CN109613374B - 一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法，属于电力系统技术领域。技术方案是：将信息融合技术引入电容器在线监测，充分利用多数据源的冗余信息，依据加权数据融合算法，参照电容器交接试验和例行试验数据，获取各独立算法的权值系数，进而获得最终电容值。本发明可集成在现有电容器保护测控装置中，减少新设备投资，简化接线；当任一个传感器故障时，在线监测系统都能检测出故障位置并发出传感器故障信号，不影响电容器真实电容值的测量，不会误发电容器告警信号；当电容器本身发生熔断器熔断或电容器元件击穿等故障时，本方法能实时检测出故障位置并发电容器告警信号，具有较高的可靠性和精确性。

Description

一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

近年来，并联电容器组在日常运行中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。从运行方面来讲，断路器投切电容器操作引起的过电压冲击是造成并联电容器发生故障的主要原因。单台电容器是由电容元件经串并联组成的，当电容器组内部受到过电压冲击后，个别绝缘薄弱的电容元件会首先击穿损坏，造成相邻电容元件承受过电压而相继击穿，这种循环不断进行，发展到一定程度就引起并联电容器故障。这个过程中电容器组的电容值会发生显著变化，因此，可通过实时计算并联电容器组的电容值，通过观察电容值的变化量来确定并联电容器的健康状况。

当前电容器组在线监测系统中，有利用SCADA系统数据进行监测的方法，但计算精度并不理想；有利用放电线圈电压和电流互感器电流计算电容值进行监测的方法，但当互感器发生故障时会发生误报警，容错性较低。为此，需要一种电容器综合在线监测方法，能充分利用系统中各个互感器测量值的冗余数据，不受单一互感器故障的影响，具有较高的测量精度，并且能充分利用现有装置，减少新设备投资。

发明内容

本发明目的是提供一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法，该方法将信息融合技术引入电容器在线监测，充分利用多数据源的冗余信息(电容器保护CT数据、测量CT数据、母线电压数据、放电线圈电压数据、中性点电压数据)，依据加权数据融合算法，参照电容器交接试验和例行试验数据，获取各独立算法的权值系数，进而获得最终电容值，是一种鲁棒性很强的电容器在线监测方法。该方法可集成在现有电容器保护测控装置中，减少新设备投资，简化接线。采用数据窗内取电容值中位数的方法，能有效减小电容器投切过程中对计算精度的影响。依据本方法提出的判据，当任一个传感器故障时，在线监测系统都能检测出故障位置并发出传感器故障信号，不影响电容器真实电容值的测量，不会误发电容器告警信号。此外，当电容器本身发生熔断器熔断或电容器元件击穿等故障时，本方法能实时检测出故障位置并发电容器告警信号，具有较高的可靠性和精确性，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法，包含以下步骤：

(1)判断开关位置，若电容器开关在分位，则闭锁计算；

(2)算法1利用放电线圈电压和保护CT电流直接计算各相电容值：

其中f＝50Hz为系统频率，U_a,U_b,U_c分别为放电线圈三相电压相量，I_ap,I_bp,I_cp分别为保护CT三相电流相量；

(3)若系统中存在零序电压互感器，即电容器中性点电压已知，采用算法2利用三相母线电压、测量CT电流和中性点电压计算各相电容值：

其中Z_a、Z_b、Z_c分别为各相电阻、电抗和电容的总阻抗值，U_sa,U_sb,U_sc分别为母线电压互感器三相电压相量，I_am,I_bm,I_cm分别为测量CT三相电流相量，U_o为中性点电压。又由于各相总阻抗

ω＝2πf，可得算法2计算出的三相电容值：

若系统中没有零序电压互感器，即电容器中性点电压未知，算法3利用三相母线电压、测量CT电流计算各相电容值：公式与算法2相同，但由于中性点电压相量U_o未知，三个方程四个未知量无法求解。高压并联电容器组大多数故障是从局部单一故障开始的，因此我们不妨假设两个非故障相总阻抗近似相等。

假设B相电容器发生故障，则|Z_b|的值必然变大或变小，相应地|I_bm|变小或变大，此时必有：

依据此判据可选出电流相量模值差的绝对值最小的两相为非故障相，另一相为故障相。以B相故障为例，此时有Z_a＝Z_c，与

联立求解可得：

当A相或C相故障时Z_a、Z_b、Z_c的计算公式同理可得。再依据各相总阻抗

ω＝2πf可得算法3计算出的三相电容值：

(4)在得到电容计算值C₁(C_a1、C_b1、C_c1)和C₂₍₃₎(C_a2(3)、C_b2(3)、C_c2(3))后，为了防止其中某个传感器发生故障导致最终电容值C_F(C_Fa、C_Fb、C_Fc)不可信，应用判据：

