唐 人 ，項曉曉

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.浙江省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州 310008；3.浙江電力建設(shè)監(jiān)理有限公司溫州分公司，浙江 溫州 325000）

數(shù)字故障錄波器是電力系統(tǒng)記錄電能質(zhì)量模擬量與開關(guān)量信號的重要設(shè)備[1]。在錄波器記錄的各種電能質(zhì)量事件中，電壓的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象是電網(wǎng)工作人員關(guān)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(jù)設(shè)定、電壓信號壓縮等步驟。其中，故障錄波啟動判據(jù)的設(shè)計直接影響電能質(zhì)量事件的正確記錄，并間接影響后續(xù)記錄電壓信號的數(shù)據(jù)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(jù)設(shè)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(tǒng)電壓故障錄波啟動判據(jù)設(shè)定方法

電壓故障錄波啟動判據(jù)的設(shè)定目的是當(dāng)電壓/電能質(zhì)量事件發(fā)生時，通過啟動判據(jù)，準確判定電能質(zhì)量事件的發(fā)生并及時啟動數(shù)字錄波設(shè)備，記錄該次事件過程中的電壓值。在實際電力系統(tǒng)中，錄波器工作環(huán)境容易受到噪聲干擾，因此啟動判據(jù)的判定結(jié)果可能產(chǎn)生錯誤，進而導(dǎo)致電能質(zhì)量事件未記錄或者誤記錄。如果未能及時記錄電能質(zhì)量事件，將會丟失相關(guān)電壓數(shù)據(jù)，不利于后期的分析；如果錯誤記錄未發(fā)生電能質(zhì)量事件時段的電壓數(shù)據(jù)，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(jù)設(shè)計的基本方法[2]。通過等時間間距采樣1個周期內(nèi)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(jù)實際電力系統(tǒng)中不同電壓等級的輸電線路標準值設(shè)定相關(guān)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生電壓畸變。同時，由于等效電壓法計算的是整個周期內(nèi)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(fā)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，F(xiàn)FT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(jīng)快速傅里葉變換后的結(jié)果 U（k）為：

圖1為3.2 kHz采樣率下標準電壓信號經(jīng)FFT后，各頻率對應(yīng)的電壓幅值分析結(jié)論；圖2為電壓暫降信號經(jīng)FFT后，各頻率對應(yīng)的電壓幅值分析結(jié)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(tǒng)相關(guān)規(guī)定設(shè)為50 Hz。

圖1 標準電壓信號FFT分析結(jié)果

圖2 電壓暫降信號FFT分析結(jié)果

比較圖1與圖2可知，當(dāng)信號為標準電壓信號時，分析結(jié)果中基頻成分（50 Hz）對應(yīng)信號幅值為1 pu；當(dāng)電壓發(fā)生變化（暫降）時，基頻成分對應(yīng)幅值發(fā)生明顯變化。因此，可通過頻率成分變化確定是否發(fā)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(jù)香農(nóng)采樣定理限定，采用FFT進行相關(guān)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(dāng)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(fā)生在高頻范圍內(nèi)的電壓畸變。

其次，F(xiàn)FT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(tǒng)的硬件水平提出更高的要求。

最后，F(xiàn)FT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(jù)設(shè)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(wǎng)環(huán)境下的新要求

我國計劃于2009—2020年逐步推動堅強智能電網(wǎng)建設(shè)。在此大環(huán)境下，對傳統(tǒng)數(shù)字故障錄波器的應(yīng)用提出了新的要求。

智能電網(wǎng)必須滿足“安全、經(jīng)濟、電能質(zhì)量”三大原則[5]，為此需要更廣泛地了解電網(wǎng)內(nèi)部的實時電壓變化，以實現(xiàn)電能質(zhì)量的實時監(jiān)控。而且，智能電網(wǎng)對電能質(zhì)量的控制將進一步嚴格，要監(jiān)控的電能質(zhì)量種類更多，如高次諧波、高頻振蕩等都需要得到有效的監(jiān)控。

同時，與傳統(tǒng)電網(wǎng)主要關(guān)注輸電網(wǎng)電能質(zhì)量不同，新一代智能電網(wǎng)逐漸由電網(wǎng)的發(fā)電和輸電環(huán)節(jié)自動化向配電網(wǎng)自動化發(fā)展[6]。由于配電網(wǎng)的規(guī)模和復(fù)雜程度遠高于輸電網(wǎng)，因此，實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化需要更多的電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備，僅地級市的配電網(wǎng)自動化工程所需要的電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備就將超過1萬臺。而且，等智能電表設(shè)備普及后，也將承擔(dān)部分電能質(zhì)量監(jiān)控與記錄的任務(wù)。因此，為控制配電網(wǎng)自動化建設(shè)成本，必須有效控制電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備單臺的硬件成本。

為了滿足智能電網(wǎng)建設(shè)需求，設(shè)計故障錄波器電壓故障啟動判據(jù)時，應(yīng)滿足以下要求：

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

（2）啟動判據(jù)運算量不宜過大，以有效控制硬件成本，促進錄波設(shè)備的普及應(yīng)用。

（3）考慮遠程傳輸電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的通信帶寬壓力等，其判據(jù)應(yīng)有效支持后期數(shù)據(jù)壓縮工作，以降低電能質(zhì)量數(shù)據(jù)對錄波設(shè)備存儲空間及遠程傳輸帶寬的壓力。

2.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的啟動判據(jù)設(shè)計新進展

近年來，智能電網(wǎng)環(huán)境下的電壓錄波啟動判據(jù)設(shè)計也引起了國內(nèi)學(xué)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(jù)設(shè)定方法，一定程度上滿足了以上分析結(jié)論[7，8]。該課題組從電網(wǎng)電壓信號的周期相似性角度出發(fā)，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(zhì)量現(xiàn)象發(fā)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(yīng)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(fā)生。分析過程中僅考慮周期信號的形狀相似程度，不受香農(nóng)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(fā)生。同時，該方法運算量小，硬件實現(xiàn)成本低；僅記錄電能質(zhì)量事件第一周期的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效的錄波數(shù)據(jù)壓縮。

但該方法受到基頻波動影響較大，如果發(fā)生頻率偏移，在恢復(fù)標準頻率之前將一直記錄頻偏過程中的電壓數(shù)據(jù)，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(yīng)性。

3 結(jié)論

數(shù)字故障錄波器作為記錄電網(wǎng)電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)的重要設(shè)備，在智能電網(wǎng)建設(shè)的大環(huán)境下將會得到更廣泛的應(yīng)用。為有效支持智能電網(wǎng)分析、控制與實時治理等需求，錄波器相關(guān)研究仍有待提高?，F(xiàn)有的電壓錄波啟動判據(jù)研究雖然在一定程度上滿足了智能電網(wǎng)的相關(guān)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(shè)備的采樣精度、電磁噪聲干擾等也會影響錄波器啟動判據(jù)的判斷準確度。因此，還應(yīng)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(wǎng)林，唐濤.國內(nèi)外故障錄波器的比較[J].電力自動化設(shè)備.2001，21（7）∶27-31.

[2]向農(nóng)，宣揚，張俊敏.電能質(zhì)量及其數(shù)字檢測方法[J].高電壓技術(shù)，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(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2003，23（3）∶40-42.

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

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

[6]徐丙垠，李天友，薛永端.智能配電網(wǎng)與配電自動化[J].電力系統(tǒng)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(zhì)量數(shù)據(jù)壓縮方法[J].電工技術(shù)學(xué)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(zhì)量數(shù)據(jù)壓縮方法[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（3）∶53-57.