一种暂态录波型故障指示器波形分类方法

针对目前暂态录波型故障指示器波形合成导致配电主站接收到的波形基数大、合格率不高、逐次分析费时费力等问题，科大智能电气技术有限公司的研究人员陈雷刚、秦明辉、汪凯顺，在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文，提出一种波形分类方法，并在测试环境下进行大量的模拟测试验证。

结果表明，本方法可快速筛选出大量波形数据中的错误波形，根据错误波形特点进行分类处理，提高了波形检测的效率，有助于提高配电主站对故障点定位的准确性。

随着电力设备规模的不断扩大和配电自动化程度的不断提高，对配电网供电可靠性的要求也在逐步加强，当电力系统发生故障时，需尽快定位与排除故障。电力设备种类及数量大幅增加，但产品质量却参差不齐，从而会带来拒动、误动与上传无效信息等一系列问题，致使配电主站无法准确判断现场实时工况。

作为一种故障电流指示与告警装置，故障指示器具有免维护、低功耗和带电装卸等优点，已在10kV系统中得到大量应用。暂态录波型故障指示器（以下简称故障指示器）可自动记录故障时刻前后的各种电气量并以波形方式传给主站。

配电主站根据故障指示器上传的波形，依据电力系统中短路或接地故障发生时电气量的变化规律对故障类型进行分析，并判断出故障发生点和继电保护动作信息，对确定故障原因、恢复非故障区段正常运行和尽快排除故障起到了关键作用。

随着对故障时刻电气量记录的稳定性要求越来越高，国内不少学者与机构对故障指示器进行了大量的研究。在通过不断提高故障指示器采样精度来保证波形质量的同时，也在不断完善对波形的解析方法。

故障指示器在配电系统中的基数较大、安装环境复杂，在波形合成阶段容易出现问题，大量无效波形上传至配电主站后，不仅给主站带来较大的负担，还可能导致主站误判，在某种程度上降低了主站对故障区段和故障点定位结果的可信度。因此，波形信息的准确与否对故障查找与定位、电力自动化水平的进一步提高具有至关重要的意义。

本文针对故障指示器波形合成问题给故障定位结果造成的影响，根据国网技术规范对故障指示器波形的要求，结合现场波形的电气量暂态与稳态特征，提出一种故障波形分类方法并嵌入到模拟主站上，在实验室环境下进行大量数据验证。结果表明该方法可根据每个波形的特点进行快速筛选分类，有利于减轻配电主站负担和提高波形检测的效率，同时对故障波形提取方法的深入研究具有一定的参考意义。

1  故障指示器录波原理及上传方式

故障指示器对录波启动条件有严格的要求，根据国网《暂态录波型故障指示器技术规范》规定，当电气线路发生故障或者震荡时，线路中的电流量或者电压量发生明显变化且达到一定阈值后，负责实时监测线路电压电流的故障指示器采集单元会启动录波，并将突变点前后的电流、电场等电气量实时记录并保存，然后通过短距离无线射频通信方式上传给汇集单元。

汇集单元将采集单元上送的突变点前后信息汇总后以COMTRADE1999波形文件格式通过通用无线分组服务（general packet radio service, GPRS）上报至主站。配电主站通过对波形文件中电气量的分析与比较，来判断现场突变点前后运行工况，并将故障信息提供给运维人员。图1所示为电气震荡时故障指示器波形上传示意图。

图1  电气震荡时故障指示器波形上传示意图

2  波形合成存在的主要问题

故障指示器汇集单元将采集到的波形信息传递到配电主站后，配电主站会根据波形数据自动判断故障性质及故障点。因目前故障指示器品种多、产品质量参差不齐，存在误动、误报及误录波等现象，导致配电主站接收到的波形基数大、合格率不高，使配电主站自动识别准确率降低。

因海量异常波形的干扰，配电主站通常会给出错误的判断结果，甚至需要运维人员对波形进行逐个查看、分析是否为符合要求的故障波形，耗时耗力，严重影响配电自动化的及时性和准确性。

通过对现场运行波形和实际现场运维工况的分析，错误波形经常出现的原因主要有如下几种情况：

1）采集单元自身采样问题

因采集单元采用罗氏线圈型电流互感器进行交流采样，当罗氏线圈未完全封闭或长时间工作时可能会导致采样精度不足或者采样错误，导致上送至汇集单元的波形信息错误，无法合成能准确反映实际工况的波形，进而可能会导致主站误判。

2）采集单元与汇集单元的通信问题

汇集单元与采集单元之间以433M微功率无线方式通信，因该频段抗干扰能力差、易受遮挡物影响，安装在恶劣或者信号不好的环境时，会影响采集单元与汇集单元之间的通信效果，导致三相采集单元无法实现同组录波，从而影响上送波形的准确性。

3）汇集单元与主站的通信问题

目前故障指示器与配电主站之间通过GPRS信号传输数据。GPRS传输的优点在于传输距离远、传输速度快、组网简单，但是受到基站范围的限制，在一些偏远地区、通信能力差的地方信号较弱，存在通信死角，且受到4G模块和GPRS天线的限制，导致一些汇集单元无法将完整的波形信息上送至配电主站。

4）故障指示器本身的问题

假如故障指示器本身存在录波缺陷，因现场环境复杂多变，在频繁录波时会导致设备的波形采集与合成出现问题，错误波形无法满足国网要求。

针对以上波形合成时可能存在的主要问题，本文设计一种波形分类方法并加以实验验证。

3  一种波形分类方法的设计

故障指示器的录波启动条件为电流触发或者电场触发，应实现同组触发，阈值可设。根据国网《暂态录波型故障指示器技术规范》对故障指示器录波条件的要求，可得出符合国网要求的波形应该至少满足如下条件：