其中，C_N为电容器的额定电容值(可取电容器的出厂值)，C₁为算法1计算而得的电容值，C₂₍₃₎为算法2或算法3计算而得的电容值。若满足此判据，则转入步骤5继续执行；若不满足此判据，则转入步骤6执行。

(5)若系统中存在零序电压互感器，即电容器中性点电压已知，算法4_1应用加权数据融合算法，采用算法1和算法2计算而得的冗余数据可得最终电容值：

其中，σ₁ ²、σ₂ ²分别为利用先验知识或仿真数据应用算法1和算法2计算电容值的均方误差，ω₁、ω₂分别为算法1和算法2电容计算值的权值系数。在现场运行中，可通过各算法计算的电容值与电容器定期试验数据进行校核，对各算法的权值系数进行修正。

若中性点电压未知，算法4_2应用加权数据融合算法，采用算法1和算法3计算而得的冗余数据可得最终电容值：

其中，σ₁ ²、σ₂ ²分别为利用先验知识或仿真数据应用算法1和算法3计算电容值的均方误差，ω₁、ω₂分别为算法1和算法3电容计算值的权值系数。在现场运行中，可通过各算法计算的电容值与电容器定期试验数据进行校核，对各算法的权值系数进行修正。

(6)当|C₁-C_N|＞|C₂₍₃₎-C_N|时，判断电容值C₁不可信，即放电线圈电压互感器或保护用电流互感器故障，此时取ω₁＝0，ω₂＝1，即C_F＝C₂₍₃₎；当|C₁-C_N|＜|C₂₍₃₎-C_N|时，判断电容值C₂₍₃₎不可信，即母线电压互感器(对于算法2还可能为零序电压互感器)或测量用电流互感器故障，此时取ω₁＝1，ω₂＝0，即C_F＝C₁。

(7)当C_F满足：

判据时(可根据现场情况和实际需求调整定值)，判断电容器故障，发电容器告警信号，否则等待进行下一周期的计算。

本发明的有益效果是：该方法充分利用现有测量设备的冗余度，当任一个传感器故障时，本方法都能检测出故障位置并发出传感器故障信号，不影响电容器真实电容值的测量，不会误发电容器告警信号，是一种鲁棒性很强的电容器在线监测方法。该方法可集成在现有电容器保护测控装置中，减少新设备投资，简化接线。采用数据窗内取电容值中位数的方法，能有效减小电容器投切过程中对计算精度的影响。此外，当电容器本身发生熔断器熔断或电容器元件击穿等故障时，本方法能实时检测出故障位置并发电容器告警信号，具有较高的可靠性和精确性。

附图说明

图1是并联电容器组系统示意图；

图2为并联电容器组PSCAD/EMTDC模型；

图3为并联电容器综合在线监测方法流程图；

图4为加权数据融合算法原理图；

图5为故障4(母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％)发生时各传感器电压电流波形；

图6为故障4(母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％)发生时各算法电容值变化曲线(B相)；

图7为电容器投切试验过程中母线三相电压和测量CT三相电流波形；

图8为电容器投切试验过程中放电线圈三相电压和保护CT三相电流波形；

图9为电容器投切试验过程中应用算法4_2计算得到的各相电容值变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法，图1所示即为并联电容器组系统示意图。图1中，TV1为电容器组所在母线电压互感器，TV2为电容器组放电线圈电压互感器，TA1为保护用电流互感器，TA2为测量/计量用电流互感器，C为电容器组，L为串联电抗器。因此，正常运行时，我们既可以通过TV2和TA1的电压电流采样数据计算出电容器组的电容值C₁(算法1)，也可以通过TV1和TA2的电压电流采样数据计算出电容器组的电容值C₂(算法2或算法3)，从而实现基于多源冗余数据的电容器综合在线监测方法(基于算法4_1或算法4_2以及相关判据)。

