隨著電力設(shè)備規(guī)模的不斷擴(kuò)大和配電自動化程度的不斷提高，對配電網(wǎng)供電可靠性的要求也在逐步加強(qiáng)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，需盡快定位與排除故障。電力設(shè)備種類及數(shù)量大幅增加，但產(chǎn)品質(zhì)量卻參差不齊，從而會帶來拒動、誤動與上傳無效信息等一系列問題，致使配電主站無法準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場實(shí)時工況。

作為一種故障電流指示與告警裝置，故障指示器具有免維護(hù)、低功耗和帶電裝卸等優(yōu)點(diǎn)，已在10kV系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。暫態(tài)錄波型故障指示器（以下簡稱故障指示器）可自動記錄故障時刻前后的各種電氣量并以波形方式傳給主站。

配電主站根據(jù)故障指示器上傳的波形，依據(jù)電力系統(tǒng)中短路或接地故障發(fā)生時電氣量的變化規(guī)律對故障類型進(jìn)行分析，并判斷出故障發(fā)生點(diǎn)和繼電保護(hù)動作信息，對確定故障原因、恢復(fù)非故障區(qū)段正常運(yùn)行和盡快排除故障起到了關(guān)鍵作用。

隨著對故障時刻電氣量記錄的穩(wěn)定性要求越來越高，國內(nèi)不少學(xué)者與機(jī)構(gòu)對故障指示器進(jìn)行了大量的研究。在通過不斷提高故障指示器采樣精度來保證波形質(zhì)量的同時，也在不斷完善對波形的解析方法。

故障指示器在配電系統(tǒng)中的基數(shù)較大、安裝環(huán)境復(fù)雜，在波形合成階段容易出現(xiàn)問題，大量無效波形上傳至配電主站后，不僅給主站帶來較大的負(fù)擔(dān)，還可能導(dǎo)致主站誤判，在某種程度上降低了主站對故障區(qū)段和故障點(diǎn)定位結(jié)果的可信度。因此，波形信息的準(zhǔn)確與否對故障查找與定位、電力自動化水平的進(jìn)一步提高具有至關(guān)重要的意義。

本文針對故障指示器波形合成問題給故障定位結(jié)果造成的影響，根據(jù)國網(wǎng)技術(shù)規(guī)范對故障指示器波形的要求，結(jié)合現(xiàn)場波形的電氣量暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)特征，提出一種故障波形分類方法并嵌入到模擬主站上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證。結(jié)果表明該方法可根據(jù)每個波形的特點(diǎn)進(jìn)行快速篩選分類，有利于減輕配電主站負(fù)擔(dān)和提高波形檢測的效率，同時對故障波形提取方法的深入研究具有一定的參考意義。

1 故障指示器錄波原理及上傳方式

故障指示器對錄波啟動條件有嚴(yán)格的要求，根據(jù)國網(wǎng)《暫態(tài)錄波型故障指示器技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)電氣線路發(fā)生故障或者震蕩時，線路中的電流量或者電壓量發(fā)生明顯變化且達(dá)到一定閾值后，負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測線路電壓電流的故障指示器采集單元會啟動錄波，并將突變點(diǎn)前后的電流、電場等電氣量實(shí)時記錄并保存，然后通過短距離無線射頻通信方式上傳給匯集單元。

匯集單元將采集單元上送的突變點(diǎn)前后信息匯總后以COMTRADE1999波形文件格式通過通用無線分組服務(wù)（general packet radio service, GPRS）上報至主站。配電主站通過對波形文件中電氣量的分析與比較，來判斷現(xiàn)場突變點(diǎn)前后運(yùn)行工況，并將故障信息提供給運(yùn)維人員。圖1所示為電氣震蕩時故障指示器波形上傳示意圖。

圖1 電氣震蕩時故障指示器波形上傳示意圖

2 波形合成存在的主要問題

故障指示器匯集單元將采集到的波形信息傳遞到配電主站后，配電主站會根據(jù)波形數(shù)據(jù)自動判斷故障性質(zhì)及故障點(diǎn)。因目前故障指示器品種多、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，存在誤動、誤報及誤錄波等現(xiàn)象，導(dǎo)致配電主站接收到的波形基數(shù)大、合格率不高，使配電主站自動識別準(zhǔn)確率降低。

因海量異常波形的干擾，配電主站通常會給出錯誤的判斷結(jié)果，甚至需要運(yùn)維人員對波形進(jìn)行逐個查看、分析是否為符合要求的故障波形，耗時耗力，嚴(yán)重影響配電自動化的及時性和準(zhǔn)確性。

