一种35kV高压并联电容器在线监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种35kV高压并联电容器在线监测系统及方法，主要由数据采集模块、数据传输模块、数据分析模块、显示模块和电源供给模块组成。数据采集模块和电源供给模块位于变电站高压侧，分别负责收集电容器的运行参数和为数据采集模块供能。数据传输模块实现高、低压侧之间数据的光纤传输。数据分析模块和显示模块位于低压侧的工控机中，用于对所获数据做进一步分析处理，并将分析结果保存和输出显示。本发明实现了对电流、温度有效值的横向比较，对电容值的纵向比较，使系统有效避免已有单参量监测系统漏判率和误判率高的缺陷。同时，采用自适应加窗插值的FFT变换提高了谐波分析精度，有助于高压并联电容器的在线状态监测和故障诊断。
【专利说明】ー种35kV高压并联电容器在线监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高压电カ无功补偿设备在线监测领域，尤其涉及一种多參量的35kV高压并联电容器在线监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]并联电容器是ー种广泛应用于电カ系统中的电气设备，主要用于补偿感性无功功率、改善功率因数、减少电能损耗、保障电压质量、增强系统稳定性和提高系统输送电能能力，其安全运行对整个电カ系统至关重要。
[0003]在实际生产中，由于电容器工作的高场强环境，其内部介质损耗在运行过程中存在累积效应，最終会导致电容器故障的发生，因此迫切需要研制ー套电容器在线监测系统。
[0004]现有高压并联电容器在线监测系统主要存在以下不足:
[0005]1.目前，高压电容器在线监测系统的研究绝大部分都集中在IOkV的变电站，且往往都是以单參量作为故障诊断和预警的依据。由于不同參量可能对不同的干扰敏感，所以上述基于单參量的监测方法容易造成漏判或误判；
[0006]2.高压并联电容器所处变电站的电磁环境复杂，当前监测系统常用的电缆通信介质极易受到强电磁场干扰，不适合作为高压电容器在线监测装置的通信介质；
[0007]3.现有的谐波分析通常采用FFT对非正弦周期函数进行分解，但在实际检测中，由于对被测信号的截断以及电网频率的波动，容易造成频谱泄露效应，严重影响了谐波分析精度。
【发明内容】
[0008]针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种多參量的35kV高压并联电容器在线监测系统及方法，能够通过对多种參数的收集达到全面监测的目的，并采用光纤通信实现信号的可靠传输，最終通过嵌入的LabVIEW分析模块和显示模块将监测和分析结果简洁明了地展现在客户端。
[0009]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:ー种35kV高压并联电容器在线监测系统，所述的35kV高压并联电容器中由6个单相高压电容器组成；其特征在于，包括数据采集模块、数据传输模块、数据分析模块、数据显示模块和电源供给模块；
[0010]所述的电源供给模块包含高压电气隔离PT、开关电源和电源调理电路，所述的高压电气隔离PT为エ业级的变电站用PT，输出端接所述的开关电源输入接ロ ；所述的开关电源输出端直接与所述的电源调理电路的输入相连，电源调理电路的输出端与所述的数据采集模块相连，为所述的数据采集模块供电；
[0011]所述的数据采集模块由48个电流互感器、12个电压互感器、48个温度传感器和6块数据采集板组成，所述的48个电流互感器分别一一套接与所述的35kV高压并联电容器的内部电容根部，所述的12个电压互感器分别一一安装在所述的35kV高压并联电容器的内部放电线圈的二次侧，所述的48个温度传感器分别一一贴合在所述的35kV高压并联电容器的外壳上，所述的数据采集板包括主控单元CPU和A/D转换电路，所述的8个电流互感 器、2个电压互感器、8个温度传感器和I块数据采集板组成一组，分别用于所述的35kV高 压并联电容器中的单相高压电容器的电流、电压和温度的数据采集；所述的电流互感器及 电压互感器的输出信号通过电源调理电路后直接送入所述的数据采集板的A/D转换电路 后送入所述的数据采集板的主控单元CPU，所述温度传感器输出信号为数字信号，直接送入 所述的数据采集板的主控单元CPU ；
[0012]所述的数据传输模块包括不止一个光纤收发器和一个以太网交换机，所述的数据 采集板的电流、温度数据经双绞线传输给所述的其一光纤收发器后，经光纤传输给另一光 纤收发器，然后经双绞线传输给所述的以太网交换机后再传输给所述的另二光纤收发器， 接着经光纤传输给另三光纤收发器后，经双绞线传输给所述的数据分析模块；
[0013]所述的数据采集模块采集的数据分析模块电流、电压、温度数据经所述的数据分 析模块分析后，得到的分析数据经所述的数据显示模块显示。
[0014]作为优选，所述的高压电气隔离PT为工业级的变电站用PT，其隔离等级是10kV， 输入端接市电220V。
[0015]作为优选，所述的开关电源输出端输出12V电压后直接与所述的电源调理电路的 输入相连。
[0016]作为优选，所述的电源调理电路的输出电压为3.3V和±5V。
