CN107037279A - 一种并联电容器监测系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力系统电容器保护技术领域，尤其涉及一种并联电容器监测系统及其方法。所述系统包括顺序相连的数据收集模块、并联电容器基本方程构造与计算模块、逻辑信息判断模块和结果输出模块。所述方法包括构造考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程，利用支路参数对称轮换的方式求解平衡方程，并选取与初始电容值变化量最大的一组作为正解；比较三相计算电容值与额定值，结合并联电容器组状态检修试验规程规定，并引入外部故障判据，判断电容器是否故障并输出结果；本发明能够正确告警故障相电容器，且不受初始参数偏差和外部故障影响，极大的提升了并联电容器运行的可靠性。

Description

一种并联电容器监测系统及其方法
技术领域
本发明属于电力系统电容器保护技术领域，尤其涉及一种并联电容器监测系统及其方法。
背景技术
并联电容器作为无功电源，具有调节系统电压，改善电能质量的作用。近年来并联电容器组及其无功补偿装置在日常运行中经常出现电容器损坏的现象，电容器装置故障率偏高，并多次发生群爆、群伤故障,导致电网电压明显波动、有功和无功损耗增加、电容器的使用寿命降低、影响电网的安全运行。为了提高并联电容器运行可靠性，有必要对并联电容器的监测保护技术进行了深入研究。
现有的并联电容器的监测保护技术主要分为两类：一类是针对不同容量、电压等级，专门研究保护配置，该类方法保护配置完善，但保护设计与整定较为复杂，成本较高，需根据系统实际工况进行专门研究，这类方法更适用于高电压、大容量的并联电容器保护；另一类研究方法则借助于智能变电站的发展，实现并联电容器的监测功能，如相关学者提出了一种基于SCADA系统的在线监测系统，该方法从SCADA系统中获取母线电压和电容器电流数据，利用电压、电流数据实现电容值实时预警。
发明内容
为实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种并联电容器监测系统，其特征在于，所述系统包括顺序相连的数据收集模块、并联电容器基本方程构造与计算模块、逻辑信息判断模块和结果输出模块；
所述数据采集模块用于采集并联三相电容器母线电压、三相电容器电流、等值三相阻抗值，并将采集的数据发送至并联电容器基本方程构造与计算模块；
所述并联电容器基本方程构造与计算模块用于构建考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程，利用支路参数对称轮换的方式求解平衡方程，并选取与初始电容值变化量最大的一组作为正解，将结果发送至逻辑信息处理模块；
所述逻辑信息判断模块用于比较三相计算电容值与额定值，结合并联电容器组状态检修试验规程规定，并引入外部故障判据，判断电容器是否故障；
所述结果输出模块用于输出判断结果并发出警报。
一种并联电容器监测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：采集数据
数据采集模块采集并联三相电容器母线电压、三相电容器电流、等值三相阻抗值；
步骤2：并联电容器基本方程构造与计算模块构建考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程；
步骤3：求解步骤2中的基本方程
利用支路参数对称轮换的方式求解平衡方程，并选取与初始电容值变化量最大的一组作为正解；
步骤4：故障判断
逻辑信息判断模块根据并联电容器组状态检修试验规程规定，比较三相计算电容值与额定值，引入外部故障判据，判断电容器运行情况；
步骤5：输出结果
结果输出模块在判定并联电容器故障时发出警报。
所述并联电容器基本方程具体表达式为：
式中，为母线电压，为中性点电压，为三相电容器电流，为包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值。
所述步骤3令任意两相参数轮换相等，包括：
步骤301：令得到解
式中，为包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值。
步骤302：令得到解
步骤303：令得到解
步骤304：计算 为单相阻抗初始值，确定j组为三相阻抗正确计算结果。
子步骤105：计算三相电容值
所得结果为：
式中，CA为A相电容值，CB为B相电容值，CC为C相电容值。
所述方法故障判断具体为计算电容值Ck与额定值CO，不满足0.95CO<Ck<1.05CO为条件1，在发生外部故障的情况下，至少有一相电压降至很低，考虑到电压波动和电容器故障可能引起的电压降落，当三相母线任一电压UL>0.85UN为条件2，其中UN为额定电压，同时当满足条件1、2则判断并联电容器发生故障，需进行检修。
有益效果
