统的研究中噪声采集的是声压或声功率等标量，只能反映噪声强弱或声能量，不能确切反映噪声源位置、传播形式和传播方向，对声场的表现力不足。声强作为一个矢量，可以更好地反映噪声源的能量、流动和传播状态。
由于噪声源处于极高电位的输电导线附近，其产生的可听噪声传播到地面时发生扩散和衰减，同时伴随着大地和建筑等物体的反射，可听噪声已发生了一定程度的变化。此外，地面的环境噪声与可听噪声在频段上有较大重合，远离声源的地面测量通常难以滤除背景噪声。现有研究表明，测量点距离可听噪声声源越近，获得的噪声测量结果在准确性、完整性和抑制背景噪声能力方面的优越性越显著。
然而，现有的技术手段中缺乏适用于特高压环境下分裂导线处声源声强测量的装置和方法。因为高电位、强电场等复杂电磁环境，测量装置的设计如形状选择、布局方式、尺寸计算、系统设计等必须考虑多方面因素。
发明内容
针对以上问题，本发明设计了一种用于特高压线路分裂导线内侧的立方体形声强测量装置，提出了基于该装置的声强算法，解决了特高压复杂电磁场环境下声源处声强矢量的安全和准确测量。
本发明具体采用以下技术方案。
一种用于特高压线路分裂导线处的立方体形声强测量装置与实现方法。测量系统包括立方形固定结构、声压传感器阵列、信号变送模块、信号调理模块、数字采集模块、电光调制模块、供电模块、光纤绝缘子、光电解调模块和上位机；对应的声强算法是根据立方形结构上传感器的排列规则及匹配方式，获得特定的不同直线方向的声强值，然后根据声强矢量换算方法得到该传感器阵列处的声强矢量。其特征在于：
所述的立方形固定结构安装于分裂导线内侧位置，用于特高压电位处声强测量装置的固定安装。为避免对声强测量的影响，将该结构设计为立方形框架，表面以金属网覆盖，其尺寸受限于分裂导线中间的多边形空间和可容纳模块的总体积。为了适应特高压线路的强电磁环境，立方体的8个顶点和12条棱边加工成与两相邻侧面相切的圆角，圆角的半径应满足声强矢量的测量要求，做到结构表面不起晕，各测量模块可稳定工作不击穿。
所述的声压传感器阵列用于测量声源在不同位置的声压信号。传感器选用精度高、准确性好且使用方便的驻极体电容式声压传感器。借助立方形结构的特点，选取立方形结构的两个正交系：立方体3对平行面的中心连线和4条两两正交的体对角线。将14个特性相同的声压传感器每两个一组分为7组，沿上述正交系的7条直线方向分别布置于面心和顶点。每个方向的两个声压传感器振膜指向外侧并互相平行，以测量声波的振动。
所述的信号变送模块将传感器输出的高阻抗电压信号通过前置放大器转化为低阻抗电压信号，同时实现信号隔离；所述的信号调理模块完成信号滤波和放大，得到标准的-5V～+5V电压信号。所述的数字采集模块对14个通道实现同步采样，要求AD芯片的量化精度达到16位，同时采样频率在50k～200kHz范围内可根据信号分析要求和环境条件动态调整；此外，使用过采样技术以改善系统的信噪比，提高AD的分辨率，减少对后续滤波的设计要求。
所述的电光调制模块将采样输出的声压数字信号调制为光信号。所述的供电模块使用大容量电池确保为立方形装置的各模块能较长时间供电。
所述的光纤绝缘子可以将系统采集的声压光信号即时快速地传向远端，光纤可以有效避免复杂电磁场环境的信号干扰，同时使用树脂悬式高压绝缘子用于特高压高电位与安全电位的有效绝缘。所述的光电解调模块位于特高压线路高电位处的远端，可以将光纤传输的光信号解算为电信号，并传输至上位机。所述的上位机通过本专利给出的声强算法，求解出待测点的声强矢量并实时显示声强的变化曲线。
所述的声强算法首先根据立方形结构上特有的传感器布局方式，选取立方体的棱长作为两个匹配传声器的标准化间距，推导出该间距时基于两个邻近点声压的单方向声强换算方法。然后利用这7个特定方向在直角坐标系中与三个坐标轴特殊的几何关系，将声强矢量的3个坐标分量映射在7个直线方向上，由此建立本发明给出的特定排列方式下的方程组。如下所示，该方程组包含3个未知量和7个方程，属于超定线性方程组。
