基于数字孪生的特高压输电线路可听噪声研究 | Digital Twin国际期刊文章推荐17

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■ TA，登上了以“数字孪生”技术为主题的第一本国际期刊；

■ TA，是该期刊上发表的首批文章；

TA就是数字孪生领域最新论文

Research on audible noise of ultra-high voltage direct current (UHV DC) transmission lines with a digital twin

TA 到底讲了什么？使用了哪些研究方法？得出了什么具体结论？参考的数据和资料有哪些？

文章导读

2022年6月20日上线论文“基于数字孪生的特高压输电线路可听噪声研究”。这篇文章由北京航空航天大学袁海文教授团队完成。文章将数字孪生技术引入电晕可听噪声研究中，基于可听噪声的发生环境提出了数字孪生模型的组成架构，为可听噪声理论研究和输电线路设计提供了新的方法。为更详细清楚的说明，文章以特高压电晕笼为案例阐述了模型的建立过程，研究了输电线路声源位置和强度的分布特点，以及改变环境参数温度和湿度对地面可听噪声的影响。

文章信息

文章发表于《Digital Twin》期刊，2022年6月20日

DOI：10.12688/digitaltwin.17607.1

论文链接：

https://digitaltwin1.org/articles/2-9/v1

引用本文：

Zhao P, Fu L, Yuan H et al.

Research on audible noise of ultra-high voltage direct current (UHV DC) transmission lines with a digital twin

Digital Twin 2022, 2:9. https://doi.org/10.12688/digitaltwin.17607.1

译文阅读

基于数字孪生的特高压输电线路可听噪声研究

赵鹏辉，付麟钧，袁海文，刘颖异，吕建勋

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京市海淀区 100191

摘要

电晕可听噪声因其负面影响已成为特高压直流输电线路设计过程中需要关注的重要问题。为了分析可听噪声、缩短试验周期并减小试验成本，本文提出了一个特高压线路可听噪声的数字孪生模型，说明了模型的结构和相关原理。以特高压电晕笼为范式研究了可听噪声的声源分布和影响因素，计算了地面可听噪声在不同位置的A计权声级，并将其与现有经验公式做比较。仿真结果表明，电晕可听噪声的声源位置趋于均匀分布，声源强度趋于高斯分布，且温度和相对湿度对可听噪声有显著影响，这说明了数字孪生技术在可听噪声研究中的应用价值。本文不仅为研究可听噪声提供了新的方法，也为特高压输电线路的设计提供了指导和参考。

关键词：特高压直流线路、可听噪声、数字孪生、声源分布、影响因素

1. 引言

当今全球的社会经济发展中，电能以其便利性和优越性成为最重要的能源类型。为解决大范围、跨区域能源分布与应用不均衡的矛盾，保障电力供应，特高压直流输电技术得到了广泛应用。然而，随着输电电压的提高，线路电晕放电产生的电磁环境问题如电晕电流、电场效应、可听噪声和无线电干扰也日益严峻。其中可听噪声可以被人感知，对人类的生产生活产生直接影响。调查发现，当可听噪声低于52.5dB时，不会收到周围居民的投诉；噪声在52.5dB到59dB之间时，会收到少量投诉；而噪声超过59dB时，会收到大量投诉。因此，可听噪声现已成为特高压线路设计和建设过程中需要考虑的重要因素之一。

为实现特高压输电线路可听噪声准确的预测和控制，国内外学者从20世纪60年代开始，开展了一系列关于可听噪声产生机理、影响因素和预测方法的试验研究。由于电晕可听噪声的复杂性，研究者用特高压真型线路分析可听噪声的统计特征。例如，瑞典学者在运行中的400kV线路上长期观测可听噪声和环境数据，美国AEP公司也测量了不同天气条件和不同电压下的可听噪声和电晕损失数据。然而，由于受到多种环境因素的影响，可听噪声难以控制，需要长时间的试验观测。

