CN103219801A - 一种具有容量监测功能的电力电容器组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有容量监测功能的电力电容器组，包括多个电力电容器和一主控处理单元；电力电容器连接有电压电流检测单元；电压电流检测单元包括信号采集模块、采样处理模块和射频发送模块；主控处理单元包括射频接收模块、数据处理模块和显示模块。本发明通过实时监测各个电力电容器的电容量短期变化特性和长期变化趋势，可以有效诊断出每个电力电容器的工作状况和故障现象，从而提早采取有效措施排除故障隐患，避免故障蔓延导致重大事故的发生；同时本发明采用无线射频的数据传输方式，避免了高电压侧和低电压侧的直接电气连接，具有良好的高压隔离功能和实际使用价值。

Description

一种具有容量监测功能的电力电容器组

技术领域

本发明属于电力系统监测技术领域，具体涉及一种具有容量监测功能的电力电容器组。

背景技术

电力电容器是电力系统的重要元件，通常用于电力系统的无功补偿、谐波滤波、改善电能质量等。电力电容器在电力系统中实际运行时，根据不同的电压等级和需要补偿的容量，通常将多个电力电容器采用各种不同的方式串并联后才投入实际运行。串并联后的电力电容器组在运行过程中，经常会因为过载、过热、谐波、绝缘击穿、工艺缺陷等原因而损坏，严重时甚至造成烧毁或爆炸，极大地威胁人身和设备财产安全。

在电力电容器发生重大故障前，其容量变化是必然现象。通常的电力电容器在线监测系统，由于电容器数量、传感器安装、高低压隔离及其检测信号引线等难题，都是针对整组电容器进行的监测。专利公开号为CN202533531的中国专利提出了一种电容器成套设备的智能监测装置，该智能监测装置包括DSP数字处理模块、电压采样模块、电流采样模块、温度采样模块、显示交互模块和通信接口模块，电压采样模块和电流采样模块分别通过电压传感器和电流传感器采集电容器成套设备的输出电压电流信号；该监测装置能够实时观察电容器成套设备的工作状况、故障现象和故障位置，为分析电容器成套设备的性能和容量变化、研究内部各组电容器和电抗器的损坏机理奠定了基础。

但上述监测系统很难发现单个电容器的容量变化、故障趋势和缺陷定位，因此，这种监测系统只有在发现整组电容器有故障现象时，再进行停电检测，逐个寻找和排查故障电容器。另一方面，这种监测系统由于需要在现场安装各种电压电流传感器，并落实这些传感器的二次走线，这必将导致现场原有的高压绝缘设计的改变，从而影响电力设备和元件的安全与稳定运行。因此，这种监测系统较难被电力用户的认可和大范围推广使用。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有容量监测功能的电力电容器组，能够检测出电力电容器组中各电容器的实际容量及其容量的精确变化量。

一种具有容量监测功能的电力电容器组，包括多个电力电容器和一主控处理单元；所述的电力电容器连接有电压电流检测单元；其中：

所述的电压电流检测单元用于实时检测获得电力电容器的电压数据和电流数据，并将这些数据发送给主控处理单元；

所述的主控处理单元用于接收各电力电容器的电压数据和电流数据，实时计算出各电力电容器的容量以及容量的变化量并进行显示。

所述的电压电流检测单元包括：

信号采集模块，用于采集电力电容器两端的电压信号以及流过电力电容器的电流信号；信号采集模块与电力电容器连接；

采样处理模块，用于对所述的电压信号和电流信号依次进行信号调理、离散化处理、傅里叶变换以及参数运算后，输出电力电容器的电压数据和电流数据；采样处理模块与信号采集模块连接。

所述的电压电流检测单元可与电力电容器封装于一体或单独安装于电力电容器上。

所述的主控处理单元包括：

数据处理模块，用于接收各电力电容器的电压数据和电流数据，实时计算出各电力电容器的容量以及容量的变化量；

显示模块，用于对各电力电容器容量及容量的变化量进行显示；显示模块与数据处理模块连接。

优选地，所述的采样处理模块通过射频发送模块将电力电容器的电压数据和电流数据无线传输给主控处理单元；射频发送模块用于将电压数据和电流数据进行射频调制后无线传输给主控处理单元；避免了高电压侧和低电压侧的直接电气连接，具有良好的高压隔离功能和实际使用价值。

优选地，所述的数据处理模块通过射频接收模块无线接收各电力电容器的电压数据和电流数据；射频接收模块用于无线接收各电力电容器的经射频发送模块射频调制后电压数据和电流数据，并对这些数据进行射频解调后传送给数据处理模块；避免了高电压侧和低电压侧的直接电气连接，具有良好的高压隔离功能和实际使用价值。

所述的信号采集模块包括电阻分压电路、电流取样电路和信号采集电路；所述的电阻分压电路与电力电容器并联，所述的电流取样电路设于电力电容器的低压端，所述的信号采集电路与电阻分压电路、电流取样电路和采样处理模块相连。

