[科普中国]-录波器

故障录波器用于电力系统，可在系统发生故障时，自动地、准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

通过这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平均有着重要作用。

故障录波器发展历程及现状分析主要从故障录波器的核心控制器和结构两个方面，对故障录波器的发展历程进行分析总结，介绍了故障录波器在各个发展阶段的特点。重点讨论了故障录波器的研究现状，阐明了数字化分布式故障录波器在数字化变电站中的位置，并给出了最新数字化分布式故障录波器的模块构成，主要针对其数据采集模块与管理分析模块的结构和功能进行了分析介绍。1

核心控制器的变革主要包括采集模块和管理分析模块：

采集模块主要完成录波数据的采集、分析计算、录波启动判别等；录波管理分析单元主要完成数据的记录、分析和管理、故障类型分析、故障定位和故障再现等功能。

第一阶段：核心控制器1和2均为单片机，可称为单片机型故障录波器，其技术特点主要有：

(1) 采用单片机作为主要控制器控制数据的动态不间断采集，以及故障后的数据突变计算和控制外接设备等。

(2) 采用高速的A/D转换，以保证高精度、高密度的数据采集及其实时性。

(3) 可采用RAM等作为数据记录介质。对比更早期用感光胶片作为记录介质的光电式故障录波器，可以更快地记录故障发生时的电压电流波形图。

(4) 系统具有扩展性。

(5) 系统具有通用性。可安装于任何一个变电站，基本不需要改动硬件和软件。

但由于单片机的指令执行速度慢，总线带宽窄，不能满足系统实时性的要求，且单片机不具有DMA数据传输方式，限制了传输速度等缺点，随着电力网络的发展一般单片机已不能满足系统要求。1

第二阶段：核心控制器1和核心控制器2有一个或全部为DSP，可称为DSP故障录波器。

数字信号处理芯片（DSP），作为一种为达到快速数学运算而特殊设计的新型微处理器，具有相当强大的数据处理能力。DSP已经广泛应用于高速自动控制、通信技术、图象处理、数学家电等众多领域，为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。另外，DSP可以不再单纯用作数据采集，它还同时能肩负主要运算和控制功能。因此DSP与高速A/D以及现代计算机技术的结合，将进一步提高和完善微机保护自动装置以及故障录波等对实时要求很高的装置。

但是DSP计算能力虽然强大，控制能力却相对不足，无法移植功能强大的操作系统，需要自己制定TCP/IP协议栈以支持网络通信，工程量大且不便日后的维护升级，这在完整的故障录波系统中不仅影响到DSP的处理速度，也难以胜任更高精度和实时性的要求。1

第三阶段：核心控制器1为DSP，核心控制器2为ARM处理器。

嵌入式系统具有的特点是：高可靠性，软硬件结构高度可裁剪性，并且在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作。另外，采用嵌入式操作系统可以获得很好的实时处理能力。ARM在数字信号处理方面和DSP在系统控制方面都存在其弱点，因此采用ARM和DSP的双CPU方案，为复杂的信号处理算法提供硬件支持，同时具备强大的任务处理能力，形成相对精简优化的软硬件结构。同前两个阶段的故障录波器相比，具有录波可靠性高、录波容量大、录波时间长、记录次数多、操作简便、界面友好、维护方便、获取波形快速方便、录波图清晰准确且体积小巧便携等优点。1

结构的变革第一阶段：专用集中型故障录波器。

在变电站和发电厂内采用集中式的故障录波器。由专门的录波装置采集重要的电流、电压信号和继电保护、安全自动装置的动作触点、断路器辅助触点以及通信通道信号等的波形等，然后进行故障判断以及简单的故障分析，并将故障记录数据和初步分析结果送到远方录波主站进行进一步的处理。

