CN109212364A - 一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，包括以下步骤：对并联电容器组中各电容器的电压和电流进行监测，将各电容器的电压和电流发送至数据中心，根据采集的各电容器的电压和电流数据以及预先建立的数学分析模型得出电流离散突变率和电容离散突变率，分别与电流离散突变率整定值和电容离散突变率整定值进行对比，当超出各自整定值时，则发出报警及对比数据；通过监测电流离散突变率和电容离散突变率，兼顾了故障预警装置的可靠性和灵敏度，增加报警延时期，用于再次确定是否需要报警，提高了报警的准确性，防止出现误报和漏报现象，同时提供多组对比数据供工人判断，提高了报警的准确性，减少不必要的人力物力的浪费。

Description

一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法

技术领域

本发明涉及在线监测领域，特别涉及一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法。

背景技术

并联电容器成套装置广泛应用于电力系统的无功功率补偿，一般安装在变电站内采用集中补偿。随着电网规模的日益扩大和负荷需求的不断增加，系统对其电压及无功的调节越来越频繁，并联电容器成套装置的安全运行对于整个电力系统的无功功率平衡、供电电压稳定起着非常重要的作用。

并联电容器成套装置包括并联电容器组、串联电抗器、放电线圈、避雷器、隔离开关、接地刀闸等电气设备，采用硬质铜排相互连接，经高压电缆接入主电网。其中，并联电容器组通常采用框架式结构，每相由多台电容器单元并联组成，每台电容器单元内部包含若干个电容元件。通常情况下，每台电容器单元及其内部每个元件承担的电压、电流是均衡的，当某台电容器单元某个电容元件因质量不佳、绝缘老化、不良工况等原因发生故障后，其余正常元件及正常电容器单元承担的电压、电流将高于原值，从而使正常元件及电容器单元更易发生故障，进而造成连锁反应，当故障持续发展并严重到一定程度时，整组电容器将在运维检修人员没有预知的情况下被强制切除，引发无功失衡及电压波动，影响电网供电质量，对诸如精密制造、化纤加弹等供电质量敏感客户的正常生产造成不利影响。

此外，当电容器单元内部故障累计到一定程度后，其外在表现形式往往趋于猛烈，甚至发生爆炸、起火等严重事故，其他正常电容器单元可能会因受冲击而损坏，从而扩大了事故的范围，增加了抢修耗时及修理费用。

因此，通过对并联电容器组进行在线监测，在故障早期阶段(电容器单元内部少量元件故障，但严重程度尚不足以引发整组设备被强制切除)，及时识别并发出故障，有利于技术人员开展计划性检修，一方面能够提前采取预防措施(如改变电网运行方式、接入备用电容器组、敏感客户电压波动预警等)，减少对用户供电质量和安全生产的影响，另一方面能够将电容器组故障程度控制在较小范围内，防止事故扩大化，从而降低更新改造的费用。

单台电容器内部少量元件故障时，最直接的表现是电容量的瞬间增大或减小，并进而导致其余状态量发生变化，然而，故障早期阶段，由于电容量变化较小，各类状态量的变化情况并不明显。与此同时，电网电压、谐波、温度的波动同样有可能导致包括电容量在内的各状态量在一定区间内变化，如何排除干扰、确认该变化系电容器故障导致，进而防止误报警或漏报警，一直是并联电容器早期故障预警的难点。

现有的各类预警方法往往是基于每台电容器电容值均为额定值的理想条件，根据其内部元件故障时，各状态量的变化情况进行预测，然而，由于在计算过程中未考虑各电容器单元存在的出厂偏差，以及运行条件对电容值的影响，或是无法排除干扰因素，在外界条件波动而电容器正常运行时误报警，或是为了躲开该波动，人为提高报警阈值，造成早期故障漏报警，从而无法兼顾可靠性和灵敏度，造成不必要的人力和物力浪费。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，包括以下步骤：

对并联电容器组中各电容器的电压和电流进行监测，将各电容器的电压和电流发送至数据中心，根据采集的各电容器的电压和电流数据以及预先建立的数学分析模型得出电流离散突变率和电容离散突变率，分别与电流离散突变率整定值和电容离散突变率整定值进行对比，当电流离散突变率大于等于电流离散突变率整定值，则发出报警及对比数据；当电容离散突变率大于等于电容离散突变率整定值，则发出报警及对比数据。其中，

