一种电容器组在线监测装置及其应用方法与流程

本发明涉及配电自动化技术，具体涉及一种电容器组在线监测装置及其应用方法。

背景技术：

在电网运行中电容器组是重要的环节，尤其是高压侧电容器组，如果电容器组工作异常或者误动作则会影响我们的用电，目前大部分都是在停电检修时由人工观察或者仪器去进行检查，没有做到实时的在线监控，这样不仅浪费时间而且也不能及时掌握故障的信息，工作人员不能及时的维修，这是现有技术所存在的不足。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够对电力电容器组设备进行实时的在线监测，可以远程监测和操控电容器组运行状态以及电容器组动作的电容器组在线监测装置及其应用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种电容器组在线监测装置，包括传感器组和在线监测单元，所述传感器组包括进线端电压电流检测单元、出线端电压电流检测单元和温湿度检测单元，所述进线端电压电流检测单元、出线端电压电流检测单元均包括电子电压互感器和电子电流互感器，所述进线端电压电流检测单元的电子电压互感器和电子电流互感器设于电容器组的进线端，所述出线端电压电流检测单元的电子电压互感器和电子电流互感器设于电容器组的出线端，所述温湿度检测单元包括装设于电容器组节点以及电容器内部的温湿度传感器，所述电子电压互感器、电子电流互感器、温湿度传感器的输出端分别与在线监测单元相连。

优选地，所述在线监测单元包括单片机、通讯模块、故障指示灯和电源模块，所述电子电压互感器、电子电流互感器、温湿度传感器的输出端分别与单片机相连，所述单片机分别与通讯模块、故障指示灯相连，所述电源模块的输出端分别与单片机、通讯模块、故障指示灯相连。

优选地，所述在线监测单元上还连接有电容器散热单元，所述电容器散热单元包括电磁继电器和排风扇，所述电磁继电器的控制端和单片机相连，所述电磁继电器的输出端和排风扇相连，所述排风扇装设于电容器组的外壳上。

本发明还提供前述的电容器组在线监测装置的应用方法，实施步骤包括：所述在线监测单元通过温湿度传感器的输出的数据，通过灰色预测算法对所述电容器组的节点以及电容器组内部温度值进行预测。

优选地，所述通过灰色预测算法对所述电容器组的节点以及电容器组内部温度值进行预测的步骤包括：

1)记录温湿度传感器输出的电容器组的节点及电容器组内部温度值并记录为式(1)所示表达式形式的序列X⁽⁰⁾：

X⁽⁰⁾＝{x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),...,x⁽⁰⁾(k),...,x⁽⁰⁾(n)} (1)

式(1)中，x⁽⁰⁾(k)表示第k个温湿度传感器输出的温度值，x⁽⁰⁾(k)≥0且k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；

2)根据序列X⁽⁰⁾通过式(2)所示表达式生成数据序列X⁽¹⁾；

式(2)中，x⁽¹⁾(k)表示数据序列X⁽¹⁾中的第k个元素，其中k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；x⁽⁰⁾(i)表示序列X⁽⁰⁾中第i个温湿度传感器输出的温度值；

3)根据数据序列X⁽¹⁾通过式(3)所示表达式生成数据序列Z⁽¹⁾；

式(3)中，z⁽¹⁾(k)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第k个元素，x⁽¹⁾(k)表示数据序列X⁽¹⁾中的第k个元素，x⁽¹⁾(k-1)表示数据序列X⁽¹⁾中的第k-1个元素，k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；

4)建立如式(4)所示函数方程式，并构造如式(5)所示数据矩阵B和数据向量Y；

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b (4)

式(4)中，x⁽⁰⁾(k)表示第k个温湿度传感器输出的温度值，z⁽¹⁾(k)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第k个元素，k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量，a和b为待求解参数；

式(5)中，x⁽⁰⁾(k)表示第k个温湿度传感器输出的温度值，k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；z⁽¹⁾(2)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第2个元素，z⁽¹⁾(3)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第3个元素，z⁽¹⁾(4)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第4个元素，z⁽¹⁾(5)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第5个元素；