图2所示为并联电容器组PSCAD/EMTDC仿真模型。并联电容器型号为

额定电压

10kV系统为小电流接地系统，并联电容器组为单星形接线方式。其中U_sa、U_sb、U_sc为三相母线电压，U_a、U_b、U_c为电容器放电线圈电压，I_ap、I_bp、I_cp为三相保护CT电流，I_am、I_bm、I_cm为三相测量CT电流，U_o为电容器中性点电压，三相实测电容值分别为143.4μF、143.5μF、143.5μF，单相电抗器电感值为0.0035H，单相电阻值为0.05Ω。

仿真共设置正常、故障1、故障2、故障3、故障4五种状态：

1)正常状态没有故障；

2)故障1为电容器组C相中有一台电容器熔断；

3)故障2为电容器组A相中有一台电容器2个电容元件击穿；

4)故障3为保护用电流互感器A相故障，导致A相电流为实际值的80％；

5)故障4为母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％。

图3为基于冗余数据的并联电容器综合在线监测方法流程图。

算法1利用放电线圈电压和保护CT电流直接计算各相电容值：

算法2利用三相母线电压、测量CT电流和中性点电压计算各相电容值：

其中Z_a、Z_b、Z_c分别为各相电阻、电抗和电容的总阻抗值，又由于各相总阻抗

ω＝2πf可得：

算法3利用三相母线电压、测量CT电流计算各相电容值。公式与式(2)相同，但由于中性点电压相量U_o未知，三个方程四个未知量无法求解。高压并联电容器组大多数故障是从局部单一故障开始的，因此我们不妨假设两个非故障相总阻抗近似相等。假设B相电容器发生故障，|Z_b|的值必然变大或变小，由式(2)可知|I_bm|相应地变小或变大，此时必有：

依据式(4)，即可选出电流模值差的绝对值最小的两相为非故障相，另一相为故障相。以B相故障为例，此时有Z_a＝Z_c，与式(2)联立求解可得：

当A相或C相故障时Z_a、Z_b、Z_c的计算公式同理可得。再依据各相总阻抗

ω＝2πf可得：

算法4_1应用如图4所示的加权数据融合算法，其核心思想是：在总均方误差最小条件下，根据各个传感器所得到的测量值x_i寻找各个传感器所对应的最优加权因子ω_i，使融合后的估计值

达到最优。

为了方便分析，不妨以两个传感器为例对同一常量进行测量，测量值为：

其中v_i(i＝1，2)为测量时存在的随机误差，且设

x₀为待测常量真实值，两传感器测量值x₁、x₂相互独立。

假定x₀的估计值

与观测值x_i(i＝1，2)成线性关系，且

为x的无偏估计，则有：

其中，Ω＝(ω₁,ω₂)为各个传感器测量值的权值：

在利用仿真试验数据进行电容值计算的过程中，我们不妨假设各算法误差服从正态分布，即权值系数ω₁＝ω₂＝0.5。在现场运行中，可通过各算法计算的电容值与电容器定期试验数据进行校核，对各算法的权值系数进行修正。

将加权数据融合算法应用到电容器在线监测中，应用算法1和算法2计算而得的冗余数据可得最终电容值：

其中，σ₁ ²、σ₂ ²分别为利用先验知识或仿真数据应用算法1和算法2计算电容值的均方误差，ω₁、ω₂分别为算法1和算法2电容计算值的权值系数。

算法4_2仍然应用如图4所示的加权数据融合算法，不同的是其系统中电容器中性点电压不可知，故应用算法1和算法3计算而得的冗余数据可得最终电容值：

其中，σ₁ ²、σ₂ ²分别为利用先验知识或仿真数据应用算法1和算法3计算电容值的均方误差，ω₁、ω₂分别为算法1和算法3电容计算值的权值系数。

在图3中，当电容器开关在分位时，电容器未投入运行，闭锁计算。在得到电容计算值C₁和C₂₍₃₎后，为了防止其中某个传感器发生故障导致最终电容值C_F不可信，应用判据：

其中，C_N为电容器的额定电容值(可取电容器的出厂值)，只有满足式(12)所示判据时，采用式(10)或式(11)计算最终电容值C_F。否则当|C₁-C_N|＞|C₂₍₃₎-C_N|时，判断电容值C₁不可信，即放电线圈电压互感器TV2或保护用电流互感器TA1故障，此时取ω₁＝0，即C_F＝C₂₍₃₎；当|C₁-C_N|＜|C₂₍₃₎-C_N|时，判断电容值C₂₍₃₎不可信，即母线电压互感器TV1或测量用电流互感器TA2故障,此时取ω₂＝0，即C_F＝C₁。

