研究小区箱式变电站噪声产生机理及噪声特性，分析有源降噪技术理论，提出一种基于正交匹配跟踪（Orthogonal Matching Pursuit， OMP）算法的小区箱式变电站噪声有源控制方法，实现对小区箱变噪声信号的精确预测，提升降噪效果。
【关键词】箱式变电站 有源降噪 噪声 OMP
为满足城镇发展以及人民生活水平提高的要求，供电部门建设越来越多的小区箱式变电站，但其产生的噪声对居民住宅小区环境造成的影响也不容忽视。有源噪声控制技术因其结构简单、施工量小、对高低频噪声均有较好的抑制效果等特点受到越来越多的关注。
传统的有源噪声控制，例如基于最小均方误差算法和基于归一化最小均方误差算法的自适应有源降噪方法，虽然能实现对低频噪声的抑制，但是在有源噪声控制应用中仍存在两个问题：
其一，自然声音与箱变噪声的组合方式在时域上是随机、不固定的，不能通过简单的时域分析将两者分离开来。
其二，低信噪比环境下的信号提取技术尚不完善，导致传统有源降噪的精度不足。本文研究小区箱式变电站噪声产生机理及噪声特性，结合OMP算法并利用其进行噪声信号提取，提高对变电站噪声分离的精确程度，实现有源降噪。
1 小区箱式变电站噪声特性分析
小区箱变噪声的来源多种多样，包括变压器本体噪声以及通风冷却装置噪声。本体噪声包括铁芯、绕组等产生的电磁噪声；通风冷却装置噪声多为冷风机运行时产生的机械噪声。
变压器本体噪声以铁芯噪声为主，由于磁致伸缩的变化周期恰恰是电源频率的半个周期，所以磁致伸缩引起的变压器的本体振动噪声，是以两倍的电源频率为其基频的。冷风机是变电站内的另一噪声源。在风机运转过程中，空气靠叶轮旋转而获得能量，风机的运动叶轮与周围空气之间的相对运动，会引起空气的压力脉动及涡漩产生，从而引起空气动力性噪声。风机气动噪声呈现宽频的特性，频谱中一般没有突出的峰值产生。
利用傅里叶变换，对变电站噪声信号进行频谱分析。分析箱变噪声不同频段的能量分布百分比，发现噪声能量集中分布在650HZ以下，属于低频噪声，同时噪声能量集中在100HZ倍数的谐波上。
2 有源降噪原理及概念简述
有源噪声控制方法是指根据两个声波相消性干涉原理，在指定区域内利用电声器件和电子技术，人为地发出一个与原噪声幅值大小相等、相位相反的抗噪声，在指定区域内降噪。噪声源和抗噪声源发出的声波在某一位置相遇，发生相消干涉，中间区域的噪声得到消除。
相消干涉采用惠更斯-菲涅尔原理。惠更斯原理表述为波面上的每一点均为发射子波的波源，这些子波的包络面即为新的波阵面，利用惠更斯-菲涅耳原理实现三维自由声场空间的有源噪声控制。
基于该理论，若在曲面上连续布放足够多与噪声源等幅、反相的次级声源，完全抵消初级声源的声场。理论上，在封闭曲面上放置无限多个次级声源确实可以实现零噪声，但在实际的工程应用中，通常采用放置多个次级离散声源和对噪声提取的优化相结合的方法进行有源消噪。
3 基于OMP的有源噪声控制方法及实现
Y. C. Pat和R. Rezaiifar提出了正交匹配跟踪的概念，其核心是将原子库中的原子按施密特正交化方法进行正交化处理，通过原子库对信号进行分解逼近。
OMP算法在其分解的每步都要对所选的全部原子进行Gram-Schmidt正交化处理，再将信号在这些正交原子构成的空间上投影，得到信号在各个已选原子上的分量和残余分量，并用相同的方法分解残余分量。经过 次分解，原信号被分解为 个原子的线性组合。这样的收敛速度好，并且在精度相同的情况下，OMP算法所选的原子更少，对信号的表示更加稀疏，从而对信号的逼近始终保持一个较高的收敛速度。
本文依据小区箱变噪声信号在频域分析特性，提出了一种基于OMP算法的小区有源降噪方法，算法实现如下：
假定A为字典，y为待分解的信号，K表示字典的稀疏度，ε为误差，则OMP算法具有以下四个步骤：
（1）初始化残差r0=y，迭代计数t=1，支撑集合B0=[]。
（2）找到索引λt，使得：λt=argj max|
（3）更新支撑集合： Bt=[Bt-1Aλt]。
计算新的近似：at=BtTy=（ BtTBt）-1BtTrt-1。
计算新的残差：rt=rt-1-at。
（4）终止条件为t≥K或||rt||2≤ε；反之，迭代计数t=t+1，返回2）。记最后的支撑集合为B，则=B+y=（BTB）-1BTy。
如果将y视为采集信号，以变压器噪声为基础构造字典K，则残差rt为所需分离的自然声，算法最终获得变电站噪声分量。信号分解OMP算法在每次迭代更新都能保证新的原子的增加（取并集），通过OMP算法将采样信号中的自然声信号分解，获得变电站噪声信号分量。
有源噪声控制可分为前馈有源噪声控制和反馈有源噪声控制两种形式。论文采用前馈有源噪声控制方法，前馈有源噪声控制通过在管道上游采用前置麦克风拾取噪声信号，经电信号处理后（即通过论文所提出的基于OMP的噪声分解算法，获得变电站噪声分量），馈送给管道下游的次级声源（扬声器），调整次级声源的输出，使其与下游原噪声信号的相位相反而达到噪声抵消的目的。
4 结论
本文研究小区箱式变电站噪声产生机理及噪声特性，发现变电站噪声能量集中于在650HZ以下，同时噪声能量主要分布在100HZ倍数的谐波上，基于这一特点，文章提出OMP算法的小区箱式变电站噪声有源控制方法，实现对小区箱变噪声信号的精确预测。文章结合OMP算法，利用前馈式有源噪声控制方法，提升变电站降噪效果。
参考文献
[1]邵宇鹰，张思平.变电站噪声特性及降噪控制措施[J].电力与能源，2014（04）： 542-544.
[2]赵世武，林其斌.采用最小均方算法的自适应横向滤波器[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2005，28（4）：411-413.
[3]刘姜涛，徐辉.NLMS算法在有源降噪系统中的应用[J].湖北第二师范学院学报， 2014（02）：25-27.
[4]杨理，蒋芸霜，周旋等.变压器自适应主动降噪技术研究[J].计算机测量与控制， 2014（03）：875-878.
[5]孟彤.浅议干式变压器噪声分析及其控制[J].电子制作，2013（18）：181，141.
[6]伍先俊，李志明.风机叶片噪声机理及降噪[J].风机技术，2001（04）：11-13，5.
[7]孙晓阳.电力变压器噪声分析与有源降噪研究[D].山东大学，2014.
作者简介
张静（1974-），女，山东省泗水县人。大学本科学历。现为浙江群力电气有限公司工程师，从事电气设备制造企业管理与技术工作。
作者单位
1.浙江群力电气有限公司 浙江省杭州市 311199
2.杭州清源电力设计有限公司 浙江省杭州市 311199