CN108872712A - 中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压并联电容器继电保护技术领域，尤其涉及一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统及方法，包括：采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值；构建中性点不接地场景下并联电容器电路模型，建立中性点不接地场景下考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程；利用电容器运行特征将三相参数轮换对称相等，以数据采集模块采集到的参数作为数据，代入基本方程，得到阻抗初始解，根据判据找出阻抗值正解，由阻抗值正解计算出三相电容值。不依赖电容器接线形式和附加设备提取电容器状态量，可识别故障相，便于检修，计算方法简单，易于实现。

Description

中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统及方法

技术领域

本发明属于高压并联电容器继电保护技术领域，尤其涉及一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统及方法。

背景技术

高压并联电容器作为一种重要的无功电源，对于改善电力系统结构，提高电能质量有着重要的作用。然而，谐波、过电压、频繁投切等恶劣的运行环境造成高压并联电容器故障率较高。高压并联电容器一般布置在变压器中低压侧母线，其故障时相当于变压器中低压出口短路，对变压器会造成较大冲击影响，不利于变压器的安全运行。因此实时、准确把握高压并联电容器的健康状况，避免事故发生有着非常紧迫的必要性。

为了提高并联电容器运行可靠性，对并联电容器的监测保护技术展开了许多深入研究，然而目前针对并联电容器的在线监测方案仍存在一些研究问题，现有的方法忽略了电气设备的根本状态量-电压和电流，而是从设备的外部寻找反应设备状态的参数，存在实时性不高、状态评价不准、需要大量的加装附属设备等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明为了解决中性点不接地场景下无法由三相电压电流计算并联电容器电容值的问题，提出了一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统及方法。

一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统包括：顺序相连的数据采集模块、并联电容器模型建立模块、并联电容器电容值计算模块、结果输出模块；所述数据采集模块用于采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值，并将采集数据发送至并联电容器模型建立模块。

所述并联电容器模型建立模块构建中性点不接地场景下并联电容器电路模型，根据数据采集模块采集到的参数，建立中性点不接地场景下考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程。

所述并联电容器电容值计算模块将三相参数轮换对称相等，以数据采集模块采集到的参数作为数据，代入并联电容器模型建立模块建立的并联电容器基本方程，得到阻抗初始解，根据判据找出阻抗值正解，由阻抗值正解计算出三相电容值。

所述结果输出模块用于输出三相电容值。

一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的方法，包括：

步骤1：数据采集

采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值；

步骤2：并联电容器模型建立

构建中性点不接地场景下并联电容器电路模型，根据数据采集模块采集到的参数，建立中性点不接地场景下考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程；

步骤3：并联电容器电容值计算

利用电容器运行特征将三相参数轮换对称相等，以数据采集模块采集到的参数作为数据，代入并联电容器模型建立模块建立的并联电容器基本方程，得到阻抗初始解，根据判据找出阻抗值正解，由阻抗值正解计算出三相电容值。

步骤4：输出三相电容值。

所述并联电容器三相基本方程如下：

其中，为三相母线电压，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具体包括：

令任意两相参数轮换相等，即将其分别与式(1)联立，得到等值平衡方程进行求解，得到三组各相阻抗解：

条件下，得到解

条件下，得到解

条件下，得到解

选择阻抗变化量最大的一组为阻抗值正解，三相电容值C_A、C_B、C_C的结果为：

其中，L为串联电抗器参数，f为系统频率，为根据等效三相阻抗值选择判据从三组阻抗值初始解中选择出的一组阻抗值正解。

本发明的有益效果在于：

本发明利用电容器运行特征将三相参数轮换对称相等，得到等效三相阻抗值的初始解，在此基础上，提出选择阻抗值正解的判据，并由阻抗值正解计算出三相电容值。本发明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。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。仿真结果表明了该方法的正确性及有效性

附图说明

图1为考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统结构图；

图2为并联电容器中性点不接地情况下接线形式；

图3为并联电容器中性点不接地情况下等效电路；

图4为仿真系统模型；

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；

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；

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；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

图1是本发明提供的考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统结构图，包括顺序相连的数据采集模块、并联电容器模型建立模块、并联电容器电容值计算模块、结果输出模块。

数据采集模块用于采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值，并将采集数据发送至并联电容器模型建立模块。

并联电容器模型建立模块构建中性点不接地场景下并联电容器电路模型，根据数据采集模块采集到的参数，建立中性点不接地场景下考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程。

并联电容器电容值计算模块将三相参数轮换对称相等，以数据采集模块采集到的参数作为数据，代入并联电容器模型建立模块建立的并联电容器基本方程，得到阻抗初始解，根据判据找出阻抗值正解，由阻抗值正解计算出三相电容值。

结果输出模块用于输出三相电容值。

本发明提供的考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统的基本原理为：

1.数据采集模块

数据采集模块的功能是采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值，并将采集数据发送至并联电容器模型建立模块。

2.并联电容器模型建立模块

并联电容器中性点不接地情况下主要存在接线形式有单星型接线和双星型接线如图2所示，无论何种接线形式都可以简化为图3所示，将每相电容器等效为一个阻抗，则并联电容器三相基本方程为：

其中，为三相母线电压，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。

矩阵方程的系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩小于方程的列，矩阵有无穷多解，即无法获得电容器两端电压情况下，仅通过母线电压和三相电流无法求解出三相阻抗。