当C_F满足：

时(可根据现场情况和实际需求调整定值)，判断电容器故障，发电容器告警信号，否则等待进行下一周期的计算。

图5所示为故障4(母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％)发生时各传感器电压电流波形。此时，母线B相电压明显小于其他两相，而放电线圈三相电压平衡，保护CT电流三相平衡，中性点电压基本为0。

图6即为故障4(母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％)各算法电容值变化曲线(B相)。电容值实时计算算法数据窗为100ms，采用全波傅里叶算法提取电压电流基波分量(数据窗20ms)，电容计算结果取20ms-100ms区间的中位数值。由附图6可知，各算法计算的电容值都存在一定的波动，但波动幅度较小。由于母线B相电压互感器故障，导致以此为数据源的算法2和算法3的计算结果误差很大，算法1不受影响，基于冗余数据的电容器综合在线监测方法中算法4_1和算法4_2应用式(12)判据以及|C₁-C_N|＞|C₂₍₃₎-C_N|判据成功剔除不良数据，计算结果不受故障传感器的影响，准确可靠。

图7为电容器投切试验过程中母线三相电压和测量CT电流波形。由图中可知，电容器投入瞬间对母线电压影响很小，但对测量CT电流影响很大，有严重的波形畸变以及高次谐波，持续时间约为两个周期。

图8为电容器投切试验过程中放电线圈三相电压和保护CT电流波形。由图中可知，电容器投入瞬间对放电线圈电压和保护CT电流影响都很大，有严重的波形畸变以及高次谐波，持续时间约为两个周期。

图9为电容器投切试验过程中的利用现场录波数据(母线三相电压、测量CT三相电流)采用算法4_2计算各相电容值的变化曲线。前两个周期电容计算值波动幅度很大，两周期后趋于平稳。为此，我们采用电容计算数据窗内电容值取中位数的方法，能有效避开电容器投切过程中的振荡，使算法在电容器投切过程中计算电容值依旧准确可靠。

表1所示为正常状态下各算法电容计算值及误差。其中，设定值为上次现场例行试验的测量数据，并以此数据作为仿真模型数据。由于仿真环境是理想条件，各算法的计算误差都很小，均小于0.1％。

表2所示为模拟故障1条件下(电容器组C相中有一台电容器熔断)各算法电容计算值及误差。由于各个电压、电流互感器均未发生故障，且仿真环境为理想条件，计算结果误差均小于0.1％。

表3所示为模拟故障2条件下(电容器组A相中有一台电容器2个电容元件击穿)各算法电容计算值及误差。由于各个电压、电流互感器均未发生故障，且仿真环境为理想条件，计算结果误差均小于0.1％。

表4所示为模拟故障3条件下(保护用电流互感器A相故障，导致A相电流为实际值的80％)各算法电容计算值及误差。由表中可以看出，以保护电流互感器作为数据源的算法1计算的A相电容值误差达到了19.94％；以未发生故障的互感器作为数据源的算法2和算法3不受影响；基于冗余数据的电容器综合在线监测方法(算法4_1和算法4_2)成功判别出保护用电流互感器A相故障，应用相关判据剔除不良数据，计算精度基本不受影响。

表5所示为模拟故障4条件下(母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％)各算法电容计算值及误差。由表中可以看出，以未发生故障的互感器作为数据源算法1不受影响；以母线电压互感器作为数据源的算法2和算法3计算的B相电容值误差分别达到16.69％和7.74％，且由于算法3中电容器中性点电压未知，使得其C相电容值误差也为7.74％；基于冗余数据的电容器综合在线监测方法(算法4_1和算法4_2)成功判别出母线B相电压互感器故障，应用相关判据剔除不良数据，计算精度基本不受影响。

表6所示为利用并联电容器投切试验的录波数据，采用中位数法和平均数法电容值计算结果对比(算法4_2)。由于电容值是用电压电流采样值来计算的，表现为数据窗内一系列不连续的点，传统处理方法是取平均数得到平均电容值。但由图9可知，在并联电容器投切试验中，前两个周期电容计算值波动幅度很大，两周期后趋于平稳，采用平均数法的计算误差很大。为此，我们采用电容计算数据窗内电容值取中位数的方法，能有效避开电容器投切过程中的振荡，使算法在电容器投切过程中计算电容值依旧准确可靠，误差控制在1％以内。

表1正常状态下各算法电容计算值及误差

表2故障1各算法电容计算值及误差(电容器组C相中有一台电容器熔断)

