隨著電力設(shè)備規(guī)模的不斷擴(kuò)大和配電自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)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(shí)，需盡快定位與排除故障。電力設(shè)備種類(lèi)及數(shù)量大幅增加，但產(chǎn)品質(zhì)量卻參差不齊，從而會(huì)帶來(lái)拒動(dòng)、誤動(dòng)與上傳無(wú)效信息等一系列問(wèn)題，致使配電主站無(wú)法準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(jiǎn)稱(chēng)故障指示器）可自動(dòng)記錄故障時(shí)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(shí)電氣量的變化規(guī)律對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行分析，并判斷出故障發(fā)生點(diǎn)和繼電保護(hù)動(dòng)作信息，對(duì)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(duì)故障時(shí)刻電氣量記錄的穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者與機(jī)構(gòu)對(duì)故障指示器進(jìn)行了大量的研究。在通過(guò)不斷提高故障指示器采樣精度來(lái)保證波形質(zhì)量的同時(shí)，也在不斷完善對(duì)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(wèn)題，大量無(wú)效波形上傳至配電主站后，不僅給主站帶來(lái)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(duì)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(duì)故障查找與定位、電力自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高具有至關(guān)重要的意義。

本文針對(duì)故障指示器波形合成問(wèn)題給故障定位結(jié)果造成的影響，根據(jù)國(guó)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范對(duì)故障指示器波形的要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)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(gè)波形的特點(diǎn)進(jìn)行快速篩選分類(lèi)，有利于減輕配電主站負(fù)擔(dān)和提高波形檢測(cè)的效率，同時(shí)對(duì)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(duì)錄波啟動(dòng)條件有嚴(yán)格的要求，根據(jù)國(guó)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(shí)，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(shí)監(jiān)測(cè)線路電壓電流的故障指示器采集單元會(huì)啟動(dòng)錄波，并將突變點(diǎn)前后的電流、電場(chǎng)等電氣量實(shí)時(shí)記錄并保存，然后通過(guò)短距離無(wú)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(guò)通用無(wú)線分組服務(wù)（general packet radio service, GPRS）上報(bào)至主站。配電主站通過(guò)對(duì)波形文件中電氣量的分析與比較，來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)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(shí)故障指示器波形上傳示意圖。

圖1 電氣震蕩時(shí)故障指示器波形上傳示意圖

2 波形合成存在的主要問(wèn)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(huì)根據(jù)波形數(shù)據(jù)自動(dòng)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(dòng)、誤報(bào)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(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確率降低。

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

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行波形和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工況的分析，錯(cuò)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(wèn)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(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致采樣精度不足或者采樣錯(cuò)誤，導(dǎo)致上送至匯集單元的波形信息錯(cuò)誤，無(wú)法合成能準(zhǔn)確反映實(shí)際工況的波形，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致主站誤判。

2）采集單元與匯集單元的通信問(wèn)題

匯集單元與采集單元之間以433M微功率無(wú)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(hào)不好的環(huán)境時(shí)，會(huì)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(wú)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(wèn)題

目前故障指示器與配電主站之間通過(guò)GPRS信號(hào)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(jiǎn)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(hào)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(wú)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(wèn)題

假如故障指示器本身存在錄波缺陷，因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，在頻繁錄波時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的波形采集與合成出現(xiàn)問(wèn)題，錯(cuò)誤波形無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)網(wǎng)要求。

針對(duì)以上波形合成時(shí)可能存在的主要問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種波形分類(lèi)方法并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 一種波形分類(lèi)方法的設(shè)計(jì)

故障指示器的錄波啟動(dòng)條件為電流觸發(fā)或者電場(chǎng)觸發(fā)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)同組觸發(fā)，閾值可設(shè)。根據(jù)國(guó)網(wǎng)《暫態(tài)錄波型故障指示器技術(shù)規(guī)范》對(duì)故障指示器錄波條件的要求，可得出符合國(guó)網(wǎng)要求的波形應(yīng)該至少滿(mǎn)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(dòng)條件時(shí)，三相采集單元同時(shí)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(gè)周波，突變點(diǎn)后應(yīng)至少記錄8個(gè)周波，而且每個(gè)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(shí)間差≤20ms。

4）一個(gè)完整的波形文件，應(yīng)該同時(shí)具有一個(gè)cfg文件和一個(gè)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(wèn)題，在大量現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)方法。根據(jù)以上要求，將C語(yǔ)言的高效性和Python語(yǔ)言的模塊化優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)Python的pyComtrade模塊提取和分析波形數(shù)據(jù)，通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)腳本對(duì)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(lèi)方法設(shè)計(jì)原理圖。

圖2 故障波形分類(lèi)方法設(shè)計(jì)原理圖

如圖2所示，分類(lèi)方法主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）將所有波形放在同一個(gè)文件夾下。

2）判斷文件組成是否滿(mǎn)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(gè)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(cuò)誤。

4）判斷每相電流和電場(chǎng)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(chǎng)閾值大小需參考硬件運(yùn)放電路設(shè)計(jì)，本文設(shè)定電流零漂為1A、電場(chǎng)零漂為100），若電流在0～1A且電場(chǎng)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(cuò)誤波形。

基于以上判定邏輯，在排除每個(gè)錯(cuò)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(lèi)方法用戶(hù)界面（user inter- face, UI）。

圖3 波形分類(lèi)方法UI

4 測(cè)試與驗(yàn)證

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

首先將3個(gè)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(gè)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(duì)5臺(tái)設(shè)備進(jìn)行以下處理：

1）使1號(hào)故障指示器保持正常運(yùn)行。

2）將2號(hào)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)酰M無(wú)線通信差的情況。

3）將3號(hào)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(chǎng)采集單元采樣出現(xiàn)問(wèn)題的情況。

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

5）將5號(hào)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(mǎn)足國(guó)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(chǎng)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(guò)模擬主站的GPRS通道對(duì)5臺(tái)設(shè)備的所有存儲(chǔ)波形進(jìn)行招錄，通過(guò)波形分類(lèi)方法對(duì)所有波形文件進(jìn)行解析，并得到測(cè)試結(jié)果。結(jié)果分析如下：

1）因1號(hào)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(hào)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(hào)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(gè)波形中篩選出30個(gè)為錯(cuò)誤波形，其中17個(gè)被放置在采樣錯(cuò)誤文件夾下，另外13個(gè)被放置在缺相文件夾。圖6所示為2號(hào)故障指示器某次缺相時(shí)的電流波形。

表1 故障序列

圖5 1號(hào)故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形

圖6 2號(hào)故障指示器某次缺相時(shí)的電流波形

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

圖7 3號(hào)故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形

4）因4號(hào)故障指示器被安放于屏蔽箱中， GPRS信號(hào)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(wú)法完整傳送至模擬主站，導(dǎo)致多數(shù)為錯(cuò)誤波形（40/100）。其中20個(gè)錯(cuò)誤波形被判斷為缺少波形、另外20個(gè)錯(cuò)誤波形被判斷為突變點(diǎn)錯(cuò)誤波形。

5）因5號(hào)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(mǎn)足規(guī)范要求，因此100次試驗(yàn)的波形均被判斷為錯(cuò)誤波形，波形被放置在采樣錯(cuò)誤文件夾中。圖8所示為5號(hào)故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形。

圖8 5號(hào)故障指示器某次實(shí)驗(yàn)電流波形

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)波形解析時(shí)耗時(shí)耗力、無(wú)法及時(shí)判斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況等問(wèn)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(guó)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(wèn)題，提出了一種波形分類(lèi)方法，最后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)加以測(cè)試驗(yàn)證。

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