本发明提出的一种并联电容器监测系统及其方法能够正确告警故障相电容器，且不受初始参数偏差和外部故障影响，极大的提升了并联电容器运行的可靠性。本发明的监测方法适用于多种接线形式的并联电容器，无需测量中性点电压或附加装置提取电容器两端电压，计算结果收初始偏差影响较小，在接受范围内。在智能变电站发展的基础上，实现并联电容器的检测功能，具有以下特点：不依赖电容器接线形式和附加设备提取电容器状态量，有很高的普适性；不会扩大电容器线路初始参数偏差而造成的误差，能保证计算的准确性；在电容器出现故障的情况下，可识别故障相，便于检修。计算方法简单，易于实现。本发明能够正确告警故障相电容器，极大的提升了并联电容器运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的基于等值平衡方程的并联电容器监测系统结构图。
图2是本发明实施方式中电容器等效电路图。
图3是本发明实施方式中监测逻辑框图。
图4是本发明示例实施方式中的仿真电路图。
图5是本发明示例实施方式中的A相内部故障仿真结果。
图6是本发明示例实施方式中的AB相内部故障仿真结果。
图7是本发明示例实施方式中的C相内部故障仿真结果。
图8是本发明示例实施方式中的A相接地故障仿真结果。
图9是本发明示例实施方式中的AB相接地故障仿真结果。
具体实施方式
本发明提出的一种并联电容器监测系统及其方法。图1是本发明提供的基于等值平衡方程的并联电容器监测系统结构图，如图1所示，本系统包括数据收集模块、并联电容器基本方程构造与计算模块、逻辑信息判断模块和结果输出模块；
数据采集模块用于采集并联三相电容器母线电压、三相电容器电流、等值三相阻抗值，并将数据发送至并联电容器基本方程构造与计算模块，等效电路图中各数据具体如图2所示。
并联电容器基本方程构造与计算模块用于构造考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程，利用支路参数对称轮换的方式求解平衡方程，并选取与初始电容值变化量最大的一组作为正解，将结果发送至逻辑信息处理模块。
逻辑信息判断模块用于比较三相计算电容值与额定值，结合并联电容器组状态检修试验规程规定，并引入外部故障判据，判断电容器是否故障。
结果输出模块用于输出判断结果并发出警报。
本发明提供的基于等值平衡方程的并联电容器监测系统的基本原理为：
1.数据采集模块
数据采集模块采集母线电压采集三相电容器电流采集包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值
2.并联电容器基本方程构造与计算模块
构造并联电容器三相基本方程如下：
考虑电容器运行特征是必存在两相参数近似相等。因此增加初始条件，令任意两相参数轮换相等并与三相基本方程联立，进行电容器参数的计算。条件下，得到解条件下，得到解条件下，得到解因错误的初始条件会令故障相和非故障相参数相等，使得计算出的电容值变化量变小，正确的初始条件下，计算出的故障相电容值变化量最大，利用这个特点确定正解。
计算 为单相阻抗初始值，确定j组为三相阻抗正确计算结果，三相电容值CA、CC、CB的结果为：
式中，f为电力系统运行频率，L已知的串联电抗器参数。
3.逻辑信息判断模块
考虑到正常的波动与计算误差，并结合根据并联电容器组状态检修试验规程规定，当计算电容值Ck与额定值CO，不满足0.95CO<Ck<1.05CO，认为并联电容器发生故障，需进行检修。考虑到外部故障等同于母线故障可由母线保护动作，应避免外部故障对电容器监测的影响，为避免外部故障造成的影响，引进外部故障的判据，在发生外部故障的情况下，至少有一相电压降至很低，考虑到电压波动和电容器故障可能引起的电压降落，当三相母线任一电压UL<0.85UN时，UN为额定电压，判定该相为短路故障，由保护进行处理，不进行电容器故障的监测。三相监测判据如图3所示。
4.结果输出模块
输出判断结果，判定并联电容器故障时发出警报。
图4是本发明示例实施方式中的仿真电路图，利用PSCAD/EMTDC仿真软件对该系统进行仿真分析。按照10kV变电站电容器布置图，选择母线电压为10kV，线路电阻为10Ω，并联电容器按照单星形接线，电容值为8.79μF，串联电抗器按5％选择57.6mH。
图5为三相电压对称的情况下，A相并联电容器电容值减小6％时的计算结果。从图中可以看出，正确识别出A相电容值变化超出规程，发出警报。电容值计算结果为8.2647μF，实际电容值为8.2626μF，相对误差不到0.03％，计算值与实际值较为接近，可判断出A相异常并发出警报。
图6为三相电压对称的情况下，A、B相并联电容器电容值均减小6％时的计算结果。从图中可以看出，本方法能够正确识别出A、B相电容量变化超出规程，发出警报。A、B两相电容值计算结果为8.2539μF，实际电容值为8.2626 μF，相对误差较小，仅为0.1％。
图7为三相电压对称的情况下，A、B、C三相并联电容器电容值相较额定值分别减小1％、3％、6％时的计算结果。从图中可以看出，在初始参数存在偏离，但偏离程度不严重的情况下，仍可正确识别出C相电容量变化超出规程，发出警报。A、B相电容值计算结果为8.6142μF，实际电容值分别为8.7021μF、8.5263μF，相对误差分别为1.01％、1.03％，C相电容值计算结果为8.2652μF，实际电容值为8.2626μF，相对误差为0.03％。正常相A、B因为初始偏差造成计算结果存在一定误差，但在可接受范围内，故障相C相电容值仍计算精确，正确识别出异常发出警报。
