基本介紹
- 中文名：錄波器
- 外文名： Oscillograph
- 類別：電力系統
- 作用：自動地、準確地記錄故障
故障錄波器發展歷程及現狀分析,核心控制器的變革,結構的變革,最新故障錄波器,故障錄波器在電力系統中的套用,故障錄波器的結構和工作原理,故障錄波器的作用,故障錄波器的主要參數,故障錄波器在套用中存在的問題及措施,
故障錄波器發展歷程及現狀分析
主要從故障錄波器的核心控制器和結構兩個方面，對故障錄波器的發展歷程進行分析總結，介紹了故障錄波器在各個發展階段的特點。重點討論了故障錄波器的研究現狀，闡明了數位化分散式故障錄波器在數位化變電站中的位置，並給出了最新數位化分散式故障錄波器的模組構成，主要針對其數據採集模組與管理分析模組的結構和功能進行了分析介紹。
核心控制器的變革
主要包括採集模組和管理分析模組：
採集模組主要完成錄波數據的採集、分析計算、錄波啟動判別等；錄波管理分析單元主要完成數據的記錄、分析和管理、故障類型分析、故障定位和故障再現等功能。
第一階段：核心控制器1和2均為單片機，可稱為單片機型故障錄波器，其技術特點主要有：
(1) 採用單片機作為主要控制器控制數據的動態不間斷採集，以及故障後的數據突變計算和控制外接設備等。
(2) 採用高速的A/D轉換，以保證高精度、高密度的數據採集及其實時性。
(3) 可採用RAM等作為數據記錄介質。對比更早期用感光膠片作為記錄介質的光電式故障錄波器，可以更快地記錄故障發生時的電壓電流波形圖。
(4) 系統具有擴展性。
(5) 系統具有通用性。可安裝於任何一個變電站，基本不需要改動硬體和軟體。
但由於單片機的指令執行速度慢，匯流排頻寬窄，不能滿足系統實時性的要求，且單片機不具有DMA數據傳輸方式，限制了傳輸速度等缺點，隨著電力網路的發展一般單片機已不能滿足系統要求。
第二階段：核心控制器1和核心控制器2有一個或全部為DSP，可稱為DSP故障錄波器。
數位訊號處理晶片（DSP），作為一種為達到快速數學運算而特殊設計的新型微處理器，具有相當強大的數據處理能力。DSP已經廣泛套用於高速自動控制、通信技術、圖象處理、數學家電等眾多領域，為數位訊號處理提供了高效而可靠的硬體基礎。另外，DSP可以不再單純用作數據採集，它還同時能肩負主要運算和控制功能。因此DSP與高速A/D以及現代計算機技術的結合，將進一步提高和完善微機保護自動裝置以及故障錄波等對實時要求很高的裝置。
但是DSP計算能力雖然強大，控制能力卻相對不足，無法移植功能強大的作業系統，需要自己制定TCP/IP協定棧以支持網路通信，工程量大且不便日後的維護升級，這在完整的故障錄波系統中不僅影響到DSP的處理速度，也難以勝任更高精度和實時性的要求。
第三階段：核心控制器1為DSP，核心控制器2為ARM處理器。
嵌入式系統具有的特點是：高可靠性，軟硬體結構高度可裁剪性，並且在惡劣的環境或突然斷電的情況下，系統仍然能夠正常工作。另外，採用嵌入式作業系統可以獲得很好的實時處理能力。ARM在數位訊號處理方面和DSP在系統控制方面都存在其弱點，因此採用ARM和DSP的雙CPU方案，為複雜的信號處理算法提供硬體支持，同時具備強大的任務處理能力，形成相對精簡最佳化的軟硬體結構。同前兩個階段的故障錄波器相比，具有錄波可靠性高、錄波容量大、錄波時間長、記錄次數多、操作簡便、界面友好、維護方便、獲取波形快速方便、錄波圖清晰準確且體積小巧便攜等優點。
結構的變革
第一階段：專用集中型故障錄波器。
在變電站和發電廠內採用集中式的故障錄波器。由專門的錄波裝置採集重要的電流、電壓信號和繼電保護、安全自動裝置的動作觸點、斷路器輔助觸點以及通信通道信號等的波形等，然後進行故障判斷以及簡單的故障分析，並將故障記錄數據和初步分析結果送到遠方錄波主站進行進一步的處理。