通過對現(xiàn)場運(yùn)行波形和實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)維工況的分析，錯誤波形經(jīng)常出現(xiàn)的原因主要有如下幾種情況：

1）采集單元自身采樣問題

因采集單元采用羅氏線圈型電流互感器進(jìn)行交流采樣，當(dāng)羅氏線圈未完全封閉或長時間工作時可能會導(dǎo)致采樣精度不足或者采樣錯誤，導(dǎo)致上送至匯集單元的波形信息錯誤，無法合成能準(zhǔn)確反映實(shí)際工況的波形，進(jìn)而可能會導(dǎo)致主站誤判。

2）采集單元與匯集單元的通信問題

匯集單元與采集單元之間以433M微功率無線方式通信，因該頻段抗干擾能力差、易受遮擋物影響，安裝在惡劣或者信號不好的環(huán)境時，會影響采集單元與匯集單元之間的通信效果，導(dǎo)致三相采集單元無法實(shí)現(xiàn)同組錄波，從而影響上送波形的準(zhǔn)確性。

3）匯集單元與主站的通信問題

目前故障指示器與配電主站之間通過GPRS信號傳輸數(shù)據(jù)。GPRS傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、組網(wǎng)簡單，但是受到基站范圍的限制，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)、通信能力差的地方信號較弱，存在通信死角，且受到4G模塊和GPRS天線的限制，導(dǎo)致一些匯集單元無法將完整的波形信息上送至配電主站。

4）故障指示器本身的問題

假如故障指示器本身存在錄波缺陷，因現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，在頻繁錄波時會導(dǎo)致設(shè)備的波形采集與合成出現(xiàn)問題，錯誤波形無法滿足國網(wǎng)要求。

針對以上波形合成時可能存在的主要問題，本文設(shè)計一種波形分類方法并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 一種波形分類方法的設(shè)計

故障指示器的錄波啟動條件為電流觸發(fā)或者電場觸發(fā)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)同組觸發(fā)，閾值可設(shè)。根據(jù)國網(wǎng)《暫態(tài)錄波型故障指示器技術(shù)規(guī)范》對故障指示器錄波條件的要求，可得出符合國網(wǎng)要求的波形應(yīng)該至少滿足如下條件：

1）當(dāng)線路中電氣量變化幅度達(dá)到錄波啟動條件時，三相采集單元同時將采集到的電氣信息上送至匯集單元，由匯集單元合成波形上送到配電主站。

2）突變點(diǎn)前應(yīng)至少記錄4個周波，突變點(diǎn)后應(yīng)至少記錄8個周波，而且每個周波的采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)≥80。

3）波形的突變點(diǎn)應(yīng)超前于錄波起始點(diǎn)，且兩者的時間差≤20ms。

4）一個完整的波形文件，應(yīng)該同時具有一個cfg文件和一個dat文件。cfg文件主要記錄波形的通道配置信息；dat文件記錄波形數(shù)據(jù)信息。

結(jié)合上述波形要求和波形合成的主要問題，在大量現(xiàn)場運(yùn)行波形分析經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種故障波形分類方法。根據(jù)以上要求，將C語言的高效性和Python語言的模塊化優(yōu)勢進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過Python的pyComtrade模塊提取和分析波形數(shù)據(jù)，通過C語言編寫腳本對波形數(shù)據(jù)遍歷然后快速提取波形中的突變點(diǎn)并進(jìn)行分析。圖2所示為故障波形分類方法設(shè)計原理圖。

圖2 故障波形分類方法設(shè)計原理圖

如圖2所示，分類方法主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）將所有波形放在同一個文件夾下。

2）判斷文件組成是否滿足要求，如果是，則提取總周波數(shù)X、波形總點(diǎn)數(shù)Y、波形突變點(diǎn)N和錄波起始點(diǎn)P，否則判斷為缺少文件。

3）判斷X是否達(dá)到12個周波且每周波點(diǎn)數(shù)（Y/X）是否達(dá)到80，如果是，則繼續(xù)進(jìn)行，否則判斷為采樣錯誤。

4）判斷每相電流和電場的真有效值是否小于設(shè)定閾值（考慮設(shè)備零漂而設(shè)定的值，電場閾值大小需參考硬件運(yùn)放電路設(shè)計，本文設(shè)定電流零漂為1A、電場零漂為100），若電流在0～1A且電場在0～100范圍內(nèi)，則繼續(xù)進(jìn)行，否則判斷為缺相。

5）判斷N是否超前于P且兩者點(diǎn)數(shù)差是否在一周波點(diǎn)數(shù)之內(nèi)，是則判斷為合格波形，否則判斷為突變點(diǎn)錯誤波形。

