录波器电压故障录波启动判据研究

唐 人 ，项晓晓

（1.华北电力大学，北京 102206；2.浙江省电力公司经济技术研究院，杭州 310008；3.浙江电力建设监理有限公司温州分公司，浙江 温州 325000）

数字故障录波器是电力系统记录电能质量模拟量与开关量信号的重要设备[1]。在录波器记录的各种电能质量事件中，电压的暂态与稳态现象是电网工作人员关注的重点。针对电压事件的记录过程包括信号采集、录波启动判据设定、电压信号压缩等步骤。其中，故障录波启动判据的设计直接影响电能质量事件的正确记录，并间接影响后续记录电压信号的数据量大小，是影响录波器性能的重要因素之一。常见的录波器电压故障启动判据设定方法包括等效电压法[2，3]、快速傅里叶变换法[4]等。

1 传统电压故障录波启动判据设定方法

电压故障录波启动判据的设定目的是当电压/电能质量事件发生时，通过启动判据，准确判定电能质量事件的发生并及时启动数字录波设备，记录该次事件过程中的电压值。在实际电力系统中，录波器工作环境容易受到噪声干扰，因此启动判据的判定结果可能产生错误，进而导致电能质量事件未记录或者误记录。如果未能及时记录电能质量事件，将会丢失相关电压数据，不利于后期的分析；如果错误记录未发生电能质量事件时段的电压数据，不但会增加录波器存储空间压力，也会增大后期分析的工作量。

1.1 等效电压法

等效电压法是电压故障录波启动判据设计的基本方法[2]。通过等时间间距采样1个周期内的电压信号，得到N点离散电压信号值u（k），由此可得到该周期电压信号的等效电压值U。之后，根据实际电力系统中不同电压等级的输电线路标准值设定相关阈值，用于判断电压波动是否超出标准范围，以确定是否启动录波。

式中：U为周期电压信号的等效电压；u（k）为离散电压。

等效电压法的运算量小、实时性高，但由于只能反应电压信号的电压值变化情况，对不同频率成分的变换不敏感，因此无法确定信号中包含的谐波等成分是否超出限值。因此，实际应用中，需要与电压信号的谐波总含量（THD）等指标配合使用，最终确定是否产生电压畸变。同时，由于等效电压法计算的是整个周期内的电压变化情况，因此计算精度不高，对电压尖峰、切痕等小扰动的判断容易受到噪声影响。

1.2 快速傅里叶变换法

快速傅里叶变换法（简称FFT）的核心思想是通过快速傅里叶变换处理离散采样的电压信号，通过计算采样信号的基频幅值与标准信号基频幅值的差，判定是否发生电压畸变[4]。同时，可通过FFT计算不同频次的谐波信号幅值，确定电压信号中是否包含谐波成分及其谐波含量。因此，FFT可以同时判断电压值与谐波成分是否超出阈值。每周期采样N点电压信号，经快速傅里叶变换后的结果 U（k）为：

图1为3.2 kHz采样率下标准电压信号经FFT后，各频率对应的电压幅值分析结论；图2为电压暂降信号经FFT后，各频率对应的电压幅值分析结论。为方便分析，实验中标准电压幅值取1 pu，信号基频按照我国电力系统相关规定设为50 Hz。

图1 标准电压信号FFT分析结果

图2 电压暂降信号FFT分析结果

比较图1与图2可知，当信号为标准电压信号时，分析结果中基频成分（50 Hz）对应信号幅值为1 pu；当电压发生变化（暂降）时，基频成分对应幅值发生明显变化。因此，可通过频率成分变化确定是否发生电压畸变并启动录波器录波。

与等效电压法相比，通过FFT确定启动阈值可同时判断信号基频变化和谐波成分是否超出限值，避免了等效电压法在计算信号谐波总含量方面的缺陷。

但该方法也存在一定缺陷：

首先，根据香农采样定理限定，采用FFT进行相关分析时，其信号分析范围不超过采样率的一半。如图1和图2，当录波器信号采样率为3200 Hz时，其FFT的分析频率范围为0～1600 Hz。如果信号中含有高频振荡或高次谐波成分（1600 Hz以上），而录波器采样率较低，则无法分析发生在高频范围内的电压畸变。

