CN112505422A - 一种电容器组支路阻抗的实时获取方法及监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电容器组支路阻抗的实时获取及监控方法，该实时获取方法通过采集电容器组的电容器和电抗器的端电压，电容器和电抗器的端电压通过模拟器采样模块转换为数字信号，利用傅里叶变换算法剥离电容器组的电容器和电抗器的端电压得到基频电压，采集该基频电压下的电抗器的线圈电感值和电容器的电容值，基于电抗器的线圈电感值、电容器的电容值以及基频电压得到电容器组支路实时阻抗表征值，根据获取到的电容器组支路实时阻抗表征值可对电容器组进行监控，该方法具有电压等级和接线方式适应性强，无惧电容器组对称故障以及保护范围广的优势特点。
Description
技术领域
本发明涉及电气领域，特别涉及一种电容器组支路阻抗的实时获取及监控方法。
背景技术
并联电容器，主要是用于补偿电力系统感性负荷的无功功率，其可被预设在变电站用于提高功率因素，改善电压质量，降低线路损耗。在实际应用中，为了限制电容器合闸涌流、抑制电网谐波，并联电容器需串联不同电抗率的电抗器使用，以形成并联电容器装置。并联电容器装置在运行过程中会受到各种因素的影响而发生故障。
现有并联电容器装置的器件级主保护形式主要有开口三角电压保护、相电压差动保护、桥式差电流保护、中性点不平衡电流保护这四种形式，但是这四种主保护形式均存在电压等级和接线方式适应性不强、对称故障不反应、保护范围狭窄等缺陷。
现有专利CN103344853A提供一种自振频率判断并联电容器装置故障的方法，该方案根据LC串联支路的自振频率变化分析得到电容器元件的损坏个数及影响程度，其针对性解决的是实时检测少量电容元件损坏引起的故障，但是该专利所涉及的算法中未单独剥离基波电压，而是采用电压有效值进行计算。由于不同频率下电容器和电抗器的电抗变化趋势是不同的，所以，在谐波环境下，不可能取得有效的判据来判断并联电容器装置的故障状态；另外，由于并联电容器具有不允许电压突变的特性，而串联电抗器不具备该特性，且电源电压波动实时存在，故现有专利CN103344853A，未考虑电源电压波动对采样算法的影响，故也不可能取得预期效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电容器组支路阻抗的实时获取及监控方法，该方法具有电压等级和接线方式适应性强，无惧电容器组对称故障以及保护范围广的优势特点。
为实现以上目的，本技术方案提供一种电容器组支路阻抗的实时获取方法，包括以下步骤：实时获取方法通过采集电容器组的电容器和电抗器的端电压，电容器和电抗器的端电压通过模拟器采样模块转换为数字信号，利用傅里叶变换算法剥离电容器组的电容器和电抗器的端电压得到基频电压，采集该基频电压下的电抗器的线圈电感值和电容器的电容值，基于电抗器的线圈电感值、电容器的电容值以及基频电压得到电容器组支路实时阻抗表征值。
在一些实施例中，当电源电压波动时，采集10个基频周期的基频电压数据，去掉最大和最小各三组数据，剩下四组的平均值参与计算。
另外，本方案还提供一种电容器组支路阻抗的实时监控方法，包括以下步骤：
得到初始状态下的γ0，电容器电容值偏离报警定值γ1,串联电抗器闸件或层间短路保护跳闸定值γ2,放电线圈故障保护跳闸定值γ3,电容器单元元件击穿保护跳闸定值γ4，得到系列比对值；
根据其上的方法步骤获取实时电容器组支路阻抗γ；
比对实时电容器组支路阻抗γ和系列比对值，监控电容器组的实时状态。
在一些具体实施例中，对电容器组的各类实时状态发出对应的保护指令。
相较现有技术，本技术方案具有以下的特点和有益效果：
1.实时获取电容器组对外阻抗以及监控对外阻抗的变化，从电容器组发生故障事故的根本入手来监控电容器组，具有极高的灵敏性和选择性，且不受任何系统因素的干扰，逐相监控保护，无惧任何形式的电容器组对称故障。
2.对于高电压等级的电容器组设计有特殊设计的放电线圈，该放电线圈的一次侧和二次侧均为双绕组，便于完成电容器和电抗器的电压采样，具有采样精准的特效。
3.监控系统通过过采样和数字滤波技术来克服电容器、电抗器对系统电压波动响应趋势不同的干扰。
