錄波器電壓故障錄波啟動判據研究

唐 人 ，項曉曉

（1.華北電力大學，北京 102206；2.浙江省電力公司經濟技術研究院，杭州 310008；3.浙江電力建設監理有限公司溫州分公司，浙江 溫州 325000）

數字故障錄波器是電力系統記錄電能質量模擬量與開關量信號的重要設備[1]。在錄波器記錄的各種電能質量事件中，電壓的暫態與穩態現象是電網工作人員關注的重點。針對電壓事件的記錄過程包括信號采集、錄波啟動判據設定、電壓信號壓縮等步驟。其中，故障錄波啟動判據的設計直接影響電能質量事件的正確記錄，并間接影響后續記錄電壓信號的數據量大小，是影響錄波器性能的重要因素之一。常見的錄波器電壓故障啟動判據設定方法包括等效電壓法[2，3]、快速傅里葉變換法[4]等。

1 傳統電壓故障錄波啟動判據設定方法

電壓故障錄波啟動判據的設定目的是當電壓/電能質量事件發生時，通過啟動判據，準確判定電能質量事件的發生并及時啟動數字錄波設備，記錄該次事件過程中的電壓值。在實際電力系統中，錄波器工作環境容易受到噪聲干擾，因此啟動判據的判定結果可能產生錯誤，進而導致電能質量事件未記錄或者誤記錄。如果未能及時記錄電能質量事件，將會丟失相關電壓數據，不利于后期的分析；如果錯誤記錄未發生電能質量事件時段的電壓數據，不但會增加錄波器存儲空間壓力，也會增大后期分析的工作量。

1.1 等效電壓法

等效電壓法是電壓故障錄波啟動判據設計的基本方法[2]。通過等時間間距采樣1個周期內的電壓信號，得到N點離散電壓信號值u（k），由此可得到該周期電壓信號的等效電壓值U。之后，根據實際電力系統中不同電壓等級的輸電線路標準值設定相關閾值，用于判斷電壓波動是否超出標準范圍，以確定是否啟動錄波。

式中：U為周期電壓信號的等效電壓；u（k）為離散電壓。

等效電壓法的運算量小、實時性高，但由于只能反應電壓信號的電壓值變化情況，對不同頻率成分的變換不敏感，因此無法確定信號中包含的諧波等成分是否超出限值。因此，實際應用中，需要與電壓信號的諧波總含量（THD）等指標配合使用，最終確定是否產生電壓畸變。同時，由于等效電壓法計算的是整個周期內的電壓變化情況，因此計算精度不高，對電壓尖峰、切痕等小擾動的判斷容易受到噪聲影響。

1.2 快速傅里葉變換法

快速傅里葉變換法（簡稱FFT）的核心思想是通過快速傅里葉變換處理離散采樣的電壓信號，通過計算采樣信號的基頻幅值與標準信號基頻幅值的差，判定是否發生電壓畸變[4]。同時，可通過FFT計算不同頻次的諧波信號幅值，確定電壓信號中是否包含諧波成分及其諧波含量。因此，FFT可以同時判斷電壓值與諧波成分是否超出閾值。每周期采樣N點電壓信號，經快速傅里葉變換后的結果 U（k）為：

圖1為3.2 kHz采樣率下標準電壓信號經FFT后，各頻率對應的電壓幅值分析結論；圖2為電壓暫降信號經FFT后，各頻率對應的電壓幅值分析結論。為方便分析，實驗中標準電壓幅值取1 pu，信號基頻按照我國電力系統相關規定設為50 Hz。

圖1 標準電壓信號FFT分析結果

圖2 電壓暫降信號FFT分析結果

比較圖1與圖2可知，當信號為標準電壓信號時，分析結果中基頻成分（50 Hz）對應信號幅值為1 pu；當電壓發生變化（暫降）時，基頻成分對應幅值發生明顯變化。因此，可通過頻率成分變化確定是否發生電壓畸變并啟動錄波器錄波。

與等效電壓法相比，通過FFT確定啟動閾值可同時判斷信號基頻變化和諧波成分是否超出限值，避免了等效電壓法在計算信號諧波總含量方面的缺陷。

但該方法也存在一定缺陷：

首先，根據香農采樣定理限定，采用FFT進行相關分析時，其信號分析范圍不超過采樣率的一半。如圖1和圖2，當錄波器信號采樣率為3200 Hz時，其FFT的分析頻率范圍為0～1600 Hz。如果信號中含有高頻振蕩或高次諧波成分（1600 Hz以上），而錄波器采樣率較低，則無法分析發生在高頻范圍內的電壓畸變。