這種集中式錄波器在國內外電力系統中的套用，技術相對成熟，已經廣泛運行於各高壓變電站和大型發電廠中。但是，隨著電力系統的快速發展，特別是變電站自動化技術的不斷進步，現有的集中式錄波的一些缺點被漸漸的暴露出來，其結構配置和組網複雜，難以集成到現有的自動化系統中。集中式故障錄波器由於受到系統本身結構的限制，無論模擬量的輸入、開關量的輸入、還是故障數據存儲容量，其冗餘度小，不利於增容和升級。
第二階段：微機繼電保護裝置兼有錄波功能。
將保護動作前後一段時間內的相關電參數波形保存下來，傳給當地錄波主站，用於分析220 kV 及以下饋電線路的故障。這種方法實際是介於故障錄波和事故追憶之間的一種功能，雖然許多廠家稱之為故障錄波，但它不能滿足國家標準要求，不能同步記錄故障線路和設備以外的其它線路和設備的電參數波形，所以不能用於輸電網和發電機的故障錄波。
第三階段：分散式錄波器。
分散式故障錄波器是指其錄波採集單元分布於各個電氣間隔或各個變電站，它們和錄波分析單元通過通信網路連線成一個有機的整體，共同完成電力系統或其中一部分的故障錄波和分析功能。
分散式錄波系統利用現代網路通信技術，實現了各個廠站的錄波採集單元和分析單元的數據共享和相互協調控制，避免了局部故障而引起整套錄波器退出運行，充分發揮了錄波數據在電力系統故障分析和自動監控方面的作用，克服了傳統的集中式錄波裝置的諸多缺點，是錄波裝置的發展方向。
最新故障錄波器
適應計算機技術和網路通信技術的迅猛發展，數位化變電站已成為變電站自動化技術的發展方向。傳統的電力故障錄波器對模擬量和開關量的採集需要通過硬電纜接入裝置，當系統需要擴容或需要改變採集的對象時往往很不靈活。而數位化變電站遵循 IEC61850《變電站通信網路和系統》標準，一次設備常規的強電模擬信號測量電纜和控制電纜被數字光纖所取代，即模擬量和開關量已經網路化；過程層的合併單元，間隔層的二次保護、測量、控制單元，站控層的後台軟體也已日益開發完善。數位化變電站實現了過程層設備數位化、間隔層設備網路化。
利用最先進的核心控制器和適應數位化網路發展需要的分散式故障錄波器能滿足數位化變電站對故障錄波器的要求，因此湧現出了數位化的分散式故障錄波器，它是數位化變電站和錄波器不斷發展的共同產物。顯然，數位化分散式故障錄波器已經成為故障錄波器的研究新點和熱點，它處於數位化變電站間隔層。
數位化分散式故障錄波器分為採集模組和管理分析模組。採集模組結構它將接收和解析由合併單元送來的IEC61850-9-1/2報文和由保護控制單元的面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文，分別提取採樣值數據和開關量數據，另外採集模組具有數據同步、故障錄波啟動判別、數據存儲以及數據通信等功能，其核心控制器多選用DSP或ARM處理器。
數位化分散式故障錄波器的管理分析模組它主要實現故障啟動定值互動管理，故障數據格式轉換，故障錄波波形分析及數據通信等功能，這裡的數據通信與錄波採集模組中數據通信相呼應，利用乙太網通信技術完成。管理分析模組的核心控制器多採用ARM處理器。
故障錄波器在電力系統中的套用
介紹了故障錄波器的原理，以及在電力系統中的作用，分析了電力系統 中 典 型 故 障 的 現 象 及 對 應 的 故 障 波 形 ，通過典型波形的建立，為複雜故障性質的判斷和分析提供了有效的手段，運行人員可以參照典型波形的特點，迅速地判斷出複雜故障的性質，從而縮短了故障處理的時間，提高了對故障處理的效率。 總結了故障錄波器在實際套用中出現的問題，並對其發生的原因進行分析，提出了解決方案。
故障錄波器的結構和工作原理
