隨著電力設備規模的不斷擴大和配電自動化程度的不斷提高，對配電網供電可靠性的要求也在逐步加強，當電力系統發生故障時，需盡快定位與排除故障。電力設備種類及數量大幅增加，但產品質量卻參差不齊，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確判斷現場實時工況。

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、低功耗和帶電裝卸等優點，已在10kV系統中得到大量應用。暫態錄波型故障指示器（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。

配電主站根據故障指示器上傳的波形，依據電力系統中短路或接地故障發生時電氣量的變化規律對故障類型進行分析，并判斷出故障發生點和繼電保護動作信息，對確定故障原因、恢復非故障區段正常運行和盡快排除故障起到了關鍵作用。

隨著對故障時刻電氣量記錄的穩定性要求越來越高，國內不少學者與機構對故障指示器進行了大量的研究。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中的基數較大、安裝環境復雜，在波形合成階段容易出現問題，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擔，還可能導致主站誤判，在某種程度上降低了主站對故障區段和故障點定位結果的可信度。因此，波形信息的準確與否對故障查找與定位、電力自動化水平的進一步提高具有至關重要的意義。

本文針對故障指示器波形合成問題給故障定位結果造成的影響，根據國網技術規范對故障指示器波形的要求，結合現場波形的電氣量暫態與穩態特征，提出一種故障波形分類方法并嵌入到模擬主站上，在實驗室環境下進行大量數據驗證。結果表明該方法可根據每個波形的特點進行快速篩選分類，有利于減輕配電主站負擔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格的要求，根據國網《暫態錄波型故障指示器技術規范》規定，當電氣線路發生故障或者震蕩時，線路中的電流量或者電壓量發生明顯變化且達到一定閾值后，負責實時監測線路電壓電流的故障指示器采集單元會啟動錄波，并將突變點前后的電流、電場等電氣量實時記錄并保存，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（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，來判斷現場突變點前后運行工況，并將故障信息提供給運維人員。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，配電主站會根據波形數據自動判斷故障性質及故障點。因目前故障指示器品種多、產品質量參差不齊，存在誤動、誤報及誤錄波等現象，導致配電主站接收到的波形基數大、合格率不高，使配電主站自動識別準確率降低。

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果，甚至需要運維人員對波形進行逐個查看、分析是否為符合要求的故障波形，耗時耗力，嚴重影響配電自動化的及時性和準確性。

通過對現場運行波形和實際現場運維工況的分析，錯誤波形經常出現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行交流采樣，當羅氏線圈未完全封閉或長時間工作時可能會導致采樣精度不足或者采樣錯誤，導致上送至匯集單元的波形信息錯誤，無法合成能準確反映實際工況的波形，進而可能會導致主站誤判。

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境時，會影響采集單元與匯集單元之間的通信效果，導致三相采集單元無法實現同組錄波，從而影響上送波形的準確性。

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信號傳輸數據。GPRS傳輸的優點在于傳輸距離遠、傳輸速度快、組網簡單，但是受到基站范圍的限制，在一些偏遠地區、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，因現場環境復雜多變，在頻繁錄波時會導致設備的波形采集與合成出現問題，錯誤波形無法滿足國網要求。

針對以上波形合成時可能存在的主要問題，本文設計一種波形分類方法并加以實驗驗證。

3 一種波形分類方法的設計

故障指示器的錄波啟動條件為電流觸發或者電場觸發，應實現同組觸發，閾值可設。根據國網《暫態錄波型故障指示器技術規范》對故障指示器錄波條件的要求，可得出符合國網要求的波形應該至少滿足如下條件：

1）當線路中電氣量變化幅度達到錄波啟動條件時，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）突變點前應至少記錄4個周波，突變點后應至少記錄8個周波，而且每個周波的采樣點數應≥80。

3）波形的突變點應超前于錄波起始點，且兩者的時間差≤20ms。

4）一個完整的波形文件，應該同時具有一個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文件記錄波形數據信息。

結合上述波形要求和波形合成的主要問題，在大量現場運行波形分析經驗的基礎上，本文提出一種故障波形分類方法。根據以上要求，將C語言的高效性和Python語言的模塊化優勢進行有機結合，通過Python的pyComtrade模塊提取和分析波形數據，通過C語言編寫腳本對波形數據遍歷然后快速提取波形中的突變點并進行分析。圖2所示為故障波形分類方法設計原理圖。

圖2 故障波形分類方法設計原理圖

如圖2所示，分類方法主要實現步驟如下：

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X、波形總點數Y、波形突變點N和錄波起始點P，否則判斷為缺少文件。

3）判斷X是否達到12個周波且每周波點數（Y/X）是否達到80，如果是，則繼續進行，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定閾值（考慮設備零漂而設定的值，電場閾值大小需參考硬件運放電路設計，本文設定電流零漂為1A、電場零漂為100），若電流在0～1A且電場在0～100范圍內，則繼續進行，否則判斷為缺相。

5）判斷N是否超前于P且兩者點數差是否在一周波點數之內，是則判斷為合格波形，否則判斷為突變點錯誤波形。

基于以上判定邏輯，在排除每個錯誤點后，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 測試與驗證

測試設備包含繼電保護測試儀（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臺設備進行以下處理：

1）使1號故障指示器保持正常運行。

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弱，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，模擬現場采集單元采樣出現問題的情況。

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

5）將5號故障指示器參數設置為錄波起始點前周波數為3、起始點后周波數為7，模擬突變點前后波形數目不滿足國網要求的情況。

圖4所示為實驗原理圖。

圖4 實驗原理圖

用繼保儀施加如表1所示的故障序列，用以模擬實際現場中的電氣震蕩。

重復以上序列100次，得到大量的波形數據，然后通過模擬主站的GPRS通道對5臺設備的所有存儲波形進行招錄，通過波形分類方法對所有波形文件進行解析，并得到測試結果。結果分析如下：

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驗電流波形。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驗電流波形

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，無法采集到正常數據，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驗電流波形。

圖7 3號故障指示器某次實驗電流波形

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，導致多數為錯誤波形（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錯誤波形。

5）因5號故障指示器波形的故障點前后周波數分別為3和7，不滿足規范要求，因此100次試驗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驗電流波形。

圖8 5號故障指示器某次實驗電流波形

5 結論

針對現場波形解析時耗時耗力、無法及時判斷現場實際情況等問題，本文在給出故障指示器錄波原理及波形上傳方式的基礎上，根據國網技術規范要求詳細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，最后通過模擬實驗加以測試驗證。

測試結果表明，本方法可根據波形特點對波形進行初步的自動篩選，并按照每種波形文件的特點進行分類，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一步分析，對故障點準確定位具有現實意義。同時，本方法對波形處理的深入研究具有一定的參考價值。