电流离散突变率的数学模型为其中，为电容器台电流的标准差实时值，σ_{I_base}为上一时刻的电容器台电流标准差，I_{t_i}为台电流，为所有台电流的平均值，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数；

通过公式计算得出台电容，其中I_{t_i}为流经每台电容器的电流(基波)，U_{t_i}为每台电容器的端电压(基波)，f为测得的电网实时频率。

电容离散突变率的数学模型为其中，为电容器台电容的标准差实时值，σ_{C_base}为上一时刻的电容器台电容标准差，C_{t_i}为台电容，为所有台电容的平均值，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数。

进一步地，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的电流离散突变率超出电流离散突变率整定值时，锁定σ_{I_base}为上一时刻的台电流标准差，在报警延时期内通过电流离散突变率的数学模型计算报警延时期内的台电流标准差及电流离散突变率，如果始终超出电流离散突变率整定值，则发出报警；若延时期间低于电流离散突变率整定值，则解除锁定，并在下次计算Δσ_I时更新σ_{I_base}为本次台电流标准差。

进一步地，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的电容离散突变率超出电容离散突变率整定值时，锁定σ_{C_base}为上一时刻的台电容标准差，在报警延时期内通过电容离散突变率的数学模型计算报警延时期内的台电容标准差及电容离散突变率，如果始终超出电容离散突变率整定值，则发出报警；若延时期间低于电容离散突变率整定值，则解除锁定，并在下次计算Δσ_C时更新σ_{C_base}为本次台电容标准差。

进一步地，测得的电压和电流通过滤波去除干扰后通过预先建立的数学分析模型得出电流离散突变率和电容离散突变率。

进一步地，所述采样周期和报警延时期可人为设定，采样周期的设定范围为0.2秒～10秒，报警延时期的设定范围为1秒～60秒。

本发明取得的有益效果：

电流离散突变率和电容离散突变率分别基于台电流和台电容的标准差作为判别依据，反映了内部元件故障前后各电容器单元运行状态的均匀程度，能够排除电网电压、谐波、温度等共性干扰对判别结果的影响，提高了在线监测的可靠性，并且，相较于电流离散突变率，电容离散突变率进一步排除了三相电压差异的影响，在提升布设成本的同时，测试结果的准确度更高。

另一方面，相较于其他状态量，故障前后的台电流和台电容标准差变化更大，有利于发现并识别早期故障，提高了检测的灵敏度，并通过设置报警延时期，实现了对电流离散突变率和电容离散突变率的复检，避免了误报警和漏报警，同时满足了并联电容器早期故障预警装置要求的可靠性和灵敏度，提高了报警的准确性，减少了不必要的人力和物力浪费。

附图说明

图1为电容和电流离散度采样示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种并联电容检测方法，如图1所示，电压传感器并联入电路，电流传感器串联入电路中；包括以下步骤：

1)对并联电容器组中各电容器进行电压和电流进行监测，通常使用电压传感器和电流传感器直接连接入电路中进行测量，

2)将测量的电压值与电流值发送至数据中心，根据采集的各电容器的电压和电流数据以及预先建立的数学分析模型得出电流离散突变率和电容离散突变率，分别与电流离散突变率整定值和电容离散突变率整定值进行对比，当电流离散突变率大于等于电流离散突变率整定值，则发出报警及对比数据；当电容离散突变率大于等于电容离散突变率整定值，则发出报警及对比数据；

优选的，测量出来的电压值与电流值通过滤波去除干扰后再通过预定数学分析模型进行计算，这样能够提高数据的准确性。其中，滤波包括硬件滤波和软件滤波，将测量的电压值与电流值通过谐波分析仪进行硬件滤波，而后通过数据中心进行软件滤波，从而保证参与后续计算的电压、电流均为频率与主电网相一致的基波分量。其中，采样周期和报警延时期可通过操作人员进行更改，采样周期的设定范围为0.2秒～10秒，报警延时期的设定范围为1秒～60秒。

电流离散突变率的数学模型为其中，为电容器台电流的标准差实时值，σ_{I_base}为上一时刻的电容器台电流的标准差，I_{t_i}为台电流，为所有台电流的平均值，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数；

电容离散突变率的数学模型为其中，为电容器台电容的标准差实时值，σ_{C_base}为上一时刻的电容器台电容标准差，C_{t_i}为台电容，为所有台电容的平均值，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数。