[0017]作为优选，所述的48个温度传感器分别一一贴合在所述的35kV高压并联电容器 的外壳离地面2/3处的位置处。
[0018]作为优选，所述的A/D转换电路通过IO 口直接与所述的主控单元CPU相连接。
[0019]作为优选，所述的温度传感器采用型号为DS18B20的温度传感器，它是特制的具 有磁性的贴片式数字温度传感器，具有体积小、接线方便、精确度高、测温方便等优点。
[0020]作为优选，所述的主控单元CPU采用LM3S9B90芯片，所述A/D转换电路芯片采用 AD7656 芯片。
[0021]利用所述的35kV高压并联电容器在线监测系统对所述的35kV高压并联电容器在 线监测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0022]步骤1:通过所述的数据采集模块采集所述的35kV高压并联电容器的电流、电压、 温度数据，并通过所述的数据传输模块将所述的电流、电压、温度数据传输至所述的数据分 析模块；
[0023]步骤2:利用所述的数据分析模块对所述的电流、电压、温度数据进行分析，其具 体分析过程包括以下子步骤:
[0024]步骤2.1:判断电容器是否有分合闸动作，
[0025]若有:则不进行故障判断，将分合闸动作前后50个周期的波形和数据存储到文件 中，然后启动分合闸计时器，并进行谐波分析、定时存储和下一次的电流、电压、温度数据读 取操作；
[0026]若无:则执行下述操作，进行第二次判断；
[0027]步骤2.2:判断分合闸计时器是否超时，
[0028]若否，则仍不进行故障判断，定时记录当前谐波失真度和各次谐波分量并继续等 待，直到分合闸计时器超时；[0029]若是，则执行下述操作，对所述的电流、电压、温度数据进行分析；
[0030]步骤2.3:时域分析，其具体包括电流、电压有效值和电容量的计算；
[0031]步骤2.4:频域分析，其具体是进行谐波失真度和各次谐波分量的计算；
[0032]步骤2.5:依据电流、温度横向比较和电容计算值纵向比较进行故障判断和防范；
[0033]步骤3:将各种情况的数据存储完毕后，根据用户选择来执行继续电流、电压、温度数据采集或退出操作；
[0034]若执行继续电流、电压、温度数据采集操作，则等待用户重新设置采集參数，再次开始米集；
[0035]若执行退出操作，则跳出循环，结束电流、电压、温度数据分析；
[0036]步骤4:通过所述的显示模块将所述的电流、电压、温度数据分析结果显示出来。
[0037]作为优选，所述的电流、电压有效值和电容量的计算，其具体实现过程是利用过零比较法确定每个周期内的采样点数，计算得到电流1、电压U的有效值及电容量C:
【权利要求】
1.一种35kV高压并联电容器在线监测系统，所述的35kV高压并联电容器中由6个单相高压电容器组成；其特征在于，包括数据采集模块、数据传输模块、数据分析模块、数据显示模块和电源供给模块；所述的电源供给模块包含高压电气隔离PT、开关电源和电源调理电路，所述的高压电气隔离PT为工业级的变电站用PT，输出端接所述的开关电源输入接口 ；所述的开关电源输出端直接与所述的电源调理电路的输入相连，电源调理电路的输出端与所述的数据采集模块相连，为所述的数据采集模块供电；所述的数据采集模块由48个电流互感器(1)、12个电压互感器(2)、48个温度传感器(3)和6块数据采集板(4)组成，所述的48个电流互感器(I)分别一一套接与所述的35kV 高压并联电容器的内部电容根部，所述的12个电压互感器(2)分别一一安装在所述的35kV 高压并联电容器的内部放电线圈的二次侧，所述的48个温度传感器(3)分别一一贴合在所述的35kV高压并联电容器的外壳上，所述的数据采集板(4)包括主控单元CPU和A/D转换电路，所述的8个电流互感器(1)、2个电压互感器(2)、8个温度传感器(3)和I块数据采集板(4)组成一组，分别用于所述的35kV高压并联电容器中的单相高压电容器的电流、电压和温度的数据采集；所述的电流互感器(I)及电压互感器(2)的输出信号通过电源调理电路后直接送入所述的数据采集板(4)的A/D转换电路后送入所述的数据采集板(4)的主控单元CPU，所述温度传感器(3)输出信号为数字信号，直接送入所述的数据采集板(4)的主控单元CPU ；所述的数据传输模块包括不止一个光纤收发器(5)和一个以太网交换机(6)，所述的数据采集板(4)的电流、温度或电压数据经双绞线传输给所述的其一光纤收发器(5)后，经光纤传输给另一光纤收发器(5),然后经双绞线传输给所述的以太网交换机(6)后再传输给所述的另二光纤收发器(5)，接着经光纤传输给另三光纤收发器(5)后，经双绞线传输给所述的数据分析模块；所述的数据采集模块采集的数据分·析模块电流、电压、温度数据经所述的数据分析模块分析后，得到的分析数据经所述的数据显示模块显示。
2.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的高压电气隔离PT为工业级的变电站用PT，其隔离等级是IOkV,输入端接市电220V。
3.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的开关电源输出端输出12V电压后直接与所述的电源调理电路的输入相连。