4.不受电压等级和并联电容器装置接线方式的方式，可应用于低压并联电容器装置的器件级微机保护，也可用于高压并联电容器装置的器件级保护。
5.本专利在谐波环境下也取得有效的判据来判断并联电容器装置的故障状态，且充分考虑电源电压波动对采样算法的影响，换言之，多频率谐波和电源电压波动都不会影响本方案最终的计算结果和故障判断依据。
附图说明
图1是适用于电压等级较高的并联电容器装置的保护接线原理图。
图2是适用于电压等级较低的并联电容器装置的保护接线原理图。
图3是从电容器组的电容器和电抗器的端电压中利用傅里叶算法获取基频电压的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
对于并联电容器装置而言，除了极个别电容器贯穿击穿事故是因为系统电压瞬时大幅度提升而引起的，绝大部分电容器贯穿击穿事故都伴随着电容器组对外阻抗的变化，故本方案直接从并联电容器装置发生故障的根本入手监控电容器单元元件是否存在故障，即，本方案通过实时监控电容器组支路阻抗及其变化来正确判断电容器组的故障状态。
本方案提供的一种电容器组支路阻抗的实时获取方法利用“在电容器组处于基频电压且非故障状态下，电容器和电抗器的端电压之比恒等于电抗率的倒数”的原理实时获取电容器组支路阻抗，具有电压等级和接线方式适应性强，无惧电容器组对称故障以及保护范围广的优势特点。
对于高等级电压的并联电容器装置而言，采用特制的放电线圈将较高的电压降低为本方案工作的低电压，且该放电线圈的一次侧和二次侧均为双绕组，可很方便地完成电容器和电抗器的电压采样；对低等级电压的并联电容器装置而言，直接采集电容器组任意一相电容器线电压和串联电抗器三相相电压，进行电容器和电抗器的电压采样，以使得该方法具有电压等级和接线方式适应性强的效果。
低压并联电容器的自愈特性和高压并联电容器的内熔丝都使得并联电容器装置对称故障发生的概率大大增加，而原有的不平衡类保护对于对称故障均不能反映。本发明所涉及的采样计算方式完全不同于不平衡类保护，逐相监测的同时，以电容器和电抗器基频端电压的比值作为判据，以使得该方案无惧电容器组对称故障。
由于大部分故障事故都伴随着电容器组对外阻抗的变化，故本方案通过获取支路阻抗将其与系列的比对值进行比对，可用于监控电容器组所有主元器件，包括并联电容器、串联电容器和放电线圈，具有电容器容值偏离报警、串联电抗器匝间或层间短路跳闸、阻抗特性跳跃跳闸、放电线圈故障跳闸以及电容器单元元件击穿跳闸等情况，以使得该方案的保护范围广。
具体的，该电容器组支路阻抗的实时获取方法，包括以下步骤：实时获取方法通过采集电容器组的电容器和电抗器的端电压，电容器和电抗器的端电压通过模拟器采样模块转换为数字信号，利用傅里叶变换算法剥离电容器组的电容器和电抗器的端电压得到基频电压，采集该基频电压下的电抗器的线圈电感值和电容器的电容值，基于电抗器的线圈电感值、电容器的电容值以及基频电压得到电容器组支路实时阻抗表征值。
本方案的技术要点在于是利用“在基频电压下，电容器和电抗器的端电压之比才等于电抗率的倒数”的原理，首先必须对采样电压进行剥离以取得电容器和电抗器的基频电压，具体的方式如下：
从电容器组中利用傅里叶变换算法剥离基频电压：获取电容器和电抗器的端电压的波形，波形展开为傅里叶级数，通过傅里叶变换得到基频分量和各次谐波分量，选择基频分量作为基频电压。
具体的，首先要对电容器和电抗器的端电压进行采样得到模拟信号，其中 1.14kV以上电压等级需经电压互感器采样，1.14kV以下电压等级直接采集，得到模拟量信号后，就意味着我们取得了电容器和电抗器端电压的波形，这些波形均为周期波形，所有的周期波形都可以被展开为傅里叶级数，也就是f（t），傅里叶变化公式中的h是正整数，代表谐波次数，也代表频率是基波频率的h倍，h=1则代表基波，通过傅里叶变换，我们就可以得出基频分量和各次谐波分量，忽略各次谐波分量，仅以基频分量作为基频电压。
获取基频电压的公式如下：
公式中的系数：
其中f（t）代表一个频率为f0的周期函数，其角频率ω0=2πf0，周期T=2π/ω0；C1sin（ω0t+φ1）代表基波分量；Chsin（hω0t+φh）代表第h次谐波，它的幅值为Ch，频率为hf0，相位为φh，以获取基频电压。
