CN112003380B - 具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，包括信号采集模块、信号调理模块、运算处理模块、电源模块、投切状态模块、实时时钟、输出模块、参数配置，所述信号采集模块将采集信号传输给所述信号调理模块，所述信号调理模块将采集信号转化为数字信号传输至所述运算处理模块，所述电源模块用于对所述信号调理模块以及所述运算处理模块进行供电，所述投切状态模块监测电容器的每一次投切状态过程并将监测信号传输给运算处理模块，所述运算处理模块根据数字信号、监测信号、所述参数配置以及所述实时时钟的时间信息，分析计算电力电容器当前工作状态效果以及电容器衰减情况形成输出信号，并通过输出模块进行输出。

Description

具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置
技术领域
本发明涉及一种具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置。
背景技术
目前电力电容器在供配电领域广泛应用于无功补偿、谐波治理、低压滤波等场合，电力电容器使用寿命与环境温度、工作电压、投切次数、谐波负载等有着密切的关系，目前没有特别有效的对电力电容器在实际工况使用条件下在线监测容量衰减及寿命预估的手段，导致目前市场上电力电容器质量堪忧，使用寿命偏短(1年左右)，电容器需要频繁更换或不及时更换，影响无功补偿、谐波治理等效果，甚至导致用电安全事故。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，根据实时监测的数据在线分析和计算电容器的容量衰减及电容器使用寿命预测，帮助用户对电力电容器产品状态和寿命预测，并及时更换和维护电力电容器，保证配电系统无功补偿及治理的实时有效，保证用电安全，节能降耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供了一种具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，包括信号采集模块、信号调理模块、运算处理模块、电源模块、投切状态模块、实时时钟、输出模块、参数配置，所述信号采集模块将采集信号传输给所述信号调理模块，所述信号调理模块将采集信号转化为数字信号传输至所述运算处理模块，所述电源模块用于对所述信号调理模块以及所述运算处理模块进行供电，所述投切状态模块监测电容器的每一次投切状态过程并将监测信号传输给运算处理模块，所述运算处理模块根据数字信号、监测信号、所述参数配置以及所述实时时钟的时间信息，分析计算电力电容器当前工作状态效果以及电容器衰减情况形成输出信号，并通过输出模块进行输出。
进一步改进的是，所述信号采集模块包括电压输入单元、电流输入单元、温度输入单元、环境监测单元。
进一步改进的是，所述输出模块包括人机界面、控制输出、通信接口。
进一步改进的是，还包括与所述运算处理模块相连接的数据存贮单元。
进一步改进的是，所述运算处理模块计算电容器衰减公式为LFx＝LFn*Ku*Kt*Ks*Kr，其中LFn为电力电容器在标称使用条件下使用寿命，LFx为电力电容器实际使用时间，Ku为电容器工作电压影响系数，Kt为电容器环境温度影响系统，Ks为电容器投切次数影响系数,Kr为纹波电流影响系数；
Figure GDA0004057861680000021
其中，Tn为电容器标称工作温度，T为实际工作温度；系统监测到是带感抗保护投切时
Figure GDA0004057861680000022
其中，S为带感抗投切次数；当系统监测到是无感抗直接投切时
Figure GDA0004057861680000023
S为直接投切次数；当系统监测到是通过晶闸管保护投切时，Ks近似为1；
Figure GDA0004057861680000024
当纹波在电容器额定容许范围时，K＝2，否则K＝4,ΔT0为最高电压时容许纹波时的电容器容许温升值℃，I/I0为当前电流纹波与容许最大纹波比值。
进一步改进的是，所述运算处理模块计算电力电容器寿命时，以电力电容器在最大温度下标称寿命为基准值，每小时按公式LFxhour＝1小时*Ku*Kt*Kr来计算实际消耗的小时数，逐小时累加计算累计使用寿命LFsum＝ΣLFxhour。电力容器剩余寿命计算为LFleft＝LFn-LFsum*Ks。
进一步改进的是，所述信号采集模块包括由采用HS1101传感器和TLC555集成电路组成的环境监测、采用电阻分压的温度输入、采用3只HCT226HJ电流互感器组成的电流输入、采用2mA/2mA电压互感器的电压输入。
进一步改进的是，所述信号调理模块采用ADE79系列高精度ASIC芯片为核心的信号调理电路。
进一步改进的是，所述运算处理模块包括SKS16Z128VLH4处理器。