1）当线路中电气量变化幅度达到录波启动条件时，三相采集单元同时将采集到的电气信息上送至汇集单元，由汇集单元合成波形上送到配电主站。

2）突变点前应至少记录4个周波，突变点后应至少记录8个周波，而且每个周波的采样点数应≥80。

3）波形的突变点应超前于录波起始点，且两者的时间差≤20ms。

4）一个完整的波形文件，应该同时具有一个cfg文件和一个dat文件。cfg文件主要记录波形的通道配置信息；dat文件记录波形数据信息。

结合上述波形要求和波形合成的主要问题，在大量现场运行波形分析经验的基础上，本文提出一种故障波形分类方法。根据以上要求，将C语言的高效性和Python语言的模块化优势进行有机结合，通过Python的pyComtrade模块提取和分析波形数据，通过C语言编写脚本对波形数据遍历然后快速提取波形中的突变点并进行分析。图2所示为故障波形分类方法设计原理图。

图2  故障波形分类方法设计原理图

如图2所示，分类方法主要实现步骤如下：

1）将所有波形放在同一个文件夹下。

2）判断文件组成是否满足要求，是则提取总周波数X、波形总点数Y、波形突变点N和录波起始点P，否则判断为缺少文件。

3）判断X是否达到12个周波且每周波点数（Y/X）是否达到80，是则继续进行，否则判断为采样错误。

4）判断每相电流和电场的真有效值是否小于设定阈值（考虑设备零漂而设定的值，电场阈值大小需参考硬件运放电路设计，本文设定电流零漂为1A、电场零漂为100），若电流在0～1A且电场在0～100范围内，则继续进行，否则判断为缺相。

5）判断N是否超前于P且两者点数差是否在一周波点数之内，是则判断为合格波形，否则判断为突变点错误波形。

基于以上判定逻辑，在排除每个错误点后，仍符合该算法要求的波形则可以判断为正常的波形。

图3所示为波形分类方法用户界面（user inter- face, UI）。

图3  波形分类方法UI

4  测试与验证

测试设备包含继电保护测试仪（以下简称继保仪）1台、故障指示器5套（每套由1台汇集单元和3只相采集单元组成）、SIM卡5张、20匝线圈3个和屏蔽箱1台。其中，故障指示器分别标注编号1号—5号，线圈编号1—3。

首先将3个线圈依次与继保仪的A、B、C三相连接，将5套故障指示器的采集单元依次安装在3个线圈上。然后将SIM卡插入故障指示器汇集单元使其可以登陆模拟主站，并对5台设备进行以下处理：

1）使1号故障指示器保持正常运行。

2）将2号故障指示器汇集单元与采集单元之间通信的微功率天线拔掉，使汇集单元与采集单元之间的通信效果变弱，模拟无线通信差的情况。

3）将3号故障指示器A相采集单元的采样模块拔掉，B、C两相保持正常，模拟现场采集单元采样出现问题的情况。

4）将4号故障指示器放在屏蔽箱中，通过全封闭环境来模拟现场GPRS信号差或不能正常连接的情况。

5）将5号故障指示器参数设置为录波起始点前周波数为3、起始点后周波数为7，模拟突变点前后波形数目不满足国网要求的情况。

图4所示为实验原理图。

图4  实验原理图

用继保仪施加如表1所示的故障序列，用以模拟实际现场中的电气震荡。

重复以上序列100次，得到大量的波形数据，然后通过模拟主站的GPRS通道对5台设备的所有存储波形进行招录，通过波形分类方法对所有波形文件进行解析，并得到测试结果。结果分析如下：

1）因1号故障指示器一切正常，所有波形均被判断为合格的波形文件。图5所示为1号故障指示器某次实验电流波形。其中，4条波形依次为A相、B相、C相和合成零序电流波形，下同。

2）因2号故障指示器的微功率天线被拔掉，汇集单元与采集单元之间的通信效果不好，从100个波形中筛选出30个为错误波形，其中17个被放置在采样错误文件夹下，另外13个被放置在缺相文件夹。图6所示为2号故障指示器某次缺相时的电流波形。

表1  故障序列

图5  1号故障指示器某次实验电流波形

图6  2号故障指示器某次缺相时的电流波形

3）因3号故障指示器A相采集单元的采样模块被拔掉，无法采集到正常数据，100个波形文件全判断为错误波形。错误波形均放置在缺相文件夹下。图7所示为3号故障指示器某次实验电流波形。

图7  3号故障指示器某次实验电流波形

4）因4号故障指示器被安放于屏蔽箱中， GPRS信号较弱，汇集单元与模拟主站之间的通信效果差，一些波形文件无法完整传送至模拟主站，导致多数为错误波形（40/100）。其中20个错误波形被判断为缺少波形、另外20个错误波形被判断为突变点错误波形。

5）因5号故障指示器波形的故障点前后周波数分别为3和7，不满足规范要求，因此100次试验的波形均被判断为错误波形，波形被放置在采样错误文件夹中。图8所示为5号故障指示器某次实验电流波形。

图8  5号故障指示器某次实验电流波形

5  结论

针对现场波形解析时耗时耗力、无法及时判断现场实际情况等问题，本文在给出故障指示器录波原理及波形上传方式的基础上，根据国网技术规范要求详细分析了波形合成阶段存在的主要问题，提出了一种波形分类方法，最后通过模拟实验加以测试验证。

测试结果表明，本方法可根据波形特点对波形进行初步的自动筛选，并按照每种波形文件的特点进行分类，使故障指示器的波形检测工作能更加高效快捷，有利于波形问题的查找和进一步分析，对故障点准确定位具有现实意义。同时，本方法对波形处理的深入研究具有一定的参考价值。