所述的电阻分压电路由两个电阻R1～R2组成；其中，电阻R1的一端与电力电容器的高压端相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电力电容器的低压端相连，电阻R2两端与信号采集电路相连。

所述的电阻R1采用高压电阻，所述的电阻R2采用低压电阻；电阻R2两端的电压即可表示电力电容器两端的电压信号。

所述的电流取样电路由一穿芯线圈构建，电力电容器低压端的引出线穿过所述的穿芯线圈，穿芯线圈两端与信号采集电路相连；穿芯线圈两端的电压即可表示流过电力电容器的电流信号。

优选地，所述的数据处理模块连接有报警模块，当任一电力电容器的容量变化量超过预设的变化量阈值时，则数据处理模块向报警模块发送报警信号，报警模块根据所述的报警信号进行声光报警；在故障情况下能够及时提醒用户停机进行故障检测。

优选地，所述的数据处理模块连接有图表转换模块，所述的图表转换模块用于将数据处理模块计算输出关于各电力电容器容量以及容量变化量的数据转换为图表形式，并通过显示模块进行显示；能够为用户提供可视化的监测体现。

优选地，所述的数据处理模块连接有存储模块，所述的存储模块用于存储数据处理模块计算输出关于各电力电容器容量以及容量变化量的数据；以备用户查看和记录。

本发明的电力电容器组通过安装在各待监测电力电容器上的电压电流检测单元实时采样、计算出这些电容器的基波电压电流数据，再通过无线射频方式分别把这些数据传到较远处射频接收模块；当射频接收模块接收到这些数据后，通过独立计算、分析和比较，便可获得各个电力电容器的实际电容容量及其电容容量的精确变化量。

本发明通过实时监测各个电力电容器的电容量短期变化特性和长期变化趋势，可以有效诊断出每个电力电容器的工作状况和故障现象，从而提早采取有效措施排除故障隐患，避免故障蔓延导致重大事故的发生，具有重要现实意义；同时本发明采用无线射频的数据传输方式，避免了高电压侧和低电压侧的直接电气连接，具有良好的高压隔离功能和实际使用价值。

附图说明

图1为本发明电力电容器组的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种具有容量监测功能的电力电容器组，包括60个电力电容器C₁～C₆₀和一主控处理单元，每个电力电容器均连接有电压电流检测单元，电力电容器的额定电压为6000V，额定电流为50A。

电压电流检测单元包括信号采集模块、采样处理模块和射频发送模块；其中：

信号采集模块用于采集电力电容器两端的电压信号以及流过电力电容器的电流信号；本实施方式中，信号采集模块由电阻分压电路、电流取样电路和信号采集电路组成；电阻分压电路由两个电阻R1～R2组成；其中，电阻R1的一端与电力电容器的高压端相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电力电容器的低压端相连，电阻R2两端与信号采集电路相连；电流取样电路由一穿芯线圈L构建，电力电容器低压端的引出线穿过穿芯线圈L，穿芯线圈L两端与信号采集电路相连；信号采集电路的输出端与采样处理模块连接；本实施方式中，信号采集电路由两个跟随器（采用运算放大器）构建，从电阻分压电路得到的电压信号经一跟随器后送入采样处理模块；从穿芯线圈L得到的电流信号由一电阻变换成电压信号再经另一跟随器后送入采样处理模块。

本实施方式中，电阻R1选用20MΩ的高压电阻，电阻R2采用10kΩ的金属膜电阻，穿芯线圈L绕制圈数为100圈；电阻R2两端的电压即可表示电力电容器两端的电压信号，穿芯线圈两端的电压即可表示流过电力电容器的电流信号。

采样处理模块与信号采集模块连接，其用于对信号采集模块采集到的电压信号和电流信号依次进行信号调理、离散化处理、傅里叶变换以及参数运算后，输出电力电容器的电压数据和电流数据；本实施方式中，采样处理模块采用型号为STM32F407VGT6的单片机。其中，信号调理就是将电压电流信号经过滤波和适当放大后，使其幅度满足后续离散化（A/D转换）的要求，A/D转换完成电压电流信号的数字化，这些数字化信号再经同步化处理，即可进行参数运算，如可以通过傅里叶变换运算获得基波电压和基波电流数据，经过RMS（方均根）运算可以获得电压和电流有效值数据。

射频发送模块与采样处理模块连接，其用于将采样处理模块输出的电压数据和电流数据进行射频调制后无线传输给主控处理单元；本实施方式中，射频发送模块采用型号为RF24L01的射频收发芯片。

主控处理单元包括射频接收模块、数据处理模块、显示模块、报警模块、图表转换模块和存储模块；其中：

射频接收模块与数据处理模块连接，其用于无线接收各电力电容器的经射频发送模块射频调制后电压数据和电流数据，并对这些数据进行射频解调后传送给数据处理模块；本实施方式中，射频接收模块采用型号为RF24L01的射频收发芯片。