表3故障2条件下各算法电容计算值及误差(电容器组A相中有一台电容器2个电容元件击穿)

表4故障3条件下各算法电容计算值及误差(保护用电流互感器A相故障，导致A相电流为实际值的80％)

表5故障4条件下各算法电容计算值及误差(母线B相电压互感器故障，导致B相电压为实际值的85％)

表6并联电容器投切试验录波数据采用中位数法和平均数法电容值计算结果对比(算法4_2)

Claims (1)

1.一种基于冗余数据的电容器综合在线监测方法，其特征在于包含以下步骤：(1)判断开关位置，若电容器开关在分位，则闭锁计算；

(2)算法1利用放电线圈电压和保护CT电流直接计算各相电容值：

其中f＝50Hz为系统频率，U_a,U_b,U_c分别为放电线圈三相电压相量，I_ap,I_bp,I_cp分别为保护CT三相电流相量；

(3)若系统中存在零序电压互感器，即电容器中性点电压已知，采用算法2利用三相母线电压、测量CT电流和中性点电压计算各相电容值：

其中Z_a、Z_b、Z_c分别为各相电阻、电抗和电容的总阻抗值，U_sa,U_sb,U_sc分别为母线电压互感器三相电压相量，I_am,I_bm,I_cm分别为测量CT三相电流相量，U_o为中性点电压；又由于各相总阻抗

ω＝2πf，可得算法2计算出的三相电容值：

若系统中没有零序电压互感器，即电容器中性点电压未知，算法3利用三相母线电压、测量CT电流计算各相电容值：公式与算法2相同，但由于中性点电压相量U_o未知，三个方程四个未知量无法求解；高压并联电容器组故障是从局部单一故障开始的，因此不妨假设两个非故障相总阻抗近似相等；假设B相电容器发生故障，则|Z_b|的值必然变大或变小，相应地|I_bm|变小或变大，此时必有：

依据此判据可选出电流相量模值差的绝对值最小的两相为非故障相，另一相为故障相；以B相故障为例，此时有Z_a＝Z_c，与

联立求解可得：

当A相或C相故障时Z_a、Z_b、Z_c的计算公式同理可得；再依据各相总阻抗

ω＝2πf可得算法3计算出的三相电容值：

(4)在得到电容计算值C₁和C₂₍₃₎后，为了防止其中某个传感器发生故障导致最终电容值C_F不可信，应用判据：

其中，C_N为电容器的额定电容值，C₁为算法1计算而得的电容值，C₂₍₃₎为算法2或算法3计算而得的电容值,C₁包括C_a1、C_b1、C_c1，C₂₍₃₎包括C_a2(3)、C_b2(3)、C_c2(3)，C_F包括C_Fa、C_Fb、C_Fc；若满足此判据，则转入步骤5继续执行；若不满足此判据，则转入步骤6执行；

(5)若系统中存在零序电压互感器，即电容器中性点电压已知，应用加权数据融合算法，采用算法1和算法2计算而得的冗余数据可得最终电容值：

其中，σ₁ ²、σ₂ ²分别为利用先验知识或仿真数据应用算法1和算法2计算电容值的均方误差，ω₁、ω₂分别为算法1和算法2电容计算值的权值系数；在现场运行中，可通过各算法计算的电容值与电容器定期试验数据进行校核，对各算法的权值系数进行修正；

若中性点电压未知，应用加权数据融合算法，采用算法1和算法3计算而得的冗余数据可得最终电容值：

其中，σ₁ ²、σ₂ ²分别为利用先验知识或仿真数据应用算法1和算法3计算电容值的均方误差，ω₁、ω₂分别为算法1和算法3电容计算值的权值系数；在现场运行中，可通过各算法计算的电容值与电容器定期试验数据进行校核，对各算法的权值系数进行修正；

(6)当|C₁-C_N|>|C₂₍₃₎-C_N|时，判断电容值C₁不可信，即放电线圈电压互感器或保护用电流互感器故障，此时取ω₁＝0，ω₂＝1，即C_F＝C₂₍₃₎；当|C₁-C_N|<|C₂₍₃₎-C_N|时，判断电容值C₂₍₃₎不可信，即母线电压互感器或测量用电流互感器故障，此时取ω₁＝1，ω₂＝0，即C_F＝C₁；

(7)当C_F满足：

判据时可根据现场情况和实际需求调整定值，判断电容器故障，发电容器告警信号，否则等待进行下一周期的计算。

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