其次，FFT處理電壓信號的運算量較大，如果通過提高采樣率來提高其高頻成分分析能力，則會對系統的硬件水平提出更高的要求。

最后，FFT還存在頻譜泄漏等問題，如果采用插值法或使用加窗短時傅里葉變換，可以克服其本身的頻譜泄漏等缺陷，但也會進一步增加運算量。

因此，采用FFT的電壓故障錄波啟動判據設定方法仍有一定的缺陷，在錄波器采樣率較低情況下，其高頻故障錄波能力仍不能滿足要求。

2 電壓信號錄波新要求與新進展

2.1 智能電網環境下的新要求

我國計劃于2009—2020年逐步推動堅強智能電網建設。在此大環境下，對傳統數字故障錄波器的應用提出了新的要求。

智能電網必須滿足“安全、經濟、電能質量”三大原則[5]，為此需要更廣泛地了解電網內部的實時電壓變化，以實現電能質量的實時監控。而且，智能電網對電能質量的控制將進一步嚴格，要監控的電能質量種類更多，如高次諧波、高頻振蕩等都需要得到有效的監控。

同時，與傳統電網主要關注輸電網電能質量不同，新一代智能電網逐漸由電網的發電和輸電環節自動化向配電網自動化發展[6]。由于配電網的規模和復雜程度遠高于輸電網，因此，實現配電網自動化需要更多的電能質量監控設備，僅地級市的配電網自動化工程所需要的電能質量監控設備就將超過1萬臺。而且，等智能電表設備普及后，也將承擔部分電能質量監控與記錄的任務。因此，為控制配電網自動化建設成本，必須有效控制電能質量監控設備單臺的硬件成本。

為了滿足智能電網建設需求，設計故障錄波器電壓故障啟動判據時，應滿足以下要求：

（1）在有限的采樣能力下，能夠有效監控高頻部分電能質量，不受香農采樣定理限制。

（2）啟動判據運算量不宜過大，以有效控制硬件成本，促進錄波設備的普及應用。

（3）考慮遠程傳輸電能質量數據的通信帶寬壓力等，其判據應有效支持后期數據壓縮工作，以降低電能質量數據對錄波設備存儲空間及遠程傳輸帶寬的壓力。

2.2 智能電網環境下的啟動判據設計新進展

近年來，智能電網環境下的電壓錄波啟動判據設計也引起了國內學者的重視。黃南天等所在課題組提出的基于模式相似性測度的錄波啟動判據設定方法，一定程度上滿足了以上分析結論[7，8]。該課題組從電網電壓信號的周期相似性角度出發，觀察不同周期的形狀相似程度。通過歸一化距離測度，比較2個相鄰周期電壓信號的相似程度，達到判定是否有新的電能質量現象發生并啟動錄波的目的。

歸一化距離測度定義為：

式中：x，y為相鄰周期電壓信號對應的采樣值向量。 如果 x=y，d=0；x=-y，d=1。

該方法可以有效判定各種電壓畸變是否發生。分析過程中僅考慮周期信號的形狀相似程度，不受香農采樣定理限制，在采樣率很低的情況下仍可以有效判定高頻電壓畸變是否發生。同時，該方法運算量小，硬件實現成本低；僅記錄電能質量事件第一周期的數據，實現高效的錄波數據壓縮。

但該方法受到基頻波動影響較大，如果發生頻率偏移，在恢復標準頻率之前將一直記錄頻偏過程中的電壓數據，一定程度上影響了后期的壓縮效果。因此該方法還需要與高精度的頻率估計方法配合使用，以提高其適應性。

3 結論

數字故障錄波器作為記錄電網電能質量原始數據的重要設備，在智能電網建設的大環境下將會得到更廣泛的應用。為有效支持智能電網分析、控制與實時治理等需求，錄波器相關研究仍有待提高。現有的電壓錄波啟動判據研究雖然在一定程度上滿足了智能電網的相關需要，但仍存在不足，需要進行長期的深入研究。此外，除通過軟件計算外，其采樣設備的采樣精度、電磁噪聲干擾等也會影響錄波器啟動判據的判斷準確度。因此，還應從硬件角度進一步提高錄波器的采樣精度，降低噪聲干擾。

[1]駱健，丁網林，唐濤.國內外故障錄波器的比較[J].電力自動化設備.2001，21（7）∶27-31.

[2]向農，宣揚，張俊敏.電能質量及其數字檢測方法[J].高電壓技術，2003，29（4）∶46-48.

[3]王哲，焦彥軍，張新國，等.高性能故障錄波器的方案設計[J].電力自動化設備，2003，23（3）∶40-42.

[4]陳小勤，曹軍軍，何正友，等.電力暫態信號數據采集與錄波單元的研制[J].電力自動化設備，2008，28（9）∶104-107.

[5]張伯明，孫宏斌，吳文傳，等.智能電網控制中心技術的未來發展[J].電力系統自動化，2009，33（17）∶21-28.

[6]徐丙垠，李天友，薛永端.智能配電網與配電自動化[J].電力系統自動化，2009，33（17）∶38-41.

[7]黃南天，徐殿國，劉曉勝，等.基于模式相似性測度的電能質量數據壓縮方法[J].電工技術學報，2011，26（10）∶39-46.

[8]劉曉勝，王新庫，黃南天，等.基于模式相似度和LZW壓縮編碼的電能質量數據壓縮方法[J].電力自動化設備，2012，32（3）∶53-57.