式中Ix、Iy、Iz是待测位置的声强矢量在三维直角坐标系下的分量；IEC、IHB、IAG、IDF是7个特定方向的声强测量值，如图6所示；λ1、λ2、λ3、λ4是修正系数，与互相匹配的两个传感器之间的距离有关。因为对角线方向匹配传感器之间的距离不是本专利在推导中定义的标准化间距，修正系数须根据误差理论分析和试验校准的方法进一步确定。
一般地，上述超定线性方程组没有数学意义上的精确解，因此应当充分利用测量数据求得工程上的最优解。本专利摒弃了选取部分方程求解的传统方法，为使上述方程组的误差最小，将线性方程组描述为矩阵形式其中有
根据矩阵理论，求得系数矩阵Q的伪逆设最优解为则最优解等于系数矩阵的伪逆P乘以向量有3维向量即为待测位置声强矢量的最优解。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
首先，本发明提出的立方形结构易于加工和安装，可以在多个点位布置传感器，各点位之间几何关系清晰明确，方便矢量场的合成与分解；立方形结构采用多种均压设计，可避免装置表面过高的电场强度，确保装置在特高压环境下安全稳定地工作。
其次，多冗余的阵列式声强采集系统可以提高矢量测量精度，减小随机误差。同时测量系统有较高的信息余度，即便有个别传感器发生故障，也可以使用部分传感器完成声强矢量的测量功能，这提高了系统的鲁棒性。
最后，采用数字化光纤传输系统具有频带宽、衰减少、有效距离大的优点，能够满足14路并行采集时大规模数据快速传输的要求，可将原始数据实时传输至远端上位机进行声强计算和分析。光纤绝缘子可有效隔离外部环境，保护光纤中的数据传输不受特高压强电场的影响，保证原始采集声压数据的安全传输。
附图说明
图1是本发明的系统构架示意图；
图2是本发明的立方形结构示意图；
图3是声压传感器结构图；
图4是光纤绝缘子连接示意图；
图5是单方向匹配传感器示意图；
图6是本发明的传感器阵列几何布局模型图(只展示了部分传感器)；
其中，1-立方形固定结构，2-声压传感器阵列，3-信号变送模块，4-信号调理模块，5-中央处理模块，6-电光调制模块，7-供电模块，8-光纤绝缘子，9-光电解调模块，10-上位机，11-声压传感器1，12-声压传感器2，13-声压传感器3，14-声压传感器4，15-声压传感器5，16-声压传感器6，17-声压传感器7，18-声压传感器8，19-声压传感器9，20-声压传感器10，21-声压传感器11，22-声压传感器12，23-声压传感器13，24-声压传感器14，25-传感器外壳，26-振膜，27-阻尼孔，28-背极板，29-内腔，30-绝缘体，31-低压端连接金具，32-低压测量端光纤转接盒，33-光纤绝缘子延长金具，34-高压测量端光纤转接盒，35-光纤绝缘子固定伸缩弹簧，36-光纤绝缘子与室外光纤连接接口，37-光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口，38-均压环，39-绝缘子。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明为一种用于特高压线路分裂导线内侧的立方体形声强测量装置与实现方法。如图1所示，测量系统由以下几部分构成：1-立方形固定结构，2-声压传感器阵列，3-信号变送模块，4-信号调理模块，5-数据采集模块，6-电光调制模块，7-供电模块，8-光纤绝缘子，9-光电解调模块，10-上位机。在声强矢量的测量过程中，首先在特高压线路的声源处由声压传感器阵列测量7个特定方向上的声压，信号变送模块实现阻抗变换和信号隔离，信号调理模块将电信号调理为标准的-5V～+5V电压；数字采集模块通过16位14通道AD采集器得到高精度的数字信号，电光调制模块将声压的数字信号调制为光信号，经由光纤和光纤绝缘子传输到远端，最终由电光解调模块解算传输来的光信号，通过本专利给出的声强算法，在上位机求解出待测点的声强矢量并实时显示声强的变化曲线。