台电容利用台电流、端电压以及电网实时频率通过公式进行计算，在此不再赘述。

为了进一步提高报警的准确率，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的电流离散突变率超出电流离散突变率整定值时，锁定σ_{I_base}为上一时刻的台电流标准差，在报警延时期内通过电流离散突变率的数学模型计算报警延时期内的台电流标准差及电流离散突变率，如果始终超出电流离散突变率整定值，则发出报警；若延时期间低于电流离散突变率整定值，则解除锁定，并在下次计算Δσ_I时更新σ_{I_base}为本次台电流标准差。

当某次测得的电容离散突变率超出电容离散突变率整定值时，锁定σ_{C_base}为上一时刻的台电容标准差，在报警延时期内通过电容离散突变率的数学模型计算报警延时期内的台电容标准差及电容离散突变率，如果始终超出电容离散突变率整定值，则发出报警；若延时期间低于电容离散突变率整定值，则解除锁定，并在下次计算Δσ_C时更新σ_{C_base}为本次台电容标准差。

在一具体实施例中，设定采样周期为5秒，报警延时期为30秒，电压和电流每5秒测量一次，电容器单元内部元件故障前，各电容器单元的电容量(即“台电容”)基本相当，虽略有差异但总体分布均匀，台电容标准差σ_C0很小，当某台电容器单元内部元件故障后，该电容器单元电容量突变，总体均匀程度降低，台电容标准差增大，若电容离散突变率超出电容离散突变率整定值，开启报警延时并锁定σ_{C_base}为σ_C0，记报警延时期间测量的台电流标准差依次为σ_C1、σ_C2、σ_C3、σ_C4、σ_C5、σ_C6，代入电容离散突变率的数学模型，计算得到Δσ_C1、Δσ_C2、Δσ_C3、Δσ_C4、Δσ_C5、Δσ_C6，如果在30秒的报警延时期内，每次采样计算得出的Δσ_C1、Δσ_C2、Δσ_C3、Δσ_C4、Δσ_C5、Δσ_C6均超出电流离散突变率整定值，则发出报警信号。

如果在报警延时期内某次采样得出的电容离散突变率低于电容离散突变率整定值，则不发出报警，重新进入监测，σ_{C_base}实时更新为当次值，不被锁定，直至下次满足报警条件时重新计时。以前述过程为例，假如第5次采样时得出的Δσ_C5小于电容离散突变率整定值，则σ_{C_base}解除锁定，并更新为σ_C5，下次采样计算时，若Δσ_C6依然小于电容离散突变率整定值，则σ_{C_base}更新为σ_C6，直至下次电容离散突变率超出电容离散突变率整定值，重新开启报警延时并锁定σ_{C_base}值。

同样的，电流离散突变率在报警延时期内以同样方式进行计算，如果各时间点得出的电流离散突变率均超出电流离散突变率整定值，则发出报警。如果在报警延时期内低于电流离散突变率整定值，则不发出报警，重新进入监测，σ_{I_base}实时更新，解除锁定。通过设置报警延时期，并在报警延时期内锁定σ_{I_base}和σ_{C_base}，能够剔除单次测量误差或偶发外界干扰对判别结果的影响，实现对电流离散突变率和电容离散突变率的复检，提高了装置的可靠性和准确性，防止出现误报警和漏报警现象。

根据内部结构的不同，电容器单元分为有内熔丝和无内熔丝两种形式，其中，有内熔丝电容器单元内部故障时造成的电容量相对变化更小，其故障检测和识别难度也更高，为了充分体现本方法在故障检测可靠性和灵敏度方面的优点，以下以某变电站10kV并联电容器成套装置(有内熔丝)为例作详细说明，该成套装置各主要设备参数如表1所示。按照故障严重程度为单台电容器单元内部切除1个元件，设定电容离散突变率整定值和电流离散突变率整定值均为50％。

表1某变电站10kV并联电容器成套装置主要设备参数

该并联电容器成套装置中，并联电容器组由12台电容器单元构成(每相4台)，各电容器单元的初始电容值如表2所示，例如，B相#4号电容器单元(简称B4电容器单元或B4)的初始电容值为31.44uF。

表2并联电容器组各电容器单元初始电容值(单位：uF)

故障发生前，反映并联电容器组运行情况的各主要状态参量，如电容器单元出线端子间的电压(简称端电压)、流经每台电容器单元的电流(简称台电流)、相电容、相电流、自振频率、台电容标准差σ_{C_base}、台电流标准差σ_{I_base}等如表3所示。