在此对该步骤进行解释说明：傅里叶变换算法是一种线性积分变换，用于信号在时域和频域之间的变换。本方案中采集到电容器端电压和电抗器端电压波形中含有基频电压和其它频率的谐波电压，通过傅里叶变换可将基频电压和其它频率的谐波电压分离，以得到基频电压，其中基频电压指的是供电系统处于正常供电时的电压波形的频率。
如图3所示，波形1代表是周期波形f（t），波形1是由波形2和波形3叠加而成的，其中波形2是基波分量，波形3是谐波分量，通过傅里叶变换将其剥离成波形2和波形3，再以波形3参与计算。
值得一提的是，当电源电压波动时，采集10个基频电周期的基波电压数据，去掉最大和最小各3组数据，以剩余4组数据的平均值参与最终计算，大大降低了电源电压波动对数据准确性的影响。
获取电容器组支路实时阻抗表征值的公式如下：
其中f为基频电压，L为电抗器的线圈电感，C为电容器的电容；
该公式是基于“在电容器组处于基频电压且非故障状态下，电容器和电抗器的端电压之比恒等于电抗率的倒数”的原理得到的，其推导过程如下：
如图1所示，图1为适用于电压等级较高的并联电容器装置的保护接线原理图。对于高等级电压的并联电容器装置，采用特殊设计的放电线圈来采取电容器和电抗器的端电压，其中放电线圈一次侧和二次侧均为双绕组，放电线圈一次侧两个绕组分别并联在电容器和电抗器两端采集相应的模拟量，放电线圈的二次侧绕组对应接入监控系统相应的模拟量采集接口，获取电流/电压/温度的模拟值，并将其转换为数字量，其中监控系统内承载有运算上述电容器组支路阻抗的实时获取方法的算法。
具体的，可根据电抗率的差别设计放电线圈的一次侧绕组的匝线组，以更好地采集电抗器和电容器的电压。由于电容器的端电压一般都比电抗器的端电压要大，因此放电线圈一次侧的大绕组并联在电容器两端，放电线圈一次侧的小绕组并联在电抗器两端。比如，在本方案的一实施例中，电容器和电抗器的端电压之比为1:0.12，对应的设计放电线圈的一次侧的大小绕组。
放电线圈二次侧的输出电压恒定，因此放电线圈也可兼做电压采样互感器，将一次侧的高电压降压到本方案工作电压，便于嵌入式弱电产品的电压采样。
在本方案中，对于1.14kV及以上电压等级的并联电容器装置采用图1所示的保护接线。
如图2所示，图2为适用于电压等级较低的并联电容器装置的保护接线原理图。在该保护线路图中，电容器采用三角形接法，此时无需外加放电线圈，直接将电容器组任意一相电容器线电压（与相电压相等）和串联电抗器三相相电压对应接入监控系统相应的模拟量采集接口。
在本方案中，对于1.14kV及以下电压等级的并联电容器装置采用图2所示的保护接线。
值得一提的是，本方案可逐相获取并监测支路阻抗，达到无惧任何形式的电容器组对称故障。即，本方案对任意一组电容器组的三相电容和电抗都进行监测，并且按照对应的相序分别计算。
另外，可通过过采样和数字滤波技术克服电容器、电抗器对系统电压波动响应趋势不同的干扰，其中过采样指的是以远远高于信号带宽两倍或其最高频率对电容器和电抗器进行采样。
当然，由于本方案提供的电容器组支路阻抗的实时获取方法可实时获取电容器组支路实时阻抗γ，基于电容器组支路实时阻抗γ，本方案提供一种电容器组支路阻抗的实时监控方法，包括以下步骤：
得到初始状态下的γ0，其中初始状态下的γ0为电容器组最开始设计的对外实时阻抗表征值；电容器电容值偏离报警定值γ1,串联电抗器闸件或层间短路保护跳闸定值γ2,放电线圈故障保护跳闸定值γ3,电容器单元元件击穿保护跳闸定值γ4，得到系列比对值。这些值都是通过公式推导和大量的试验取得的，如
其中M-单台电容器内部并联单元数量；N-单台电容器内部串联段数量；E-电容器组每相电容器并联数量；F-电容器单组每相电容器串联段数量；k-初始电抗率。
根据其上的方法步骤获取实时电容器组支路阻抗γ；
比对实时电容器组支路阻抗γ和系列比对值，监控电容器组的实时状态。
在一些具体实施例中，对电容器组的各类实时状态发出对应的保护指令。
具体的保护指令如下：
①若γ≥γ1，γ1与γ0的差值＜0.5，且不呈现跳跃性，则判定电容器电容值和额定值相比发生较大偏离。此时，保护指令可以为：发出延时的声光报警信号，同时将保护报警信息上传上位机，提示检测人员对相应电容器组的电容值进行检测并更换故障元件。