所述立方形固定结构安装于分裂导线内侧，用于测量装置的固定安装。要确保特高压线路分裂导线声源处声强矢量的有效测量，立方形固定结构的设计和加工方面需要满足强电场高电位约束，即物理结构要保证不起晕，防止测量装置发生电击穿，使其在±1100kV的电压下安全可靠工作。优选地，立方形结构使用铝金属材料。立方形结构的表面以金属网覆盖，顶点和棱边加工为圆角，这可以降低装置表面畸变电场的强度，提高均压性能。主要参数包括棱长、棱边和顶点圆角的半径，参数大小需要考虑测量位置的安装要求和表面电场强度的限制，并通过仿真和试验测试确定。最后，在±1100kV的特高压环境下开展紫外放电试验，确保立方形结构表面不起晕，使各测量模块可以在特高压环境下稳定工作。
所述声压传感器阵列在立方形结构上的布置如图2所示。选择立方形结构3对平行面的中心连线和4条两两正交的体对角线，将14个特性相同的声压传感器每两个一组分为7组，沿上述7条直线方向分别布置于面心和顶点。每个方向的两个声压传感器振膜指向外侧并互相平行，可以测量同一直线上两个特定位置处的声压，然后通过本专利提出的算法求取待测位置的声强矢量。
优选地，声压传感器选用B&K公司4189型驻极体电容式传声器。如图3所示，驻极体电容式传声器由金属外壳、精巧且高弹性的振膜、位于薄膜后面的阻尼孔、背极板、内腔以及绝缘体组成。该传声器测量频率范围在6.3～20kHz，满足人耳可听噪声的频率范围，测量声压范围在14.6～146dB，灵敏度较高，达50mV/Pa。此外，该传声器对温度和湿度变化不敏感，不需要200V的极化电压，非常适合于露天环境下分裂导线内侧自由场的声压测量。
所述信号变送模块将14路声压传感器输出的高阻抗电压信号转化为低阻抗信号，同时实现信号隔离。所述的信号调理模块将信号放大为标准的-5V～+5V电压信号用于AD采集。
优选地，所述的数字采集模块使用AD7606芯片，该芯片使用5V供电，16位精度8路同步采样，电压输入范围可选择-5V～+5V，分辨率达到152μV。当采样速率达到200kSPS时，该芯片具有40dB抗混叠抑制特性，满足系统对采样速率的要求。该芯片可选择为过采样模式以避免混叠、改善分辨率以及降低噪声。由于测量装置部署了14路声压信号，因此需要2个AD7606芯片完成同步采样。
所述电光信号调制模块利用晶体的电致折射率变化将数字采集模块输出的声压电信号调制为光信号传输到远端。所述供电模块使用大容量电池确保为立方形装置的各模块能较长时间供电。
所述光纤绝缘子主要用于特高压电位处和远端之间的快速数据传输。由于特高压特殊电磁环境的影响，可能破坏光纤传输介质，并且影响传输的稳定性。因此，在实际工程中首先将特高压电位处发送的光信号经特殊光纤通讯绝缘子进行高压有效隔离，然后再通过室外光纤将信号传输到安全位置。根据安装设计要求，将通讯绝缘子挂接到特高压输电线路杆塔上的特高压电位处。
如图4所示为光纤绝缘子连接示意。所述光纤绝缘子采用特殊加工，光纤传输介质封存在普通绝缘子中，有效保护光纤数据传输以及测试装置的安全和稳定。光纤绝缘子包括31-低压端连接金具，32-低压测量端光纤转接盒，33-光纤绝缘子延长金具，34-高压测量端光纤转接盒，35-光纤绝缘子固定伸缩弹簧，36-光纤绝缘子与室外光纤连接接口，37-光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口，38-均压环，39-绝缘子。光纤绝缘子通过光纤转接盒以及连接金具连接，固定在试验线路高压侧和低压侧之间。固定伸缩弹簧具有一定弹性，可小范围调整连接距离。
