CN116047370A

CN116047370A - 一种电容器组工作状态监测方法

Info

Publication number: CN116047370A
Application number: CN202211419279.8A
Authority: CN
Inventors: 李王洋; 莫建挥; 陆俊强; 江沛琼; 李连弟; 林涛; 叶成彬
Original assignee: Guangdong Yuegui Intelligent Engineering Research Institute Co ltd
Current assignee: Guangdong Yuegui Intelligent Engineering Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-05-02

Abstract

本发明公开一种电容器组工作状态监测方法，包括：实时获取电容器组的工作状态参数，并通过本地通信模块将工作状态参数发送至远程监控系统，工作状态参数包括电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度。本发明的有益效果是：通过获取电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度，利用本地通信模块将工作状态参数发送至远程监控系统，补偿电容低压复合开关信号端。

Description

一种电容器组工作状态监测方法

技术领域

本发明涉及变电设备状态监测技术领域，尤其涉及一种电容器组工作状态监测方法。

背景技术

低压无功补偿柜是电力系统中的重要设备之一，其用于提供无功功率以改善特定区域电网功率因数、将低线路损耗、提供输电线路的稳定性。电力系统中的低压无功补偿柜中的电容器组投切频繁，个别区域谐波比较严重时会导致电容器组发热严重，以至电容器组寿命大幅缩水、产生鼓包等现象。

目前投入运营的无功补偿控制柜大部分并不具有电容器组工作状态监测功能，一般通过采用人工巡检方式来确定无功补偿柜中的电容器组是否存在发热、过压、鼓包、故障等情况。若电容器组过热、鼓包等情况不能及时被发现，那么其在存在故障风险的情况下继续工作则容易引发重大安全事故。同时，人工巡检方式不仅增加了工作人员的工作量，还可能导致工作人员长期高强度工作而出现漏检或误检，对仪表读数误读或误判等情况，以致工作质量不高，影响电网系统的稳定与安全运行。而小部分的无功补偿控制柜则将探头和数据存储单元设置在柜体内，虽然电容器组的状态参数相对容易采集，但仍然不能解决需要人工巡检拷贝数据的问题，而且该种无功补偿控制柜仅能监控电容器组的电压电流、温度和压力，不能监测电容器组的投切状态，以及投入时间长度。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种电容器组工作状态监测方法，主要解决现有无功补偿控制柜无远程监测功能，以及不能监测电容器组的投切状态，以及投入时间长度的问题。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种电容器组工作状态监测方法，包括：实时获取电容器组的工作状态参数，并通过本地通信模块将所述工作状态参数发送至远程监控系统，所述工作状态参数包括电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度。

在一些实施方式中，所述本地通信模块包括有线通信单元和无线通信单元。

在一些实施方式中，所述有线通信单元使用以太网协议，所述无线通信单元使用4G物联网协议。

在一些实施方式中，所述以太网协议和所述4G物联网协议设置为HTTP Client模式。

在一些实施方式中，所述以太网协议配置为TCP Server模式，或者，所述以太网协议配置为UDP模式。

在一些实施方式中，所述无线通信单元使用WiFi协议。

在一些实施方式中，所述WiFi协议配置为STA方式接入路由器，或者，所述WiFi协议配置为AP+STA方式接入路由器。

本发明第二方面提出一种电容器组工作状态监测装置，包括：

三相电压电流检测模块，用于获取电容器组的电压和电流；微控制器，用于获取电容器组的投切时间节点，并根据所述投切时间节点计算出电容器组的投切状态以及投入时间长度；NTC温度检测模块，用于获取电容器组的温度；膨胀压力检测模块，用于获取电容器组的体积膨胀度；本地通信模块，用于将所述电压、所述电流、所述投切状态、所述投入时间长度、所述温度，以及所述体积膨胀度发送到远程监控系统。

在一些实施方式中，所述三相电压电流检测模块包括用于分别获取电容器组三相的电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器的输出端与电能计量芯片的输入端耦合，所述电能计量芯片的输出端与所述微控制器的输入端耦合；所述NTC温度检测模块包括三组温度单元，每组所述温度单元均包括串联的第一下拉电阻和NTC热敏电阻，所述NTC热敏电阻的两端并联第一无极性电容，所述NTC热敏电阻的电压输出端与所述微控制器的输入端耦合；所述膨胀压力检测模块包括三组压力单元，每组所述压力单元均包括串联的第二下拉电阻和柔性电阻式薄膜压力传感器接口，所述柔性电阻式薄膜压力传感器接口的两端并联第二无极性电容，所述柔性电阻式薄膜压力传感器接口的电压输出端与所述微控制器的输入端耦合。