数据处理模块用于接收各电力电容器的电压数据和电流数据，根据以下公式实时计算出各电力电容器的容量以及容量的变化量；本实施方式中，数据处理模块采用型号为STM32F407VGT6的单片机。

$C=\frac{{10}^6{I}_1}{2\mathrm{\πf}{V}_1}$ ${\mathrm{\η}}_C=\frac{C_0-C_1}{C_0}\×100$

其中：C为电力电容器容量（单位为μF），V₁为电力电容器两端的基波电压，I₁为流过电力电容器的基波电流，f是电网频率，η_C为容量变化量，C₀是电容器容量的整定值，C₁是电容器容量的测量值。

报警模块与数据处理模块连接，当任一电力电容器的容量变化量超过预设的变化量阈值（本实施例中该变化量阈值预设为2.9%）时，则数据处理模块向报警模块发送报警信号，报警模块根据报警信号进行声光报警；本实施方式中，报警模块采用蜂鸣器。

存储模块与数据处理模块连接，其用于存储数据处理模块计算输出关于各电力电容器容量以及容量变化量的历史数据；本实施方式中，存储模块采用型号为K9F5608U0M-YCB0的存储芯片；

图表转换模块与数据处理模块连接，其用于将数据处理模块计算输出关于各电力电容器容量以及容量变化量的数据转换为图表形式，并通过显示模块进行显示；本实施方式中，图表转换模块通过在单片机平台下编程实现。

显示模块与数据处理模块和图表转换模块，其用于对各电力电容器容量以及容量变化量的数据及其图表进行显示；本实施方式中，显示模块采用LCD显示屏。

上述的对本实施方式的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对本实施方式做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施方式中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施方式，本领域技术人员根据本发明的解释，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有容量监测功能的电力电容器组，其特征在于：包括多个电力电容器和一主控处理单元；所述的电力电容器连接有电压电流检测单元；其中：

所述的电压电流检测单元用于实时检测获得电力电容器的电压数据和电流数据，并将这些数据发送给主控处理单元；

所述的主控处理单元用于接收各电力电容器的电压数据和电流数据，实时计算出各电力电容器的容量以及容量的变化量并进行显示。

2.根据权利要求1所述的电力电容器组，其特征在于：所述的电压电流检测单元包括：

信号采集模块，用于采集电力电容器两端的电压信号以及流过电力电容器的电流信号；

采样处理模块，用于对所述的电压信号和电流信号依次进行信号调理、离散化处理、傅里叶变换以及参数运算后，输出电力电容器的电压数据和电流数据。

3.根据权利要求2所述的电力电容器组，其特征在于：所述的主控处理单元包括：

数据处理模块，用于接收各电力电容器的电压数据和电流数据，实时计算出各电力电容器的容量以及容量的变化量；

显示模块，用于对各电力电容器的容量以及容量的变化量进行显示。

4.根据权利要求3所述的电力电容器组，其特征在于：所述的采样处理模块通过射频发送模块将电力电容器的电压数据和电流数据无线传输给主控处理单元；所述的数据处理模块通过射频接收模块无线接收各电力电容器的电压数据和电流数据。

5.根据权利要求2所述的电力电容器组，其特征在于：所述的信号采集模块包括电阻分压电路、电流取样电路和信号采集电路；所述的电阻分压电路与电力电容器并联，所述的电流取样电路设于电力电容器的低压端，所述的信号采集电路与电阻分压电路、电流取样电路和采样处理模块相连。

6.根据权利要求5所述的电力电容器组，其特征在于：所述的电阻分压电路由两个电阻R1～R2组成；其中，电阻R1的一端与电力电容器的高压端相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电力电容器的低压端相连，电阻R2两端与信号采集电路相连。

7.根据权利要求5所述的电力电容器组，其特征在于：所述的电流取样电路由一穿芯线圈构建，电力电容器低压端的引出线穿过所述的穿芯线圈，穿芯线圈两端与信号采集电路相连。

8.根据权利要求3所述的电力电容器组，其特征在于：所述的数据处理模块连接有报警模块，当任一电力电容器的容量变化量超过预设的变化量阈值时，则数据处理模块向报警模块发送报警信号，报警模块根据所述的报警信号进行声光报警。

9.根据权利要求3所述的电力电容器组，其特征在于：所述的数据处理模块连接有图表转换模块，所述的图表转换模块用于将数据处理模块计算输出关于各电力电容器容量以及容量变化量的数据转换为图表形式，并通过显示模块进行显示。

10.根据权利要求3所述的电力电容器组，其特征在于：所述的数据处理模块连接有存储模块，所述的存储模块用于存储数据处理模块计算输出关于各电力电容器容量以及容量变化量的数据。

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