其次，FFT处理电压信号的运算量较大，如果通过提高采样率来提高其高频成分分析能力，则会对系统的硬件水平提出更高的要求。

最后，FFT还存在频谱泄漏等问题，如果采用插值法或使用加窗短时傅里叶变换，可以克服其本身的频谱泄漏等缺陷，但也会进一步增加运算量。

因此，采用FFT的电压故障录波启动判据设定方法仍有一定的缺陷，在录波器采样率较低情况下，其高频故障录波能力仍不能满足要求。

2 电压信号录波新要求与新进展

2.1 智能电网环境下的新要求

我国计划于2009—2020年逐步推动坚强智能电网建设。在此大环境下，对传统数字故障录波器的应用提出了新的要求。

智能电网必须满足“安全、经济、电能质量”三大原则[5]，为此需要更广泛地了解电网内部的实时电压变化，以实现电能质量的实时监控。而且，智能电网对电能质量的控制将进一步严格，要监控的电能质量种类更多，如高次谐波、高频振荡等都需要得到有效的监控。

同时，与传统电网主要关注输电网电能质量不同，新一代智能电网逐渐由电网的发电和输电环节自动化向配电网自动化发展[6]。由于配电网的规模和复杂程度远高于输电网，因此，实现配电网自动化需要更多的电能质量监控设备，仅地级市的配电网自动化工程所需要的电能质量监控设备就将超过1万台。而且，等智能电表设备普及后，也将承担部分电能质量监控与记录的任务。因此，为控制配电网自动化建设成本，必须有效控制电能质量监控设备单台的硬件成本。

为了满足智能电网建设需求，设计故障录波器电压故障启动判据时，应满足以下要求：

（1）在有限的采样能力下，能够有效监控高频部分电能质量，不受香农采样定理限制。

（2）启动判据运算量不宜过大，以有效控制硬件成本，促进录波设备的普及应用。

（3）考虑远程传输电能质量数据的通信带宽压力等，其判据应有效支持后期数据压缩工作，以降低电能质量数据对录波设备存储空间及远程传输带宽的压力。

2.2 智能电网环境下的启动判据设计新进展

近年来，智能电网环境下的电压录波启动判据设计也引起了国内学者的重视。黄南天等所在课题组提出的基于模式相似性测度的录波启动判据设定方法，一定程度上满足了以上分析结论[7，8]。该课题组从电网电压信号的周期相似性角度出发，观察不同周期的形状相似程度。通过归一化距离测度，比较2个相邻周期电压信号的相似程度，达到判定是否有新的电能质量现象发生并启动录波的目的。

归一化距离测度定义为：

式中：x，y为相邻周期电压信号对应的采样值向量。 如果 x=y，d=0；x=-y，d=1。

该方法可以有效判定各种电压畸变是否发生。分析过程中仅考虑周期信号的形状相似程度，不受香农采样定理限制，在采样率很低的情况下仍可以有效判定高频电压畸变是否发生。同时，该方法运算量小，硬件实现成本低；仅记录电能质量事件第一周期的数据，实现高效的录波数据压缩。

但该方法受到基频波动影响较大，如果发生频率偏移，在恢复标准频率之前将一直记录频偏过程中的电压数据，一定程度上影响了后期的压缩效果。因此该方法还需要与高精度的频率估计方法配合使用，以提高其适应性。

3 结论

数字故障录波器作为记录电网电能质量原始数据的重要设备，在智能电网建设的大环境下将会得到更广泛的应用。为有效支持智能电网分析、控制与实时治理等需求，录波器相关研究仍有待提高。现有的电压录波启动判据研究虽然在一定程度上满足了智能电网的相关需要，但仍存在不足，需要进行长期的深入研究。此外，除通过软件计算外，其采样设备的采样精度、电磁噪声干扰等也会影响录波器启动判据的判断准确度。因此，还应从硬件角度进一步提高录波器的采样精度，降低噪声干扰。

[1]骆健，丁网林，唐涛.国内外故障录波器的比较[J].电力自动化设备.2001，21（7）∶27-31.

[2]向农，宣扬，张俊敏.电能质量及其数字检测方法[J].高电压技术，2003，29（4）∶46-48.

[3]王哲，焦彦军，张新国，等.高性能故障录波器的方案设计[J].电力自动化设备，2003，23（3）∶40-42.

[4]陈小勤，曹军军，何正友，等.电力暂态信号数据采集与录波单元的研制[J].电力自动化设备，2008，28（9）∶104-107.

[5]张伯明，孙宏斌，吴文传，等.智能电网控制中心技术的未来发展[J].电力系统自动化，2009，33（17）∶21-28.

[6]徐丙垠，李天友，薛永端.智能配电网与配电自动化[J].电力系统自动化，2009，33（17）∶38-41.

[7]黄南天，徐殿国，刘晓胜，等.基于模式相似性测度的电能质量数据压缩方法[J].电工技术学报，2011，26（10）∶39-46.

[8]刘晓胜，王新库，黄南天，等.基于模式相似度和LZW压缩编码的电能质量数据压缩方法[J].电力自动化设备，2012，32（3）∶53-57.