在一些实施方式中，所述本地通信模块包括RS485通信接口和GPRS物联网模块。

本发明的有益效果为：通过获取电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度，利用本地通信模块将工作状态参数发送至远程监控系统，补偿电容低压复合开关信号端。

附图说明

图1为本发明实施例二公开的电容器组工作状态监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二公开的三相电压电流检测模块的原理图；

图3为本发明实施例二公开的A相火线电压采集电路的原理图；

图4为本发明实施例二公开的A相火线电流采集电路的原理图；

图5为本发明实施例二公开的三相火线电压电流接线端子电路的原理图；

图6为本发明实施例二公开的NTC温度检测模块的原理图；

图7为本发明实施例二公开的膨胀压力检测模块的原理图；

图8为本发明实施例二公开的RS485通信接口的原理图；

图9为本发明实施例二公开的GPRS物联网模块的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

本实施例提出了一种电容器组工作状态监测方法，通过获取电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度，利用本地通信模块将工作状态参数发送至远程监控系统，补偿电容低压复合开关信号端。包括：实时获取电容器组的工作状态参数，并通过本地通信模块将工作状态参数发送至远程监控系统，工作状态参数包括电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度。

本地通信模块包括有线通信单元和无线通信单元。

在一可选方案中，有线通信单元使用以太网协议，无线通信单元使用4G物联网协议。

在一示例中，以太网协议和4G物联网协议设置为HTTP Client模式。这样无功补偿控制器的数据可直接向HTTP服务器端或者是从HTTP服务器端获取数据，实现向设定的IP地址发起TCP链接，若链接失败，将不断尝试重连直到成功，若链接成功服务端就可以与无功补偿控制器实现双向透明传输数据。

在一示例中，以太网协议配置为TCP Server模式，实现监听设定的端口并等待TCP客户端连接，同时将数据透明传输给所有链接成功的客户端。或者，以太网协议配置为UDP模式，无功补偿控制器可向指定的IP网络设备传送数据，并监听端口将实时所有接收发送过来的数据。

在一示例中，无线通信单元使用WiFi协议。

其中，可选的，无功补偿控制器通过将WiFi协议配置为STA方式接入路由器，实现远程通信或者局域网通信。或者，无功补偿控制器通过将WiFi协议配置为AP+STA方式接入路由器，实现本低设备局域网内通信同时支持远程设备广域网通信。

实施例二

本实施例提出了一种电容器组工作状态监测装置，如图1所示，包括：三相电压电流检测模块201、NTC温度检测模块202、膨胀压力检测模块203、微控制器204和至少两个本地通信模块205。

三相电压电流检测模块201，用于获取电容器组的电压和电流。

在本实施例中，三相电压电流检测模块201包括用于分别获取电容器组三相的电压互感器和电流互感器，电压互感器和电流互感器的输出端与电能计量芯片的输入端耦合，电能计量芯片的输出端与微控制器204的输入端耦合。具体的，采用HT7036型号的多功能高精度三相电能专用计量芯片，三个ZMPT107电压互感器，三个ZMCT103电流互感器，实现对三相电压、电流检测。三相电压电流检测模块201的原理图如图2所示。

上述的HT7036多功能高精度三相电能专用计量芯片集成多路19位ADC，采用双端差分信号输入，测量电压通道Un对应到ADC的输入端有效值为0.22V左右，测量电流通道In对应到ADC的输入端有效值为0.05V左右。

ZMPT107电压互感器额定输入和输出电流均为2mA，变比为1000：1000，电阻R38为A相火线限流电阻，当Ua为220V时，该回路电流为0.00146A(220÷150000)，最大输入Ua电压为300V(0.002A×150000)。电阻R34和电阻R35为采用电阻，电阻R44和电阻R43为V2P、V2N输入端限流电阻，电容C50和电容C49为V2P、V2N输入端滤波电容。其中，A相火线电压采集电路如图3所示。ZMCT103电流互感器额定输入电流5A，输出电流为5mA，变比为1000：1，当IA为5A时，该回路电流为5mA，电阻R2和电阻R3为采用下拉电阻，电阻R1和电阻R4为V1P、V1N输入端限流电阻，电容C1和电容C2为V1P、V1N输入端滤波电容。A相火线电流采集电路如图4所示。CN7和CN8为火线A、B、C三相和N零线接线端子，CN12、CN11、CN10分别为火线A、B、C三相电流输入端子，所有接线端子间距5.08mm。三相火线电压电流接线端子电路设计如图5所示。