5)求解式(4)所示函数方程式的最小二乘估计系数列使其满足式(6)，得到参数a和b的求解结果；

式(6)中，表示计算的最小二乘估计系数，B表示数据矩阵，Y表示数据向量；

6)根据式(7)所示预测模型预测电容器组的节点以及电容器组内部温度值的预测值；

式(7)中，表示预测的下一时刻的温度值，x⁽¹⁾(0)表示初始时刻记录的温度值，a和b为求解得到的参数。

优选地，步骤6)得到电容器组的节点以及电容器组内部温度值的预测值后，还包括下属步骤：如果预测值在50℃以上，则单片机通过电磁继电器开启排风扇对电容器组进行降温处理；如果预测值超过设定的温度值则单片机输出预警信息，如果检测值在15分钟内连续上升或预测值超过设定的温度值则发送温升预警信息，在温度值超过设定值时则断开断路器同时发送故障信息到所述后台管理服务器并通过故障指示灯就地显示故障信息。

优选地，本发明还包括所述在线监测单元通过电子电压互感器、电子电流互感器的输出的数据进行电容器组故障诊断的步骤，详细步骤包括：

S1)判断电容器组是否发生金属接地故障，如果某一相电压为零、其余两相电压为57.7V，开口三角电压Uo为100V且与线电压Uxgq的相位差为180°，则判定该相发生金属接地故障；

S2)判断电容器组是否发生弧光接地故障，所述弧光接地故障以正相序为基准，对地电压最高相的滞后相为接地相，如果开口三角电压Uo相对某一相电压Ux朝前90°，且该相电压Ux的绝对值的平方、开口三角电压Uo的绝对值的平方两者之和等于线电压Uxgq的绝对值的平方，对地电压均小于1.9倍非故障时的电压，则判定该相发生金属接地故障；

S3)判断电容器组是否发生短路故障，如果电容器组所连变压器为中性点非有效接地系统时，如果某一相电压为0、电流超过预设阈值，其余相的电压升高根号3倍、相电流升高3倍，则判定该相发生短路故障；如果电容器组所连变压器为中性点有效接地系统时，如果某一相电压为0、电流为0，其余相的电压电流均不变，则判定该相发生短路故障；

S4)如果电容器组发生接地故障或者短路故障，且温湿度检测单元测得的温度值高于设定的温度值、湿度值高于设定的湿度值，则判定电容器组损坏；否则如果电容器组没有发生接地故障或者短路故障，且温湿度检测单元测得的温度值低于设定的温度值、湿度值低于设定的湿度值，则判定电容器组没有损坏。

本发明电容器组在线监测装置具有下述优点：本发明电容器组在线监测装置包括传感器组和在线监测单元，传感器组包括进线端电压电流检测单元、出线端电压电流检测单元和温湿度检测单元，进线端电压电流检测单元、出线端电压电流检测单元均包括电子电压互感器和电子电流互感器，进线端电压电流检测单元的电子电压互感器和电子电流互感器设于电容器组的进线端，出线端电压电流检测单元的电子电压互感器和电子电流互感器设于电容器组的出线端，温湿度检测单元包括装设于电容器组节点以及电容器内部的温湿度传感器，通过上述结构能够对电力电容器组设备进行实时的在线监测，可以远程监测和操控电容器组运行状态以及电容器组动作。

本发明电容器组在线监测装置的应用方法为本发明前述电容器组在线监测装置的应用方法，在线监测单元通过温湿度传感器的输出的数据，通过灰色预测算法对所述电容器组的节点以及电容器组内部温度值进行预测，能够基于当前的温度检测对未来的温度值进行准确地预测，为对电容器组进行散热、预警和报警等功能提供了信息基础。