通过电晕笼可以灵活改变导线型号、间距、电压、湿度和温度等因素，易于测量电磁参数，因此用电晕笼研究可听噪声比真型线路效率更高。学者在电晕笼中同时测量了可听噪声和电晕电流，分析了它们的频谱统计规律，并通过电声转换解释了该规律。使用电晕笼可以有效地研究单个因素对特高压可听噪声的影响，有学者在电晕笼大雨条件下进行了多次试验，并以此推导出可听噪声的计算公式。另外，可以在室内环境中应用小型电晕笼中研究温度和湿度等环境因素对可听噪声的影响。然而，电晕笼的建设和维护成本很高，这限制了它的应用和推广。

近年来，有学者在消声室中建立缩尺平台，使用带有特制缺陷的导线研究单点或多点声源的时频特性。这类平台可以较好地排除自然因素的干扰，但由于缺乏系统性的分析，该方法还难以应用于户外复杂环境中可听噪声的预测和评估。

由于研究周期长，成本高，且缺乏系统性的分析，可听噪声的研究受到一定程度的限制，而近年来出现的数字孪生技术或许可以很好地解决这些问题。利用数字技术来探索和预测虚拟环境中物理现实的运行状态，数字孪生可以完成模型的建立、仿真和验证。数字孪生已应用于生产车间，有效地缩短了开发周期，降低了开发成本，实现了数字记录和预测。但目前对数字孪生的研究主要集中在生产过程中，将其应用于可听噪声分析和预测的研究还很少。

为探索一种有效的研究范式，支持对可听噪声的系统分析，缩短研究周期和降低试验成本，本文将数字孪生技术应用于可听噪声，介绍了数字孪生模型的组成和相关原理。在此基础上，探讨了数字孪生技术在声源分布及影响因素研究中的应用，验证了基于数字孪生技术用于可听噪声研究的可行性。

2. 可听噪声的数字孪生模型

在将数字孪生技术应用于可听噪声研究之前，首先应阐述特高压可听噪声的产生过程和影响因素。在此基础上，提出了一种数字孪生模型，并对其结构进行了说明，对噪声产生和传播过程中的有关物理参数进行了数字化和虚拟化，并将特高压可听噪声的声源特性和计算方法等原理应用到该模型中。

2.1 可听噪声的生成机理

输电线路运行时，其周围区域产生合成电场，空气中的自由电子在电场力的作用下定向运动。当电场超过临界值时，电子获得的动能增大，在撞击空气分子后产生新的自由电子和离子。此时大量电子和离子充斥于导线周围，并在电场力的驱动下快速注入导线或流向地面，发生电晕现象。由于离子与空气分子质量相当，其运动过程中与分子发生非弹性碰撞，导致分子内能增加，布朗运动增强，宏观上表现为空气振动，因而产生宽频可听噪声。

特高压线路电晕放电产生的可听噪声受多种因素影响，其主要分为两类。第一类可以人为控制，包括导线类型、导线直径、相间距、对地高度、单/双回路以及分裂数等。输电线路运行数月后，这些因素对可听噪声的影响趋于稳定。第二类因素与自然条件有关，如空气湿度、气压、温度、风速、紫外辐射、降雨降雪等，无法人为控制，需要更多的关注研究。

2.2 数字孪生模型架构

数字孪生模型应该从几何、物理和规则等各个方面反映环境数据，其结构如图1所示。

图1 数字孪生模型结构图

模型的建立包括以下三个步骤：首先提取实际环境中的主要目标，包括输电线路、地面、建筑物、道路、车辆和植被等，并确定这些目标的尺寸、几何形状和位置。其次，通过多种传感器采集多个物理场参数如温度、气压、湿度、风速等。这些物理场一般是紧密耦合、相互影响的，使得一些参数难以直接测量。因此，我们使用虚拟传感器代替物理传感器来计算、模拟和分析环境场。最后，利用声源特性和计算方法等对参数进行处理，给出可听噪声的计算结果。

根据上述步骤，利用已有的理论和知识建立特高压可听噪声的数字孪生虚拟模型。然后设置不同的环境参数，采用虚拟仿真技术对特高压可听噪声进行讨论和预测。在降低实验成本和缩短实验时间的同时，对以可听噪声进行系统的研究。