微控制器204，用于获取电容器组的投切时间节点，并根据投切时间节点计算出电容器组的投切状态以及投入时间长度。再有，还用于接受其他模块传输的工作状态参数，最终通过本地通信模块205发送到远程监控系统。

在本实施例中，采用STC8H4K64TL微控制器，该控制器具备多通道12位ADC转换功能、1路SPI同步串行通信接口、RTC实时时钟模块、1路I2C高速同步通信接口、4路UART异步串行通信接口等。

NTC温度检测模块202，用于获取电容器组的温度；

NTC温度检测模块202包括三组温度单元，每组温度单元均包括串联的第一下拉电阻和NTC热敏电阻，NTC热敏电阻的两端并联第一无极性电容，NTC热敏电阻的电压输出端与微控制器的输入端耦合。具体的，采用NTC-MF52-103热敏电阻作为温度检测传感器，测温范围-40℃～125℃，实现对电容器外壳表面温度检测。

在一示例中，NTC温度检测模块202的电路如图6所示。电阻R3、R7、R9均为10KΩ的阻值，电容C3、C4、C5均为100nF无极性电容，电阻R1、R2、R8为NTC热敏电阻MF52A-10K。例如当热敏电阻R1温度发生变化时，其自身阻值将发生变化，从而使得其与电阻R7串联点电压至发生变化，同时该点与主控芯片P10端口连接，主控芯片通过检测、转换和换算可得出热敏电阻温度数据。

膨胀压力检测模块203，用于获取电容器组的体积膨胀度；

膨胀压力检测模块203包括三组压力单元，每组压力单元均包括串联的第二下拉电阻和柔性电阻式薄膜压力传感器接口，柔性电阻式薄膜压力传感器接口的两端并联第二无极性电容，柔性电阻式薄膜压力传感器接口的电压输出端与微控制器的输入端耦合。具体的，采用柔性电阻式薄膜压力传感器，该传感器输出电阻随着施加于传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可以测量出压力大小。通过检测薄膜压力电阻大小，可实现对电容器外壳膨胀程度进行检测。

在一示例中，膨胀压力检测模块203的电路如图7所示。电阻R10、R11、R12均为10KΩ的阻值，电容C7、C8、C9均为100nF无极性电容，H3、H4、H5分别为柔性电阻式薄膜压力传感器接口。例如当H3柔性电阻式薄膜压力传感器发生变化时，其自身阻值将发生变化，从而使得其与电阻R11串联点电压至发生变化，同时该点与主控芯片P14端口连接，主控芯片通过检测、转换和换算可得出柔性电阻式薄膜压力传感器受力数据。

本地通信模块205，用于将电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度发送到远程监控系统。

本地通信模块205包括RS485通信接口和GPRS物联网模块。

其中，RS485通信接口:采用SP485芯片、钽电容和双电容进行高低频电源滤波，双瞬态抑制二极管实现过压保护，最多支持128个设备。GPRS物联网模块：采用“有人”品牌的USR-GM3GPRS物联网模块，该模组具备850/900/1800/1900MHz四个标准频段，TCP、UDP、DNS、HTTP Client，发送4K字节，接收4K字节，内置配置网页，可接入各类物联网平台。

在一示例中，RS485通信接口的电路如图8所示。U9为型号MAX485EIM/TR的485通信芯片，电阻R18为U4的R0引脚上拉电阻，同时该引脚与主控芯片的RxD4引脚连接。电阻R19为U4的RE#和DE引脚上拉电阻，三极管Q3的集电极引脚与U9的RE#和DE引脚相连接，三极管Q3的基极与限流电阻R21连接，限流电阻R21另一端与主控芯片的TxD4引脚连接，三极管Q3的发射极连接到电源负极。C22为100nF/50V的无极性电容，其其中一端连接到U9的电源端(VCC)以做储能和滤波作用，另一端连接到电源负极。电阻R17、R20和R16进行串联分压，电阻R20为输出端A和B接口的总线匹配电阻。D2为型号PSM712-LF-T7的TVS瞬态抑制二极管主要起到防雷电作用。