3.并联电容器电容值计算模块

为避免中性点电压获取带来的困难，仅利用母线电压和相电流，并结合电容器运行特征计算电容值。

电容器正常运行时，三相参数相等；单相故障时，两非故障相参数相等；两相故障时，考虑设备生产厂家、型号相同，运行条件相同，因此故障的两相变化情况相近，两故障相参数保持近似相等；同理，在三相电容器故障的情况下，三相参数近似相等；在运行中，电容器往往首生在某相上发生参数变化。综上，电容器运行特征是必存在两相参数近似相等。因此，将设计制造的每相额定电容值为初始条件，令任意两相参数轮换相等，进行电容器参数的计算。

令任意两相参数轮换相等，即将其分别与式(1)联立，得到等值平衡方程进行求解，可以得到三组各相阻抗解。

条件下，得到解

条件下，得到解

条件下，得到解

在电容器运行初期，三相参数相等，利用该方法求出的三组解相同，将此值记录为

随着电容器的运行，当电容器发生故障或参数改变时， 所得三组解会不相同。

对错误解与正解特征进行研究。经多组计算发现，错误解三相电容值变化量均小于正解条件下电容变化最大相的变化量。对该特征进行验证。

为简化计算，初始条件为三相电压对称分别为三相参数对称情况下三相电流对称，当A相电容值减小，导致A相电流变化为 其中仍为三相对称，与同方向。 存在如下关系。

1)当假设B、C相参数相等(正确条件)，计算结果如下：

已知该种情况下，计算结果正确，B、C相电容值变化量为0，A相电容值减小最多，即变化量最大，取进行比较。

2)当假设A、B相参数相等(错误条件)，计算结果如下：

将式(2)、(3)代入(4)、(5)，用1)中与2)中三相阻抗值分别比较。其中与形式相似，将中所有向量顺时针旋转120°，将分子部分多次放大后，可得说明即1)中A电容值变化量大于2)中C相。与二者取模后之比为说明即1)中A相电容值变化量大于2)中A相，同理可知1)中A相变化量大于2)中B相。

由对称性可知1)中A相变化量也大于A、C相参数相等条件下三相电容值变化量。将a取为负值，同理可得出相同结论。综上可知，当假设相等的两相与实际情况相同时，其中非对称相电容值变化量大于其它两种假设条件下任意相的电容值变化量。根据这一特征，可以将三相参数轮换对称相等，通过寻找电容值变化量最大确定正确假设条件，进而计算出三相电容值正确解。

计算其中为单相阻抗初始值，求出最大的阻抗变化量，确定其所在的j组为三相阻抗正确计算结果，三相电容值C_A、C_B、C_C的结果为：

其中，L为串联电抗器参数，f为系统频率，为根据等效三相阻抗值选择判据从三组阻抗值初始解中选择出的一组阻抗值正解。

4.结果输出模块

输出三相电容值。

实施例

搭建如图4所示的仿真系统模型，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。由图可见，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

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。由图可见，A、B两相电容值计算结果为8.2539μF，实际电容值为8.2626μF，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。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。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的系统，其特征在于，包括：顺序相连的数据采集模块、并联电容器模型建立模块、并联电容器电容值计算模块、结果输出模块；所述数据采集模块用于采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值，并将采集数据发送至并联电容器模型建立模块。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述并联电容器模型建立模块构建中性点不接地场景下并联电容器电路模型，根据数据采集模块采集到的参数，建立中性点不接地场景下考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述并联电容器电容值计算模块将三相参数轮换对称相等，以数据采集模块采集到的参数作为数据，代入并联电容器模型建立模块建立的并联电容器基本方程，得到阻抗初始解，根据判据找出阻抗值正解，由阻抗值正解计算出三相电容值。

4.根据权利要求1～3任一所述系统，其特征在于，所述结果输出模块用于输出三相电容值。

5.一种考虑中性点不接地场景下计算并联电容器电容值的方法，其特征在于，包括：

步骤1：数据采集

采集网络结构参数、三相母线电压、三相电容器电流、系统频率以及包含并联电容器、线路阻抗、串联电抗器后的等效三相阻抗值；

步骤2：并联电容器模型建立

构建中性点不接地场景下并联电容器电路模型，根据数据采集模块采集到的参数，建立中性点不接地场景下考虑电容器运行特征的并联电容器基本方程；

步骤3：并联电容器电容值计算

利用电容器运行特征将三相参数轮换对称相等，以数据采集模块采集到的参数作为数据，代入并联电容器模型建立模块建立的并联电容器基本方程，得到阻抗初始解，根据判据找出阻抗值正解，由阻抗值正解计算出三相电容值。

步骤4：输出三相电容值。

6.根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述并联电容器三相基本方程如下：

其中，为三相母线电压，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。

7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述步骤3具体包括：

令任意两相参数轮换相等，即将其分别与式(1)联立，得到等值平衡方程进行求解，得到三组各相阻抗解：

条件下，得到解

条件下，得到解

条件下，得到解

选择阻抗变化量最大的一组为阻抗值正解，三相电容值C_A、C_B、C_C的结果为：

其中，L为串联电抗器参数，f为系统频率，为根据等效三相阻抗值选择判据从三组阻抗值初始解中选择出的一组阻抗值正解。