2.2.1 数字孪生模型的数据采集

数字孪生是物理现实的虚拟镜像，需要收集物理环境中的各种数据。特高压直流输电线路及其周围环境的三维结构和几何形状需要在数字孪生模型中再现。此外，为了实现物理现实和数字模型之间的通信和交互，需要确定可听噪声周围的多物理场，并获取环境信息。特高压直流输电线路的声学噪声包括温度场、压力场、电场、速度场、离子电流场、磁场和湿度场。为了测量这些物理参数，应该设置不同的传感器，如图2所示。

图2 数字孪生的多物理场及其传感器

在这些物理场中，温度、大气压力、湿度、风速和空气密度等环境信息很容易获得，可以直接使用物理传感器测量。然而，电场、磁场和离子流很难直接测量，只能用有限元等其他方法来计算。值得一提的是，可以手动改变环境参数，研究和预测不同条件下可听噪声的特征和规律。因此，在数字孪生模型中，我们用虚拟传感器代替物理传感器来采集参数。

2.2.2 可听噪声的声源特征

特高压可听噪声由输电线周围的空气声源产生，通过介质(如空气)传播到地面。因此，确定数字孪生模型中的声源特性是非常重要的。研究发现，单次电晕放电产生的可听噪声特性与点声源相似。因此，特高压直流输电线路的可听噪声可以认为是多个点声源的同时发射。将单个声源视为在无约束空间中振动的点，该声源点在频域中满足波动方程(1)。

根据特高压直流输电线路现有的试验结果，电晕放电是独立的随机事件。可听噪声的声源位置可能服从均匀分布，声源强度可能服从均匀分布或高斯分布。此外，可听噪声通常发生在导线缺陷处，可能导致声源固定。如果这些位置以恒定的速率独立发出可听噪声，根据等效连续声级公式，可以认为固定声源点的单位时间的声强满足指数分布。因此，对于长度为L，声源数为X的输电线，声源位置P和强度Q可能服从以下三种分布：

特高压直流输电线路可听噪声源的位置和强度分布可能满足上述三种类型中的一种，需要根据实际线路条件进行分析。

2.2.3 可听噪声的计算方法

在数字孪生模型中，计算声压级来描述地面可听噪声的强度。根据波的叠加原理，将声源相加即可得到地面声压。声源产生的波是线性声波，因此可以通过多个不同频率下的傅里叶变换叠加来计算时域中的声压。另外，人耳对高频声音更敏感，但对低频声音不敏感。声压级相同但频率不同的可听噪声对人体产生主观影响不同，可以用A计权声级来表示人耳对不同频率的敏感度。在数字孪生模型中，我们使用A计权声级来描述可听噪声。

3.应用案例

本文应用数字孪生技术建立可听噪声模型，对特高压直流输电线路的声源位置和强度分布以及可听噪声的影响因素进行仿真和讨论。

模型采用了世界上最大的室外电晕笼，其位于中国北京的特高压直流试验基地。如图3(a)所示，电晕笼由正负极两部分组成，本文只研究正极性电晕放电产生的可听噪声。单笼尺寸为10m×10m，型号为JL/G1A-720/50-45/76的6分裂导线悬挂在笼中央，如图3(b)所示，子导线直径为36.2 mm，线间距为0.45m，离地高度为5m，输电电压为800kV。

图3 (a)电晕笼结构，(b)6分裂导线结构

3.1 仿真条件设置

根据图3中的电晕笼结构建立了数字孪生的仿真模型，模型中的温度、相对湿度和大气压力分别设置为10℃、50%和101.325kPa。输电线长度设置为40m，空气密度为1.15 kg/m3，空气中声速为340m/s。

在计算导线周围的声场时，分裂导线与地面之间的几何距离远远大于分裂导线的尺寸。因此，6分裂导线可以等效为一根导线，通过以下公式计算等效半径。

当物体的几何尺寸远远超过波长时，声源的波属性影响极小，可以近似看作从声源点射线的传播。因此，我们在 20-600Hz 低频段内使用压力声学模型，以观察声源点的波动性。在 600-20000Hz 较高的频段内使用射线声学模型，以提高模型计算效率。流体定义为大气衰减模块，地面的壁面条件设置为漫射散射，其他工作面的壁面条件设置为穿过。地面草坪的吸声系数和反射系数分别为 0.8 和 0.2。使用四面体网格剖分，设置网格的最大长度是 0.2m，网格生成的最大迭代次数为 25，迭代误差为 1%。为了减小运算量，同时保证仿真结果的准确性，我们进行一下简化：