根据立方形结构在7个特定方向阵列式排布，本专利提出的声强算法分为两步：首先是单方向声强换算，即通过特定单一直线上两个成对匹配的声压传感器，获取该方向上的声强值；然后是三维声强矢量换算，即根据7个直线方向上特殊的几何映射关系建立方程组，通过系数矩阵的伪逆将求解误差最小化，计算得到声强矢量的最优解。
立方体装置上布置的传感器测得的是声压信号，因此本专利提出单方向声强换算，将同一直线上两个匹配传感器测得的声压转化为声强。假设立方形装置的棱长为d，将该长度作为两个匹配传感器之间的标准距离，排布方式如图5所示，其中参考点1和2是待测点0的两个临近点，两者到0处的距离相等。该方法可通过1、2两点处的声压近似求得中心点0处的声强。
假设参考点1的声压是p1(t)，参考点2的声压是p2(t)。根据声波在理想流媒体中的传播方程，计算1、2两点信号的相关函数，可得到0点声强的频率分布函数：
式中，G12是点1和点2处声压的单边互谱密度函数，Im表示复数的虚部，ω是声音频率，ρ0是空气密度，d是立方形装置的棱长。
由公式(1)可知，通过距离为d的两个匹配的声压传感器，可以得到在此标准化间距下其中心点处的平均声强。因此，使用该方法可以分别求出7个特定方向的声强值。对于所求得的体对角线方向的声强值，由于传感器之间的距离不等于棱长d，还需要添加修正系数使计算结果更加准确。
所述三维声强矢量换算方法可以通过7个方向的声强值，根据其特定的几何关系建立方程组求解立方体体心位置的声强矢量。传感器几何布局模型如图6所示(图中只展示部分传感器)。选取立方体六个面的中心点S1、S2、S3、S4、S5、S6，沿6个面的法线方向在面心处布置三组声压传感器。然后选取8个顶点，沿体对角线方向布置四组传感器。
记体心O点在x、y、z三个正交方向的声强分量为Ix、Iy、Iz，三个正交方向的单位向量分别为i、j、k，则O点处的声强IO＝Ixi+Iyj+Izk。各个方向测得的声强值实为IO在该方向的投影，也可以看作是三个正交方向的声强分量Ix、Iy、Iz在该方向上的投影。以体对角线DF方向为例，根据数学关系可知DF与x轴、y轴、z轴夹角的余弦值分别为：
设IO在DF方向的声强值为IDF，其修正系数为λ4，则声强值等于Ixi+Iyj+Izk分别在该方向投影的和：
同理，可以列出其他体对角线方向的投影方程和面心法线方向的方程，建立如下方程组：
式中Ix、Iy、Iz是待测位置体心O点的声强矢量在三维直角坐标系下的分量； IEC、IHB、IAG、IDF是7个特定方向的声强测量值；λ1、λ2、λ3、λ4是修正系数，与互相匹配的两个传感器之间的距离有关，须根据理论推导和试验校准的方法进一步确定。
由于单一方向的声强是根据有限差分原理近似求得的，所以上述方程组的左右两端是近似相等而非严格相等。方程组中有3个未知量和7个方程，属于超定线性方程组，无法求出精确解。为使该方程组解的误差最小，本专利基于矩阵理论，提出一种三维声强矢量换算方法。首先将方程组(4)写成线性方程组的矩阵形式：其中有
对于上述无解的线性齐次方程组，设是使方程组误差最小的解，即它可以使范数达到最小值。根据矩阵理论，可知其中P是系数矩阵Q的伪逆。计算得 那么该线性方程组在此条件下的最优解为
根据公式(6)，即可得到O点处的声强矢量的最优解：
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
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