表3故障前并联电容器组主要状态参量

当某台电容器单元内部切除1个元件时，故障电容器单元电容量将突变，并进而导致包括台电流、端电压等在内的其余状态量发生改变，故障后的各状态参量如表4所示。

表4A1～C4分别切除1个内部元件时的并联电容器组主要状态参量

与故障前相比，各状态量的平均相对变化率如表5所示。其中，台电容标准差突变率(即电容离散突变率)和台电流标准差突变率(即电流离散突变率)远高于其他状态量的变化率，故障前后差异大，能够有效避免漏报警，在发现早期故障方面具有很高的灵敏度。

表4故障前后并联电容器组主要状态参量相对变化率

同时，由于本方法采用了相邻两次采样数据进行比较，当电容器单元未发生早期故障时，σ_{I_base}和σ_{C_base}处于实时更新状态，参与计算电容离散突变率和电流离散突变率的状态值仅相隔1个采样周期，电网电压、环境温度、负荷情况等运行条件基本不变，前后两次采样的台电容标准差、台电流标准差几乎不变，不会达到设定的报警整定值，避免了在正常运行中误报警，有效排除了电网电压、谐波、温度等共性干扰对判别结果的影响，具有良好的可靠性。

本发明取得的有益效果：

电流离散突变率和电容离散突变率分别基于台电流和台电容的标准差作为判别依据，反映了内部元件故障前后各电容器单元运行状态的均匀程度，能够排除电网电压、谐波、温度等共性干扰对判别结果的影响，提高了在线监测的可靠性，并且，相较于电流离散突变率，电容离散突变率进一步排除了三相电压差异的影响，在提升布设成本的同时，测试结果的准确度更高。

另一方面，相较于其他状态量，故障前后的台电流和台电容标准差变化更大，有利于发现并识别早期故障，提高了检测的灵敏度，并通过设置报警延时期，实现了对电流离散突变率和电容离散突变率的复检，避免了误报警和漏报警，同时满足了并联电容器早期故障预警装置要求的可靠性和灵敏度，提高了报警的准确性，减少了不必要的人力和物力浪费。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，包括以下步骤：

对并联电容器组中各电容器的电压和电流进行监测，将各电容器的电压和电流发送至数据中心，根据采集的各电容器的电压和电流数据以及预先建立的数学分析模型得出电流离散突变率和电容离散突变率，分别与电流离散突变率整定值和电容离散突变率整定值进行对比，当电流离散突变率大于等于电流离散突变率整定值，则发出报警及对比数据；当电容离散突变率大于等于电容离散突变率整定值，则发出报警及对比数据；其中，

电流离散突变率的数学模型为其中，为电容器台电流的标准差实时值，σ_{I_base}为上一时刻的电容器台电流标准差，I_{t_i}为流经每台电容器的电流(以下简称“台电流”)，为所有台电流的平均值，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数；

电容离散突变率的数学模型为其中，为电容器台电容的标准差实时值，σ_{C_base}为上一时刻的电容器台电容标准差，C_{t_i}为每台电容器的电容量(以下简称“台电容”)，为所有台电容的平均值，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数。

2.根据权利要求1所述的一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的电流离散突变率超出电流离散突变率整定值时，锁定σ_{I_base}为上一时刻的台电流标准差，在报警延时期内通过电流离散突变率的数学模型计算报警延时期内的台电流标准差及电流离散突变率，如果始终超出电流离散突变率整定值，则发出报警；若延时期间低于电流离散突变率整定值，则解除锁定，并在下次计算Δσ_I时更新σ_{I_base}为本次台电流标准差。

3.根据权利要求1所述的一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的电容离散突变率超出电容离散突变率整定值时，锁定σ_{C_base}为上一时刻的台电容标准差，在报警延时期内通过电容离散突变率的数学模型计算报警延时期内的台电容标准差及电容离散突变率，如果始终超出电容离散突变率整定值，则发出报警；若延时期间低于电容离散突变率整定值，则解除锁定，并在下次计算Δσ_C时更新σ_{C_base}为本次台电容标准差。

4.根据权利要求1所述的一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，测得的电压和电流通过滤波去除干扰后通过预先建立的数学分析模型得出电流离散突变率和电容离散突变率。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于离散度突变的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，所述采样周期和报警延时期可更改，采样周期的设定范围为0.2秒～10秒，报警延时期的设定范围为1秒～60秒。