从上述几个结果可以看出，针对电容器故障，可以准确识别出故障初期电容值的变化，电容器初始参数存在偏差仍可保证计算准确。当电容值变化超出巡检规程后发出警报，并可以准确地辨别出故障相，方便检修。
图8为单相接地故障情况下，电容器正常运行，从图中可以看出，故障前和故障后电容值存在凸起，是因为在计算电流电压时，一个周波内短路引发突变，在故障中电容值稳定，其计算值为189.3μF，因为当短路时，计算阻抗极小，造成计算电容值远远大于正常值，但在短路故障时，母线电压跌落，低电压判据启动，不再进行电容器故障监测，警报没有发生误动。
图9为A、B相接地故障情况下，电容器正常运行，从图中可以看出，情况与A相单相接地故障类似，在故障中A、B相电容值的计算值均为189.3μF，A、B两相低电压判据都启动，两相都不再进行电容器故障监测，未发生误动。
从上述几个结果可以看出，针对电容器外部故障，等同于母线故障，不再进行电容器故障监测，警报没有发生误动，由保护对故障进行切除。
电容器各种故障结果汇总如表1，该方法能正确识别出电容器内部故障并发出警报，并确认相别方便检修，外部故障警报不发生误动，由相应保护动作。
表1
本发明所提出基于等值平衡方程的并联电容器监测系统及其方法，在智能变电站发展的基础上，实现并联电容器的检测功能，具有以下特点：不依赖电容器接线形式和附加设备提取电容器状态量，有很高的普适性；不会扩大电容器线路初始参数偏差而造成的误差，可保证计算的准确性；在电容器出现故障的情况下，可识别故障相，便于检修。计算方法简单，易于实现。本发明能够正确告警故障相电容器，极大的提升了并联电容器运行的可靠性。

Claims (5)

1.一种并联电容器监测系统，其特征在于，所述系统包括顺序相连的数据收集模块、并联电容器基本方程构造与计算模块、逻辑信息判断模块和结果输出模块；
所述数据采集模块用于采集并联三相电容器母线电压、三相电容器电流、等值三相阻抗值，并将采集的数据发送至并联电容器基本方程构造与计算模块；
所述并联电容器基本方程构造与计算模块用于构建考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程，利用支路参数对称轮换的方式求解平衡方程，并选取与初始电容值变化量最大的一组作为正解，将结果发送至逻辑信息处理模块；
所述逻辑信息判断模块用于比较三相计算电容值与额定值，结合并联电容器组状态检修试验规程规定，并引入外部故障判据，判断电容器是否故障；
所述结果输出模块用于输出判断结果并发出警报。
2.基于权利要求1所述并联电容器监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：采集数据
数据采集模块采集并联三相电容器母线电压、三相电容器电流、等值三相阻抗值；
步骤2：并联电容器基本方程构造与计算模块构建考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程；
步骤3：求解步骤2中的基本方程
利用支路参数对称轮换的方式求解平衡方程，并选取与初始电容值变化量最大的一组作为正解；
步骤4：故障判断
逻辑信息判断模块根据并联电容器组状态检修试验规程规定，比较三相计算电容值与额定值，引入外部故障判据，判断电容器运行情况；
步骤5：输出结果
结果输出模块在判定并联电容器故障时发出警报。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述并联电容器基本方程为
式中，为母线电压，为中性点电压，为三相电容器电流，分别为包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值。
4.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，步骤3令任意两相参数轮换相等，包括：
步骤301：令得到解
式中，为包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值；
步骤302：令得到解
步骤303：令得到解
步骤304：计算 为单相阻抗初始值，确定j组为三相阻抗正确计算结果。
步骤305：计算三相电容值
式中，CA为A相电容值，CB为B相电容值，CC为C相电容值。
5.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述步骤4中故障判断具体过程为
计算电容值Ck与额定值C0，不满足0.95C0<Ck<1.05C0为条件1，在发生外部故障的情况下，至少有一相电压降至很低，当三相母线任一电压UL>0.85UN为条件2，其中UN为额定电压，同时当满足条件1、2则判断并联电容器发生故障，需进行检修。
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