②若γ的跳跃变化≥5,判定电容器组突发贯穿性击穿事故或放电线圈匝件过流开路。此时，保护指令可以为：发出无延时的分闸命令，直接切除整条电容器组支路，并闭锁该支路合闸出口。
③当γ≥γ2，γ2与γ0的差值在0.5-0.9之间，且呈现跳跃性，判定串联电抗器匝间或层间短路故障发生。此时，保护指令可以为：发出无延时的分闸命令，直接切除整套电容器组支路，闭锁该支路合闸出口。
④当γ≥γ3，γ3与γ0的差值在0.9-1.3之间，且呈现跳跃性，判定放电线圈故障。此时，保护指令可以为：发出无延时的分闸命令，直接切除整套电容器组支路，闭锁该支路合闸出口。
⑤当γ≥γ4，γ4与γ0的差值在1.3-2.3之间，且呈现跳跃性，判定并联电容器电源元件击穿故障发生。此时，保护指令可以为：发出无延时的分闸命令，直接切除整套电容器组支路，闭锁该支路合闸出口。
在本方案中，可通过对应阻抗变换的时间线来获取跳跃性。
值得一提的是，在单组并联电容器串并联数量较多或并联电容器装置运行电压较高的情况下，可以通过修改系列设定值，以增强监控方法的灵敏性、可靠性、选择性和速动性。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集电容器组的电容器和电抗器的端电压，电容器和电抗器的端电压通过模拟器采样模块转换为数字信号，利用傅里叶变换算法剥离电容器组的电容器和电抗器的端电压得到基频电压，采集该基频电压下的电抗器的线圈电感值和电容器的电容值，基于电抗器的线圈电感值、电容器的电容值以及基频电压得到电容器组支路实时阻抗表征值。
2.根据权利要求1所述的电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，从电容器组中利用傅里叶变换算法剥离基频电压：获取电容器和电抗器的端电压的波形，波形展开为傅里叶级数，通过傅里叶变换得到基频分量和各次谐波分量，选择基频分量作为基频电压。
3.根据权利要求1所述的电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，
获取电容器组支路实时阻抗表征值的公式如下：
其中f为基频电压，L为电抗器的线圈电感，C为电容器的电容。
4.根据权利要求1所述的电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，逐相获取电容器组的阻抗表征值。
5.根据权利要求1所述的电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，采用放电线圈采集电容器组的电容器和电抗器的端电压，其中放电线圈一次侧和二次侧均为双绕组，放电线圈一次侧两个绕组分别并联在电容器和电抗器两端采集相应的模拟量，放电线圈的二次侧绕组对应接入采集接口，获取电容器组的电容器和电抗器的端电压。
6.根据权利要求5所述的电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，根据电抗率的差别设计放电线圈的一次侧绕组的匝线组。
7.根据权利要求1所述的电容器组支路阻抗的实时获取方法，其特征在于，当电源电压波动时，采集10个基频周期的基频电压数据，去掉最大和最小各三组数据，剩下四组的平均值进行计算。
8.一种电容器组支路阻抗的实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
得到初始状态下的γ0，电容器电容值偏离报警定值γ1,串联电抗器闸件或层间短路保护跳闸定值γ2,放电线圈故障保护跳闸定值γ3,电容器单元元件击穿保护跳闸定值γ4，得到系列比对值；
根据权利要求1到7任一所述的电容器组支路阻抗的实时监测方法获取实时电容器组支路阻抗表征值γ；
比对实时电容器组支路阻抗γ和系列比对值，监控电容器组的实时状态。
9.根据权利要求8所述的电容器组支路阻抗的实时监测方法，其特征在于，对电容器组的各类实时状态发出对应的保护指令。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210316 |
|
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