作为智能电网建设的一部分,故障录波器集成了传感器技术、通信技术、数据存储和处理技术等,记录电网故障发生时的现场实时数据信息,可用于分析故障起因、定位故障发生位置等,是及时处理故障以减少损失和完善电网配置和管理以避免类似事故再次发生的重要依据。本文主要解决传统录波器设计复杂、系统功能集中负荷大的缺点,设计一套新型分布式低功耗高同步精度的录波指示器系统,同时以GPS和外部晶振产生高精度时钟以实现三相电流的同步采集。本文主要完成了下列工作:首先,根据国内外故障录波器的发展现状,分析故障录波器的性能要求和技术重点,特别是针对传统前后台模式微机型故障录波器可靠性低、难以长期运行、功耗高等缺点,选用意法半导体的STM32L4+系列32位微控制器作为核心,设计一款新型分布式、低功耗、高同步精度的故障录波器,用于智能电网接地故障和短路故障等采样录波监测。录波指示系统由5个模块化终端组成,包括一个监测单元、一个数据汇集单元和三个采集单元。各单元中的GPS、4G、Lo Ra采用模块化设计以便于设计、安装、替换和维修等。在各单元的硬件电路设计中,完成了低功耗微控制器(STM32L4R5ZIT6)外围电路、取电电路、数据采集和存储电路、Lo Ra和4G通讯电路、GPS授时和接口电路、LED故障指示电路等设计工作。其中,采集单元和汇集单元拥有同样的Lo Ra模块,通过Lo Ra局域网实现工况信息、线路低电流、模块电池低电压、参数修改等事件信息交互。云端主站服务器用于接收采集单元的实时数据和发送控制命令到汇集单元。当监测装置发现零序电压异常,可能意味着配网中发生接地故障,它将向云端服务器发送召测指令,由服务器召测各采集节点的录波数据。该系统能够满足中性点接地方式各异的配电网络对于接地故障的监测判断。此外,由于电网数据分析时对各终端设备尤其是三相电流采集单元的同步性要求极高而以往产品的同步采集性能并不甚理想,本文根据全球定位系统(GPS)时钟信号和晶振时钟信号精度互补的特点,将晶振信号作为MCU的时钟源,利用GPS时钟校准MCU定时器产生的1Hz信号实现微秒级高精度时钟,进而实现3个传感器单元对配电网三相电流的精确同步采样,同步误差达到微秒级。再次,在软件功能方面,实现了故障录波器整体功能流程,包括配电网三相电流和变电站零序电压的采集与存储、故障数据和工况信息的召测和上传、Lo Ra和4G通讯交互、故障LED指示、GPS校时和高精度时间戳实现、超级电容和电池低压处理等。最后,完成系统样机调试和功能测试,实验结果表明该故障录波器各模块单元运行正常可靠,功能实现符合设计需求,同步精度达到微秒级。本文所开发的故障录波指示装置具有结构紧凑、环境适应性强、造价低、功耗低、同步精度高等优点,对电力系统的安全运行具有较大的现实意义。