附图说明

图1为本发明实施例的框架结构示意图。

图2为本发明实施例的安装结构示意图。

图例说明：1、传感器组；11、进线端电压电流检测单元；12、出线端电压电流检测单元；13、温湿度检测单元；2、在线监测单元；21、单片机；22、通讯模块；23、故障指示灯；24、电源模块；3、电容器散热单元；31、电磁继电器；32、排风扇。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的电容器组在线监测装置包括传感器组1和在线监测单元2，传感器组1包括进线端电压电流检测单元11、出线端电压电流检测单元12和温湿度检测单元13，进线端电压电流检测单元11、出线端电压电流检测单元12均包括电子电压互感器和电子电流互感器，进线端电压电流检测单元11的电子电压互感器和电子电流互感器设于电容器组的进线端，出线端电压电流检测单元12的电子电压互感器和电子电流互感器设于电容器组的出线端，温湿度检测单元13包括装设于电容器组节点以及电容器内部的温湿度传感器，电子电压互感器、电子电流互感器、温湿度传感器的输出端分别与在线监测单元2相连。参见图2，本实施例中进线端电压电流检测单元11包括电子电压互感器11#1和电子电流互感器11#2，出线端电压电流检测单元12包括电子电压互感器12#1和电子电流互感器12#2，温湿度检测单元13包括装设于电容器组节点的温湿度传感器13#1、13#6，以及电容器内部的温湿度传感器13#2～13#4，电子电压互感器11#1、电子电流互感器11#2、电子电压互感器12#1、电子电流互感器12#2、温湿度传感器13#1～13#6的输出端分别与在线监测单元2相连。此外，在线监测单元2还与电容器组的断路器相连，用于控制电容器组的投入状态，但是上述内容涉及电容器组的控制，故不在本实施例在线监测装置讨论之内。

如图1所示，在线监测单元2包括单片机21、通讯模块22、故障指示灯23和电源模块24，电子电压互感器、电子电流互感器、温湿度传感器的输出端分别与单片机21相连，单片机21分别与通讯模块22、故障指示灯23相连，电源模块24的输出端分别与单片机21、通讯模块22、故障指示灯23相连。本实施例中，通讯模块22具体采用GPRS模块，用于将所述单片机21检测到信息和分析的数据通过GPRS无线网络传送到后台管理服务器并能够与所述后台管理服务器进行双向通信；故障指示灯23用于电容器组故障时指示故障信息；电源模块24用于为所述监控装置提供电能。

如图1和图2所示，在线监测单元2上还连接有电容器散热单元3，电容器散热单元3包括电磁继电器31和排风扇32，电磁继电器31的控制端和单片机21相连，电磁继电器31的输出端和排风扇32相连，排风扇32装设于电容器组的外壳上，当电容器组内温湿度过高时可通过开通电磁继电器31启动排风扇32对电容器组进行降温排湿。

本实施例中，单片机21通过采集对所述电子电压互感器、电子电流互感器检测到电容器组的进线端和出线端的电压和电流进行数据分析，单片机21能够分别存储1000个电子电压互感器、电子电流互感器、温湿度传感器检测到的电压值、电流值、温湿度数据。同时，单片机21通过采集对多个温湿度传感器检测到的电容器组节点以及内部温度进行数据分析。本实施例的电容器组在线监测装置的应用方法的实施步骤包括：在线监测单元2通过温湿度传感器的输出的数据，通过灰色预测算法对所述电容器组的节点以及电容器组内部温度值进行预测。本实施例中，通过灰色预测算法对所述电容器组的节点以及电容器组内部温度值进行预测的步骤包括：

1)记录温湿度传感器输出的电容器组的节点及电容器组内部温度值并记录为式(1)所示表达式形式的序列X⁽⁰⁾：

X⁽⁰⁾＝{x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),...,x⁽⁰⁾(k),...,x⁽⁰⁾(n)} (1)

式(1)中，x⁽⁰⁾(k)表示第k个温湿度传感器输出的温度值，x⁽⁰⁾(k)≥0且k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；

2)根据序列X⁽⁰⁾通过式(2)所示表达式生成数据序列X⁽¹⁾；

式(2)中，x⁽¹⁾(k)表示数据序列X⁽¹⁾中的第k个元素，其中k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；x⁽⁰⁾(i)表示序列X⁽⁰⁾中第i个温湿度传感器输出的温度值；

3)根据数据序列X⁽¹⁾通过式(3)所示表达式生成数据序列Z⁽¹⁾；

式(3)中，z⁽¹⁾(k)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第k个元素，x⁽¹⁾(k)表示数据序列X⁽¹⁾中的第k个元素，x⁽¹⁾(k-1)表示数据序列X⁽¹⁾中的第k-1个元素，k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；

4)建立如式(4)所示函数方程式，并构造如式(5)所示数据矩阵B和数据向量Y；

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b (4)