4.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的电源调理电路的输出电压为3.3V和±5V。
5.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的48 个温度传感器(3)分别一一贴合在所述的35kV高压并联电容器的外壳离地面2/3处的位置处。
6.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的A/ D转换电路通过IO 口直接与所述的主控单元CPU相连接。
7.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的温度传感器(3)采用型号为DS18B20的温度传感器。
8.根据权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统，其特征在于:所述的主控单元CPU采用LM3S9B90芯片，所述A/D转换电路芯片采用AD7656芯片。
9.利用权利要求1所述的35kV高压并联电容器在线监测系统对所述的35kV高压并联电容器在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:通过所述的数据采集模块采集所述的35kV高压并联电容器的电流、电压、温度数据，并通过所述的数据传输模块将所述的电流、电压、温度数据传输至所述的数据分析模块； 步骤2:利用所述的数据分析模块对所述的电流、电压、温度数据进行分析，其具体分析过程包括以下子步骤: 步骤2.1:判断电容器是否有分合闸动作， 若有:则不进行故障判断，将分合闸动作前后50个周期的波形和数据存储到文件中，然后启动分合闸计时器，并进行谐波分析、定时存储和下一次的电流、电压、温度数据读取操作； 若无:则执行下述操作，进行第二次判断； 步骤2.2:判断分合闸计时器是否超吋， 若否，则仍不进行故障判断，定时记录当前谐波失真度和各次谐波分量并继续等待，直到分合闸计时器超时； 若是，则执行下述操作，对所述的电流、电压、温度数据进行分析； 步骤2.3:时域分析，其具体 包括电流、电压有效值和电容量的计算； 步骤2.4:频域分析，其具体是进行谐波失真度和各次谐波分量的计算； 步骤2.5:依据电流、温度横向比较和电容计算值纵向比较进行故障判断和防范； 步骤3:将各种情况的数据存储完毕后，根据用户选择来执行继续电流、电压、温度数据采集或退出操作； 若执行继续电流、电压、温度数据采集操作，则等待用户重新设置采集參数，再次开始米集； 若执行退出操作，则跳出循环，结束电流、电压、温度数据分析； 步骤4:通过所述的显示模块将所述的电流、电压、温度数据分析结果显示出来。
10.根据权利要求9所述的35kV高压并联电容器在线监测方法，其特征在于:所述的电流、 电压有效值和电容量的计算，其具体实现过程是利用过零比较法确定每个周期内的采样点数，计算得到电流1、电压U的有效值及电容量C:"蕾
11.根据权利要求9所述的35kV高压并联电容器在线监测方法，其特征在于:所述的谐波失真度和各次谐波分量的计算，其具体实现过程是:在所述的数据分析模块的谐波分析模块中内置矩形窗、三角窗、Hanning窗、Blackman窗,实际运行时默认采用Blackman窗； 如果出现电网频率异常波动，则选用主瓣宽度较窄且便于分辨的矩形窗；如果出现电流或电压有效值异常波动，则选用旁瓣幅度小的Hanning窗或三角窗，计算时，所述的各次谐波分量即为电流、电压做自适应加窗插值的FFT变换后在整数倍基波频率处的频谱幅值，分别用Ih，Uh表示，计算所述的电流谐波失真度THD_1、电压谐波失真度THD_U:
12.根据权利要求9所述的35kV高压并联电容器在线监测方法，其特征在于:所述的依据电流、温度横向比较进行故障判断和防范，其具体实现过程是将各正常电容通道电流信号的有效值进行比较，若某通道偏差大于用户设定的阈值，则认为该通道电容运行不正常，如连续4次运行不正常，则排除噪声干扰，判定电容已经出现故障，此时，记录故障电容编号和当时的有效值、谐波失真度和各次谐波分量，同时将故障前后总计50个周期的波形和数据存储到文件中，给出故障报警指示，同时，为防止故障电容影响基准有效值，即各通道电流信号有效值的平均，将确定为故障的电容器从正常电容通道中排除，加入到故障通道中。
13.根据权利要求9所述的35kV高压并联电容器在线监测方法，其特征在于:所述的依据纵向比较进行故障判断和防范，其具体实现过程是将发生故障的电容的前后两次电容计算值进行比较，如果两者差距小于设定的阈值，认为故障信号已经稳定，故不再存储其数据，如果两者差距连续4次大于阈值，认为故障信号尚未稳定，则存储前后总计40个周期的波形数据，为分析故障信号特征和来源提供参考。
14.根据权利要求9所述的35kV高压并联电容器在线监测方法，其特征在于:所述的显示模块包括展示于LabVIEW界面上的整体运行状态监测页面、时域频域监测页面、波 形数据查询页面、分合闸记录页面和故障记录查询页面。
【文档编号】G01R31/00GK103592554SQ201310645512
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】王先培, 龙嘉川, 严裕程, 朱国威, 田猛, 代荡荡, 刘振东, 叶波 申请人:武汉大学