这种集中式录波器在国内外电力系统中的应用，技术相对成熟，已经广泛运行于各高压变电站和大型发电厂中。但是，随着电力系统的快速发展，特别是变电站自动化技术的不断进步，现有的集中式录波的一些缺点被渐渐的暴露出来，其结构配置和组网复杂，难以集成到现有的自动化系统中。集中式故障录波器由于受到系统本身结构的限制，无论模拟量的输入、开关量的输入、还是故障数据存储容量，其冗余度小，不利于增容和升级。1

第二阶段：微机继电保护装置兼有录波功能。

将保护动作前后一段时间内的相关电参数波形保存下来，传给当地录波主站，用于分析220 kV 及以下馈电线路的故障。这种方法实际是介于故障录波和事故追忆之间的一种功能，虽然许多厂家称之为故障录波，但它不能满足国家标准要求，不能同步记录故障线路和设备以外的其它线路和设备的电参数波形，所以不能用于输电网和发电机的故障录波。

第三阶段：分布式录波器。

分布式故障录波器是指其录波采集单元分布于各个电气间隔或各个变电站，它们和录波分析单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成电力系统或其中一部分的故障录波和分析功能。

分布式录波系统利用现代网络通信技术，实现了各个厂站的录波采集单元和分析单元的数据共享和相互协调控制，避免了局部故障而引起整套录波器退出运行，充分发挥了录波数据在电力系统故障分析和自动监控方面的作用，克服了传统的集中式录波装置的诸多缺点，是录波装置的发展方向。1

最新故障录波器适应计算机技术和网络通信技术的迅猛发展，数字化变电站已成为变电站自动化技术的发展方向。传统的电力故障录波器对模拟量和开关量的采集需要通过硬电缆接入装置，当系统需要扩容或需要改变采集的对象时往往很不灵活。而数字化变电站遵循 IEC61850《变电站通信网络和系统》标准，一次设备常规的强电模拟信号测量电缆和控制电缆被数字光纤所取代，即模拟量和开关量已经网络化；过程层的合并单元，间隔层的二次保护、测量、控制单元，站控层的后台软件也已日益开发完善。数字化变电站实现了过程层设备数字化、间隔层设备网络化。

利用最先进的核心控制器和适应数字化网络发展需要的分布式故障录波器能满足数字化变电站对故障录波器的要求，因此涌现出了数字化的分布式故障录波器，它是数字化变电站和录波器不断发展的共同产物。显然，数字化分布式故障录波器已经成为故障录波器的研究新点和热点，它处于数字化变电站间隔层。1

数字化分布式故障录波器分为采集模块和管理分析模块。采集模块结构它将接收和解析由合并单元送来的IEC61850-9-1/2报文和由保护控制单元的面向通用对象的变电站事件（GOOSE）报文，分别提取采样值数据和开关量数据，另外采集模块具有数据同步、故障录波启动判别、数据存储以及数据通信等功能，其核心控制器多选用DSP或ARM处理器。

数字化分布式故障录波器的管理分析模块它主要实现故障启动定值交互管理，故障数据格式转换，故障录波波形分析及数据通信等功能，这里的数据通信与录波采集模块中数据通信相呼应，利用以太网通信技术完成。管理分析模块的核心控制器多采用ARM处理器。1

故障录波器在电力系统中的应用介绍了故障录波器的原理，以及在电力系统中的作用，分析了电力系统 中 典 型 故 障 的 现 象 及 对 应 的 故 障 波 形 ，通过典型波形的建立，为复杂故障性质的判断和分析提供了有效的手段，运行人员可以参照典型波形的特点，迅速地判断出复杂故障的性质，从而缩短了故障处理的时间，提高了对故障处理的效率。 总结了故障录波器在实际应用中出现的问题，并对其发生的原因进行分析，提出了解决方案。2

故障录波器的结构和工作原理故障录波器是用来记录电力系统中电气量和非电气量以及开关量的自动记录装置。 通过记录和监视系统中模拟量和事件量来对系统中发生的故障和异常等事件生成故障波形，储存并发送至远方主站， 通过分析软件的处理对波形进行分析和计算，从而对故障性质，故障发生点的距离，故障的严重程度进行准确地判断。2