进一步改进的是，所述人机界面采用并口驱动的FSTN型图形点阵LCD显示器。
本发明的优点和有益效果在于：电力监控装置由环境监测、温度输入、电压输入、电流输入到信号调理模块转换为数字信号，传输到运算处理模块，运算处理模块同时监控电容投切状态，并数据计算、存贮、分析、处理，判断当前电容器的工作状态是否正常合理，计算电容器使用情况，输出电力电容器工作正常或异常状态以及电容器预期寿命。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为运算处理模块电路图；
图3为控制输出电路图；
图4为环境监测电路图；
图5为通信接口电路图；
图6为投切状态电路图；
图7为温度输入电路图；
图8为电流输入电路图；
图9为电压输入电路图；
图10为电源模块电路图；
图11为人机界面电路图；
图12为参数配置电路图；
图13为实时时钟电路图；
图14为数据存贮电路图；
图15为信号调理模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-图15所示，一种具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，包括信号采集模块、信号调理模块、运算处理模块、电源模块、投切状态模块、实时时钟、输出模块、参数配置；其中
信号采集模块部分由采用HS1101传感器和TLC555集成电路组成的环境监测1、采用电阻分压的温度输入2、采用3只HCT226HJ电流互感器组成的电流输入3、采用2mA/2mA电压互感器的电压输入4组成，并输入到ADE79系列高精度ASIC计量芯片为核心的信号调理模块5；采用TB5806芯片设计的电源模块6提供5V电源给信号调理模块5和以SKS16Z128VLH4处理器为核心的运算处理模块8供电，人机界面9采用并口驱动的FSTN型图形点阵LCD显示器，带背光控制引脚，实时时钟10由实时时钟集成电路RX8025与后背氧化银电池电路组成，提供实时时钟信息给运算处理模块8，数据存贮11电路采用MB85RS64集成电路，用于存贮历史运行信息和监控设备信息，运算处理模块读取信号调理模块的信号输入状态，分析运算处理，达到设备的报警故障时，可通过由SN74AH集成电路和MYAA005D继电器组成的控制输出12报警或控制信号，运算处理模块可通过由双隔离光耦TL185和MAX13085集成电路组成的RS485通信接口13与外部智能化系统连接通信，监控装置可通过由4个按键组成的参数配置14接口配置装置的相关参数或操作查询显示等操作。
监控装置的信号处理(8)模块计算电容器衰减公式(A1)：LFx＝LFn*Ku*Kt*Ks*Kr；(A1)
其中LFn为电力电容器在标称使用条件下使用寿命，LFx为电力电容器实际使用时间，因为电容器在不同工况条件下的使用寿命不一致，这里都按标称使用条件来计算寿命。
Ku为电容器工作电压影响系数,Kt为电容器环境温度影响系统,Ks为电容器投切次数影响系数,Kr为纹波电流影响系数。
其中Ku电压影响系数查下表，以上限取值，超过1.2Un,输出故障信息。
Figure GDA0004057861680000051
Kt为电容器环境温度影响系统；
Figure GDA0004057861680000052
Tn为电容器标称工作温度，T为实际工作温度。
Ks为电容器投切次数影响系数；
系统监测到是带感抗保护投切时
Figure GDA0004057861680000053
S为带感抗投切次数。当系统监测到是无感抗直接投切时
Figure GDA0004057861680000054
S为直接投切次数。当系统监测到是通过晶闸管保护投切时，Ks近似为1。
Kr为纹波电流影响系数；
Figure GDA0004057861680000055
当纹波在电容器额定容许范围时，K＝2，否则K＝4,ΔT0为最高电压时容许纹波时的电容器容许温升值℃，I/I0为当前电流纹波与容许最大纹波比值。
根据公式(A1)Ku、Kt、Kr均为瞬时，Ks为累计系数，计算电力电容器寿命剩余时，以电力电容器在最大温度下标称寿命为基准值，每小时按公式LFxhour＝1小时*Ku*Kt*Kr来计算实际消耗的小时数，逐小时累加计算累计使用寿命LFsum＝ΣLFxhour。电力容器剩余寿命计算为LFleft＝LFn-LFsum*Ks。
本发明的电力监控装置还具备实时监测电力电容器实时使用状态，当电容器的工作条件或状态超过设定的容许值时，本发明的电力监控装置能直接显示和输出电容器的故障状态，告知用户及时维护更换电容器产品:
1)电力监控装置监测输入电压超过电容器额定值1.2倍时，输出报警故障信息；
2)电力监控装置监测到电容器投入状况和监测到的电容器电流不符合，小于理论电流50％时(相当于电容器容量衰减50％以上)时，输出报警故障信息；