基于以上判定邏輯，在排除每個錯誤點(diǎn)后，仍符合該算法要求的波形則可以判斷為正常的波形。

圖3所示為波形分類方法用戶界面（user inter- face, UI）。

圖3 波形分類方法UI

4 測試與驗(yàn)證

測試設(shè)備包含繼電保護(hù)測試儀（以下簡稱繼保儀）1臺、故障指示器5套（每套由1臺匯集單元和3只相采集單元組成）、SIM卡5張、20匝線圈3個和屏蔽箱1臺。其中，故障指示器分別標(biāo)注編號1號—5號，線圈編號1—3。

首先將3個線圈依次與繼保儀的A、B、C三相連接，將5套故障指示器的采集單元依次安裝在3個線圈上。然后將SIM卡插入故障指示器匯集單元使其可以登陸模擬主站，并對5臺設(shè)備進(jìn)行以下處理：

1）使1號故障指示器保持正常運(yùn)行。

2）將2號故障指示器匯集單元與采集單元之間通信的微功率天線拔掉，使匯集單元與采集單元之間的通信效果變?nèi)?，模擬無線通信差的情況。

3）將3號故障指示器A相采集單元的采樣模塊拔掉，B、C兩相保持正常，模擬現(xiàn)場采集單元采樣出現(xiàn)問題的情況。

4）將4號故障指示器放在屏蔽箱中，通過全封閉環(huán)境來模擬現(xiàn)場GPRS信號差或不能正常連接的情況。

5）將5號故障指示器參數(shù)設(shè)置為錄波起始點(diǎn)前周波數(shù)為3、起始點(diǎn)后周波數(shù)為7，模擬突變點(diǎn)前后波形數(shù)目不滿足國網(wǎng)要求的情況。

圖4所示為實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖

用繼保儀施加如表1所示的故障序列，用以模擬實(shí)際現(xiàn)場中的電氣震蕩。

重復(fù)以上序列100次，得到大量的波形數(shù)據(jù)，然后通過模擬主站的GPRS通道對5臺設(shè)備的所有存儲波形進(jìn)行招錄，通過波形分類方法對所有波形文件進(jìn)行解析，并得到測試結(jié)果。結(jié)果分析如下：

1）因1號故障指示器一切正常，所有波形均被判斷為合格的波形文件。圖5所示為1號故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形。其中，4條波形依次為A相、B相、C相和合成零序電流波形，下同。

2）因2號故障指示器的微功率天線被拔掉，匯集單元與采集單元之間的通信效果不好，從100個波形中篩選出30個為錯誤波形，其中17個被放置在采樣錯誤文件夾下，另外13個被放置在缺相文件夾。圖6所示為2號故障指示器某次缺相時的電流波形。

表1 故障序列

圖5 1號故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形

圖6 2號故障指示器某次缺相時的電流波形

3）因3號故障指示器A相采集單元的采樣模塊被拔掉，無法采集到正常數(shù)據(jù)，100個波形文件全判斷為錯誤波形。錯誤波形均放置在缺相文件夾下。圖7所示為3號故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形。

圖7 3號故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形

4）因4號故障指示器被安放于屏蔽箱中， GPRS信號較弱，匯集單元與模擬主站之間的通信效果差，一些波形文件無法完整傳送至模擬主站，導(dǎo)致多數(shù)為錯誤波形（40/100）。其中20個錯誤波形被判斷為缺少波形、另外20個錯誤波形被判斷為突變點(diǎn)錯誤波形。

5）因5號故障指示器波形的故障點(diǎn)前后周波數(shù)分別為3和7，不滿足規(guī)范要求，因此100次試驗(yàn)的波形均被判斷為錯誤波形，波形被放置在采樣錯誤文件夾中。圖8所示為5號故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形。

圖8 5號故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形

5 結(jié)論

針對現(xiàn)場波形解析時耗時耗力、無法及時判斷現(xiàn)場實(shí)際情況等問題，本文在給出故障指示器錄波原理及波形上傳方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)國網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求詳細(xì)分析了波形合成階段存在的主要問題，提出了一種波形分類方法，最后通過模擬實(shí)驗(yàn)加以測試驗(yàn)證。

測試結(jié)果表明，本方法可根據(jù)波形特點(diǎn)對波形進(jìn)行初步的自動篩選，并按照每種波形文件的特點(diǎn)進(jìn)行分類，使故障指示器的波形檢測工作能更加高效快捷，有利于波形問題的查找和進(jìn)一步分析，對故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位具有現(xiàn)實(shí)意義。同時，本方法對波形處理的深入研究具有一定的參考價值。