故障录波器的作用故障录波器在电力系统中的作用有以下3种。

第一种为系统发生故障，继电保护装置动作正确，可以通过故障录波器记录下来的电流量电压量对故障线路进行测距，帮助巡线人员尽快找到故障点，及时采取措施，缩短停电时间，减少损失。

第二种情况为线路不明原因跳闸，通过对故障录波器记录的波形进行分析，可以判断出开关跳闸的原因。 从而采取相应措施，将线路恢复送电或者停电检修 ，避免盲目强送造成更大的损失 ，同时为检修策略提供依据。

第三种情况为判断继电保护装置的动作行为。当系统由于继电保护装置误动造成无故障跳闸或系统有故障但保护装置拒动时，就要利用故障录波器中记录的开关量动作情况来判断保护的动作是否正确，并可以据此得出有问题的部分，对于较复杂的故障可以通过记录下来的电流电压量对故障量进行计算，从而对保护进行定量考核。2

故障录波器的主要参数（1） 采样速率：采样速率的高低决定了录波器对高次谐波的记录能力，在系统发生故障之初，故障波形的高次谐波非常严重，因此，为了较真实地记录故障的暂态过程，录波器要有较高的采样速率。电力行业标准规定，故障录波器的采样速率应达到5kHz。但高的采样速率，则要使用较多的存储空间，同时在进行数据传输时，要花费更长的时间，这很不利于故障后的快速分析故障。根据实际使用情况，采样速率一般设定为3200Hz，即每周期采样64 点。

（2） A/D转换位数 ：A/D转换器的位数决定了录波器记录数据的准确度。 对于不同位数的A/D转换器，在量度同一个幅值的模拟量时 ，显然高位数A/D 转换器的每格所代表的值要比低位数A/D转换器小，也就是说分辨率比较高，这样就可以具有较高的精度，保证所有通道采样的一致性。2

（3） 最大故障电流记录能力： 该指标用来保证在系统最大短路电流下能够完整地记录故障过程，不发生削波，同时在极小电流时又要能用一定的精度。该指标有时还影响到录波器启动定值的灵敏度。

（4） 录波记录时间：故障录波器被触发后，将根据事先设定的录波时间采集数据、存储数据。这几个时段有：故障前记录时间，这部分录波数据主要是用来进行故障定位计算时使用。触发时段：这部分录波数据记录的是故障发生的前期过程，含有较多的暂态分量，故障后进行故障定位和其他电气量计算使用的主要是这部分数据。 故障后时段：这个时段主要记录系统在故障结束后系统的情况，这段数据主要关心的是变化过程。2

故障录波器在应用中存在的问题及措施故障录波器在实际应用过程中经常出现保护管理机调不到故障波形的故障，严重影响了故障波形的分析，在系统发生故障时将影响对故障性质的判断，根据现场处理的情况有以下几种原因导致该故障的发生。

（1） 保护管理机与故障录波器之间通信中断。

（2） 保护管理机死机导致死数据。

（3） 故障录波器存储单元损坏。

（4） 故障录波器软件版本低导致数据溢出。

以上原因中保护管理机与故障录波器之间通信中断造成调阅不到波形的次数最多，也是经常困扰运行人员的主要原因。2

经过分析，制定了以下几项措施。

（1） 加强巡视，定期对故障录波器进行手动触发，检验其是否在正常的工作状态，一旦发现工作不正常立即联系处理。

（2） 采用备用方案，在笔记本电脑上安装波形分析软件，在保护管理机不能调阅故障录波器的波形时，采用笔记本电脑调阅方式，对故障进行及时的分析和判断。

（3） 加强培训，利用系统维护的机会，请故障录波器厂家人员现场讲解。

（4） 制定预案，在相关预案中加入故障录波器故障时的应急方案。

通过这些措施实施，故障录波器的故障率得到了降低，从而保证在系统发生故障时第一时间内及时调阅到波形进行分析，提高了事故处理效率。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学