3)电力监控装置监测到电容器温度超过容许最大工作温度时，输出报警故障信息。
监控装置电容器寿命预测，一组额定电压为0.22kV，额定容量为10kVar的电力电容器，标称的最大工作温度为105℃，额定工作寿命为8000小时，已经工作在65℃的高温环境下达到3000小时，工作平均电压为242V，电流纹波平均为10％I，监控装置已经监测到电容已经在电抗保护下投切3000次，预测电容器寿命剩余：
LFx＝LFn*Ku*Kt*Ks*Kr
查表得Ku＝0.4,计算
Figure GDA0004057861680000061
计算
Figure GDA0004057861680000062
监测到电容为带感抗阻尼投切，
Figure GDA0004057861680000063
3000＝LFn*0.4*16*1.98*0.9538，得出LFn＝248.2小时
电容器标准使用寿命剩余预测为8000–248.2＝7751.8小时，相当于剩余96.9％使用寿命。同时电力监控装置实时监控投切电容后的电流值，若在242V电压条件下，监测到投切电流标准为16.67A，若电流减小到50％(8.33A)以下时，直接输出报警故障信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，其特征在于：包括信号采集模块、信号调理模块、运算处理模块、电源模块、投切状态模块、实时时钟、输出模块、参数配置，所述信号采集模块将采集信号传输给所述信号调理模块，所述信号调理模块将采集信号转化为数字信号传输至所述运算处理模块，所述电源模块用于对所述信号调理模块以及所述运算处理模块进行供电，所述投切状态模块监测电容器的每一次投切状态过程并将监测信号传输给运算处理模块，所述运算处理模块根据数字信号、监测信号、所述参数配置以及所述实时时钟的时间信息，分析计算电力电容器当前工作状态效果以及电容器衰减情况形成输出信号，并通过输出模块进行输出，所述输出模块包括人机界面、控制输出、通信接口，还包括与所述运算处理模块相连接的数据存贮单元，所述运算处理模块计算电容器衰减公式为LFx＝LFn*Ku*Kt*Ks*Kr，其中LFn为电力电容器在标称使用条件下使用寿命，LFx为电力电容器实际使用时间，Ku为电容器工作电压影响系数，Kt为电容器环境温度影响系统，Ks为电容器投切次数影响系数，Kr为纹波电流影响系数；
Figure FDA0004057861670000011
其中，Tn为电容器标称工作温度，T为实际工作温度；系统监测到是带感抗保护投切时
Figure FDA0004057861670000012
其中，S为带感抗投切次数；当系统监测到是无感抗直接投切时
Figure FDA0004057861670000013
S为直接投切次数；当系统监测到是通过晶闸管保护投切时，Ks近似为1；
Figure FDA0004057861670000014
当纹波在电容器额定容许范围时，K＝2，否则K＝4,ΔT0为最高电压时容许纹波时的电容器容许温升值℃，I/I0为当前电流纹波与容许最大纹波比值，所述运算处理模块计算电力电容器寿命时，以电力电容器在最大温度下标称寿命为基准值，每小时按公式LFxhour＝1小时*Ku*Kt*Kr来计算实际消耗的小时数，逐小时累加计算累计使用寿命LFsum＝ΣLFxhour，电力容器剩余寿命计算为LFleft＝LFn-LFsum*Ks。
2.如权利要求1所述的具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，其特征在于：所述信号采集模块包括电压输入单元、电流输入单元、温度输入单元、环境监测单元。
3.如权利要求2所述的具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，其特征在于：所述信号采集模块包括由采用HS1101传感器和TLC555集成电路组成的环境监测、采用电阻分压的温度输入、采用3只HCT226HJ电流互感器组成的电流输入、采用2mA/2mA电压互感器的电压输入。
4.如权利要求1所述的具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，其特征在于：所述信号调理模块采用ADE79系列高精度ASIC芯片为核心的信号调理电路。
5.如权利要求1所述的具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，其特征在于：所述运算处理模块包括SKS16Z128VLH4处理器。
6.如权利要求1所述的具备电力电容器容量衰减监测和寿命预测的电力监控装置，其特征在于：所述人机界面采用并口驱动的FSTN型图形点阵LCD显示器。
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