GPRS物联网模块的电路如图9所示。H5为GPRS物联网模块接口，该接口第1引脚连接到+5V电源的正极，第2引脚与主控芯片的TxD3引脚连接，第3引脚与主控芯片的TxD3引脚连接，第4引脚连接到+5V电源的负极。

本装置的设置方法如下：

三相电压电流检测模块201的通信配置：

所采用的STC8H4K64TL微控制器204具有一路硬件SPI同步串行通信接口，微控制器204需对HT7036多功能高精度三相电能专用计量芯片(下称计量芯片)初始化配置，否则数据采集将发送错误。具体初始化配置过程如下，首先微控制器204向计量芯片发送查询其在线命令(0x00)，如果返回值为0x7122A0，则表示计量芯片正常或在线，否则表示计量芯片故障或不在线。若计量芯片正常或在线，则发送命令分别对A、B、C三相电压和电流增益寄存器进行配置。若计量芯片故障或不在线，则微控制器204向计量芯片间隔50毫秒发送查询其在线命令(0x00)，累计发送50次查询在线命令时仍然得不到0x7122A0返回值，微控制器204则提示用户计量芯片故障或不在线并发出相应的警告提示。

微控制器204向计量芯片发送使能配置校表数据寄存器命令0x00、0x00、0x5A，接着发送开启A、B、C三相全部电流/电压ADC通道命令0x00、0xB9、0x7E，三相电压通道数据放大8倍、电流通道数据放大16倍命令0x00、0x00、0xFC，电压增益校正参数0x00、0xF1、0x5F，电流增益校正参数为0x00、0xEB、0xC7，发送关闭配置校表数据寄存器命令0x00、0x00、0x5B。

微控制器204向计量芯片发送分别发送0x0D、0x0E、0x0F命令可获取计量芯片回馈的A、B、C三相电压ADC数据，并将各相数据带入公式UxRms＝(UxADC÷8192×7.55)，即可得到实际测量的电压值数据。其中UxADC为各相电压ADC数据，UxRms为各相实际测量电压数据。

微控制器204向计量芯片发送分别发送0x10、0x11、0x12命令可获取计量芯片回馈的A、B、C三相电流ADC数据，并将各相数据带入公式IxRms＝(IxADC÷8192÷1.5×4.99)，即可得到实际测量的电流值数据。其中IxADC为各相电流ADC数据，IxRms为各相实际测量电流数据。

当检测到补偿电容电压在其额定电压±20％区间，电流大于0.5A且小于额定电流时，表示该补偿电容器接入电网。当检测到补偿电容电压为0V，电流接近0A时，表示该补偿电容器未接入电网。当检测到补偿电容电压为其额定工作电压1.1倍或电流为其额定工作电流1.3倍时，表示该补偿电容器接入电网工作异常。

NTC温度检测模块202的温度检测程序设计：

因NTC热敏电阻MF52A-10K在温度－55℃～+125℃区间阻值呈非线性变化，通过将其与一个10KΩ电阻进行其串联分压，随着温度的变化，热敏电阻阻值也进行变化，以致该电阻与10KΩ电阻连接点(下称连接点)电压发生变化。采用的STC8H4K64TL微控制器具备多路高精度12位ADC(模拟电压转换成数字信号)功能接口，对热敏电阻与10KΩ电阻连接点电压进行实时采集，所采集数据在0～4096之间。如NTC热敏电阻MF52A-10K在环境温度为+25℃时，其阻值为10KΩ，那么连接点电压经ADC模数转换后的数据为2048(4096×(10k÷(10k+10k)))。

在程序设计中，将热敏电阻－55℃～+125℃区间各点整数温度值所分电压的ADC模数转换后的数据存在一个特定数组中，当采集到最新的温度ADC模数转换后的数据时通过二分法快速在数组中找到相对应的温度值或两个相邻温度区间，并通过一阶惯性滤波器程序计算温度值精度到±0.1℃。

膨胀压力检测模块203的压力检测程序设计：

因电阻式薄膜压力传感器RP-S40-LT(下称压力传感器)测量范围为20g～10kg，阻值范围为200Ω～20MΩ，该传感器在测量范围区间受力时阻值呈非线性变化，通过将其与一个1KΩ电阻进行其串联分压，随着压力的变化，压力传感器阻值也进行变化，以致该电阻与1KΩ电阻连接点(下称连接点)电压发生变化。采用的STC8H4K64TL微控制器具备多路高精度12位ADC(模拟电压转换成数字信号)功能接口，对压力传感器与1KΩ电阻连接点电压进行实时采集，所采集数据在0～4096之间。如压力传感器在承受10kg压力时，其阻值为200Ω，那么连接点电压经ADC模数转换后的数据为682.6(4096×(200÷(1000+200)))。