式(4)中，x⁽⁰⁾(k)表示第k个温湿度传感器输出的温度值，z⁽¹⁾(k)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第k个元素，k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量，a和b为待求解参数；

式(5)中，x⁽⁰⁾(k)表示第k个温湿度传感器输出的温度值，k＝1,2,…,n，n表示温湿度传感器的数量；z⁽¹⁾(2)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第2个元素，z⁽¹⁾(3)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第3个元素，z⁽¹⁾(4)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第4个元素，z⁽¹⁾(5)表示数据序列Z⁽¹⁾中的第5个元素；

5)求解式(4)所示函数方程式的最小二乘估计系数列使其满足式(6)，得到参数a和b的求解结果；

式(6)中，表示计算的最小二乘估计系数，B表示数据矩阵，Y表示数据向量；

6)根据式(7)所示预测模型预测电容器组的节点以及电容器组内部温度值的预测值；

式(7)中，表示预测的下一时刻的温度值，x⁽¹⁾(0)表示初始时刻记录的温度值，a和b为求解得到的参数。

本实施例中，步骤6)得到电容器组的节点以及电容器组内部温度值的预测值后，还包括下属步骤：如果预测值在50℃以上，则单片机21通过电磁继电器31开启排风扇32对电容器组进行降温处理；如果预测值超过设定的温度值(本实施例中具体为50℃)则单片机21输出预警信息，如果检测值在15分钟内连续上升或预测值超过设定的温度值则发送温升预警信息，在温度值超过设定值时则断开断路器同时发送故障信息到所述后台管理服务器并通过故障指示灯23就地显示故障信息。

通过数据分析可以判断电容器组在故障时的故障类型后，结合安装在电容器组上的温湿度传感器的温度值和湿度值分析出在电容器组的工作状态是否正常。本实施例包括所述在线监测单元2通过电子电压互感器、电子电流互感器的输出的数据进行电容器组故障诊断的步骤，故障类型包括接地故障和短路故障，详细步骤包括：

S1)判断电容器组是否发生金属接地故障，如果某一相电压为零、其余两相电压为57.7V，开口三角电压Uo为100V且与线电压Uxgq的相位差为180°，则判定该相发生金属接地故障；以A相接地为例，故障相电压Ua＝0，健全相电压Ub、Uc＝57.7V，开口三角Uo＝100V，Uo与线电压Uagq相位差为180°，则判定A相发生金属接地故障；

S2)判断电容器组是否发生弧光接地故障，所述弧光接地故障以正相序为基准，对地电压最高相的滞后相为接地相，如果开口三角电压Uo相对某一相电压Ux朝前90°，且该相电压Ux的绝对值的平方、开口三角电压Uo的绝对值的平方两者之和等于线电压Uxgq的绝对值的平方，对地电压均小于1.9倍非故障时的电压，则判定该相发生金属接地故障；以A相接地为例，弧光接地以正相序为基准，对地电压最高相的滞后相为接地相，如果开口三角电压Uo相比相电压Ua超前90°，且满足|Ua|²+|Uo|²＝|Uagq|²，对地电压均小于1.9倍，则判定A相发生金属接地故障；

S3)判断电容器组是否发生短路故障，如果电容器组所连变压器为中性点非有效接地系统时，如果某一相电压为0、电流超过预设阈值，其余相的电压升高根号3倍、相电流升高3倍，则判定该相发生短路故障；如果电容器组所连变压器为中性点有效接地系统时，如果某一相电压为0、电流为0，其余相的电压电流均不变，则判定该相发生短路故障；以A相短路为例，如果是中性点非有效接地系统，故障相的电压为0，故障相的电流很大，非故障相的电压升高根号3倍，非故障相电流升高3倍；如果是中性点有效接地系统，故障相电压为0，故障相电流为0，非故障相电压基本不变，非故障相电流基本不变；

S4)如果电容器组发生接地故障或者短路故障，且温湿度检测单元13测得的温度值高于设定的温度值、湿度值高于设定的湿度值，则判定电容器组损坏；否则如果电容器组没有发生接地故障或者短路故障，且温湿度检测单元13测得的温度值低于设定的温度值、湿度值低于设定的湿度值，则判定电容器组没有损坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。