(a)忽略导线的弧垂，将输电导线视为平行于地面的线段。

(b)输电线路上的可听噪声某一时间段上基本稳定、均匀。

(c)仅考虑静止空气，不考虑风速的影响。

(d)仅考虑平坦地面，不考虑斜坡、积水等复杂地面条件。

3.2 声源分布仿真

应用数字孪生模型，我们讨论了电晕笼输电线路可听噪声源的位置和强度分布。声源位置𝑃_𝑖和强度𝑄_𝑖是随机数，由上文可听噪声的声源特性中讨论的三种分布类型产生。相关参数值设置如下。

然后我们在输电线上设置声源的位置和强度，并使用数字孪生模型来仿真地面接收点的A计权声级，如图4所示。

图 4 模型中声源和接收点示意图

为了确定电晕笼内特高压声源服从的分布类型，我们将仿真结果与BPA预测公式(5)进行了比较。该公式是美国BPA公司通过长期的试验观察总结提出的，因此被广泛应用于特高压可听噪声的预测，具有较高的准确性。模型的仿真结果如图5所示。

图5中，模型中地面A计权声级用黑点表示，BPA公式计算的A计权声级用红点表示。可以发现，A计权声级随着传播距离的增加而继续降低。当传播距离进一步增加时，噪声水平的降低逐渐减慢并趋于稳定。

图5仿真结果与经验公式预测结果对比: (a)声源位置和强度呈均匀分布，(b)声源强度呈高斯分布，位置呈均匀分布，(c)声源强度呈指数分布，位置固定

当声源强度和位置呈均匀分布时，仿真得到的噪声值整体略大于经验公式预测，但有个别位置预测偏离经验公式较多。当声源强度呈高斯分布、位置呈均匀分布时，仿真预测与经验公式趋势一致，且数据集中在经验公式的预测值附近，模型的处理效果较好。当声源强度呈指数分布时，地面处的噪声值与预测公式相比有较大偏差，模型效果不太理想。

因此，可以认为实际的输电线路可听噪声声源的强度更接近高斯分布，位置更接近均匀分布。这可能是因为，可听噪声的声源点多由于导线缺陷和污秽积累造成，这在自然环境中是随机发生的，因而声源在导线各个位置产生的概率大致相等，呈现均匀分布。长距离导线会持续产生可听噪声，且声源强度受多种环境因素影响，在较大的时间和空间范围内噪声强度将满足高斯分布。

3.3 影响因素仿真

影响特高压可听噪声的因素很多。我们选取了温度和相对湿度两个主要因素，对模型中的可听噪声进行了计算、仿真和分析。地面接收点到导线的径向距离设置为 10 米，其他参数保持不变。

在可听噪声的产生和传播过程中，空气分子的振动和定向运动会受到环境温度的影响，从而改变空气的阻力和吸收，导致声音衰减。我们研究了温度为-10°C、0°C、10°C、20°C和30°C时，地面可听噪声的A计权声级，如图6所示。可以发现，随着气温的升高，地面A计权噪声持续减小，但降幅较小。这是因为空气粘度和吸收阻力随温度升高而缓慢增加。

图6 温度对可听噪声的影响

空气中的水分子对电晕放电也有重要影响。我们将相对湿度设置为0%、20%、40%、60%和80%，并计算出可听噪声，如图7所示。当相对湿度为0时，可听噪声最高; 相对湿度为20%时，可听噪声最低。以15000 Hz频率为例，随着相对湿度的增加，噪声从77.5db迅速下降到61.5db，但当湿度增加到20%以上时，可听噪声又缓慢增加。这是因为当相对湿度较低时，水分子会与自由电子结合形成负离子，负离子的运动速度相比自由电子大大降低，碰撞电离不易发生，电晕放电被抑制，从而使可听噪声不断降低。当相对湿度较高时，空气中逐渐形成体积较大的水分子团附着于导线表面，水滴表面较大的曲率半径产生畸变电场，局部电场强度升高，加快了电离作用，使可听噪声不断增强。