在程序设计中，将压敏电阻20g～10kg区间间隔100g重力所分电压的ADC模数转换后的数据存在一个特定数组中，当采集到最新的压力ADC模数转换后的数据时通过二分法快速在数组中找到相对应的压力值或两个相邻压力区间，并通过一阶惯性滤波器程序计算压力值精度到±10g。

电容器投切时间节点记录程序设计：STC8H4K64TL微控制器内置RTC电子时钟功能，需先对RTC功能模块中的年、月、日、时、分、秒进行配置，再启动RTC计数，以此形成电子时钟。当相关电容器工作状态发生变化时，立即将该时间节点(年月日时分秒)进行记录，并通过RS485模块对外发送。

RS485通信程序设计：RS485通信模块与STC8H4K64TL微控制器第4个UART异步串行通信接口连接，该模块具备自动调节发送/接收功能，通信波特率为9600bps。以单个补偿电容器为单位，将其工作电压、电流、温度、压力和投/切时间节点数据整合到一个数据包，包头为0x58、0x85、x(x为电容器编号0～255)，包尾为0xf0、0x0f。

GPRS物联网模块通信程序设计：USR-GM3 GPRS物联网模块与STC8H4K64TL微控制器第3个UART异步串行通信接口连接，通信波特率为9600bps。需用该模块配套的上位机软件对其进行通信波特率、网络透传模式、连接服务器地址和端口、启动透传云等进行配置。

以单个补偿电容器为单位，将其工作电压、电流、温度、压力和投/切时间节点数据整合到一个数据包，包头为0x01，0x46，0x00，0x00，0x00，0x5b，0xB6，x(x为电容器编号0～255)，包尾为0xf0、0x0f。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电容器组工作状态监测方法，其特征在于，包括：实时获取电容器组的工作状态参数，并通过本地通信模块将所述工作状态参数发送至远程监控系统，所述工作状态参数包括电容器组的电压、电流、投切状态、投入时间长度、温度，以及体积膨胀度。

2.如权利要求1所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述本地通信模块包括有线通信单元和无线通信单元。

3.如权利要求2所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述有线通信单元使用以太网协议，所述无线通信单元使用4G物联网协议。

4.如权利要求3所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述以太网协议和所述4G物联网协议设置为HTTPClient模式。

5.如权利要求3所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述以太网协议配置为TCP Server模式，或者，所述以太网协议配置为UDP模式。

6.如权利要求3所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述无线通信单元使用WiFi协议。

7.如权利要求5所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述WiFi协议配置为STA方式接入路由器，或者，所述WiFi协议配置为AP+STA方式接入路由器。

8.一种电容器组工作状态监测装置，其特征在于，包括：

三相电压电流检测模块，用于获取电容器组的电压和电流；

微控制器，用于获取电容器组的投切时间节点，并根据所述投切时间节点计算出电容器组的投切状态以及投入时间长度；

NTC温度检测模块，用于获取电容器组的温度；

膨胀压力检测模块，用于获取电容器组的体积膨胀度；

本地通信模块，用于将所述电压、所述电流、所述投切状态、所述投入时间长度、所述温度，以及所述体积膨胀度发送到远程监控系统。

9.如权利要求8所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述三相电压电流检测模块包括用于分别获取电容器组三相的电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器的输出端与电能计量芯片的输入端耦合，所述电能计量芯片的输出端与所述微控制器的输入端耦合；所述NTC温度检测模块包括三组温度单元，每组所述温度单元均包括串联的第一下拉电阻和NTC热敏电阻，所述NTC热敏电阻的两端并联第一无极性电容，所述NTC热敏电阻的电压输出端与所述微控制器的输入端耦合；所述膨胀压力检测模块包括三组压力单元，每组所述压力单元均包括串联的第二下拉电阻和柔性电阻式薄膜压力传感器接口，所述柔性电阻式薄膜压力传感器接口的两端并联第二无极性电容，所述柔性电阻式薄膜压力传感器接口的电压输出端与所述微控制器的输入端耦合。

10.如权利要求8所述的电容器组工作状态监测方法，其特征在于，所述本地通信模块包括RS485通信接口和GPRS物联网模块。