故障錄波器是用來記錄電力系統中電氣量和非電氣量以及開關量的自動記錄裝置。 通過記錄和監視系統中模擬量和事件量來對系統中發生的故障和異常等事件生成故障波形，儲存並傳送至遠方主站， 通過分析軟體的處理對波形進行分析和計算，從而對故障性質，故障發生點的距離，故障的嚴重程度進行準確地判斷。
故障錄波器的作用
故障錄波器在電力系統中的作用有以下3種。
第一種為系統發生故障，繼電保護裝置動作正確，可以通過故障錄波器記錄下來的電流量電壓量對故障線路進行測距，幫助巡線人員儘快找到故障點，及時採取措施，縮短停電時間，減少損失。
第二種情況為線路不明原因跳閘，通過對故障錄波器記錄的波形進行分析，可以判斷出開關跳閘的原因。 從而採取相應措施，將線路恢復送電或者停電檢修 ，避免盲目強送造成更大的損失 ，同時為檢修策略提供依據。
第三種情況為判斷繼電保護裝置的動作行為。當系統由於繼電保護裝置誤動造成無故障跳閘或系統有故障但保護裝置拒動時，就要利用故障錄波器中記錄的開關量動作情況來判斷保護的動作是否正確，並可以據此得出有問題的部分，對於較複雜的故障可以通過記錄下來的電流電壓量對故障量進行計算，從而對保護進行定量考核。
故障錄波器的主要參數
（1） 採樣速率：採樣速率的高低決定了錄波器對高次諧波的記錄能力，在系統發生故障之初，故障波形的高次諧波非常嚴重，因此，為了較真實地記錄故障的暫態過程，錄波器要有較高的採樣速率。電力行業標準規定，故障錄波器的採樣速率應達到5kHz。但高的採樣速率，則要使用較多的存儲空間，同時在進行數據傳輸時，要花費更長的時間，這很不利於故障後的快速分析故障。根據實際使用情況，採樣速率一般設定為3200Hz，即每周期採樣64 點。
（2） A/D轉換位數 ：A/D轉換器的位數決定了錄波器記錄數據的準確度。 對於不同位數的A/D轉換器，在量度同一個幅值的模擬量時 ，顯然高位數A/D 轉換器的每格所代表的值要比低位數A/D轉換器小，也就是說解析度比較高，這樣就可以具有較高的精度，保證所有通道採樣的一致性。
（3） 最大故障電流記錄能力： 該指標用來保證在系統最大短路電流下能夠完整地記錄故障過程，不發生削波，同時在極小電流時又要能用一定的精度。該指標有時還影響到錄波器啟動定值的靈敏度。
（4） 錄波記錄時間：故障錄波器被觸發後，將根據事先設定的錄波時間採集數據、存儲數據。這幾個時段有：故障前記錄時間，這部分錄波數據主要是用來進行故障定位計算時使用。觸發時段：這部分錄波數據記錄的是故障發生的前期過程，含有較多的暫態分量，故障後進行故障定位和其他電氣量計算使用的主要是這部分數據。 故障後時段：這個時段主要記錄系統在故障結束後系統的情況，這段數據主要關心的是變化過程。
故障錄波器在套用中存在的問題及措施
故障錄波器在實際套用過程中經常出現保護管理機調不到故障波形的故障，嚴重影響了故障波形的分析，在系統發生故障時將影響對故障性質的判斷，根據現場處理的情況有以下幾種原因導致該故障的發生。
（1） 保護管理機與故障錄波器之間通信中斷。
（2） 保護管理機當機導致死數據。
（3） 故障錄波器存儲單元損壞。
（4） 故障錄波器軟體版本低導致數據溢出。
以上原因中保護管理機與故障錄波器之間通信中斷造成調閱不到波形的次數最多，也是經常困擾運行人員的主要原因。
經過分析，制定了以下幾項措施。
（1） 加強巡視，定期對故障錄波器進行手動觸發，檢驗其是否在正常的工作狀態，一旦發現工作不正常立即聯繫處理。
（2） 採用備用方案，在筆記本電腦上安裝波形分析軟體，在保護管理機不能調閱故障錄波器的波形時，採用筆記本電腦調閱方式，對故障進行及時的分析和判斷。
（3） 加強培訓，利用系統維護的機會，請故障錄波器廠家人員現場講解。
（4） 制定預案，在相關預案中加入故障錄波器故障時的應急方案。
通過這些措施實施，故障錄波器的故障率得到了降低，從而保證在系統發生故障時第一時間內及時調閱到波形進行分析，提高了事故處理效率。
