专利名称：电容器组保护与状态监测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种并联电容器和并联电容器组保护及其方法，尤其是高压并联电容器组保 护与状态监测装置及其方法。
背景技术：
我国高压并联电容器内部故障的后备保护(当采用内或外熔丝作为主保护时)或主保护 (无熔丝保护时)，长期依据和实施现行国家标准GB50227-95《并联电容器装置设计规范》 关于电容器内部故障保护方式配置中的以下规定-
6. 1. 2电容器组应装设不平衡保护，并应符合下列规定
6.1.2. l单星形接线的电容器组，可釆用开口三角电压保护。
6. 1.2.2串联段数为二段及以上的单星形电容器组，可采用电压差动保护。
6. 1. 2. 3每相能接成四个桥臂的单星形电容器组，可采用桥式差电流保护。
6. 1. 2. 4双星型接线电容器组，可采用中性点不平衡电流保护。
当电容器内部某元件发生击穿短路，或则引起内熔丝熔断隔离故障元件(设有内熔丝保 护)，或则引起电容器内部部分串联段短路直至故障发展成全部短路(无熔丝保护)，或电容 器内部部分或全部串联段击穿短路过电流引起外熔丝熔断切除故障电容器(设有外熔丝保 护)。上述故障状态会造成电容器三相电容量不平衡，及电容器组中性点电位漂移。这样， 或在与电容器连接的三相放电线圈的二次侧接成开口三角处会出现零序电压U。(当采用上述 第一种保护方案时)；或造成某故障相中不同串联段之间电容量不平衡而产生电压差AU (当 采用上述第二种保护方案时)；或者造成某故障相桥臂之间电容量不平衡，而产生差电流AI (当采用上述第三种保护方案时)；或者造成双星形两臂之间电容量不平衡，在中性点连接 线中出现不平衡电流I。(当采用上述第四种保护方案时)。当相应保护继电器检测到U。、 AU、 AI、 1。超过保护整定值时，保护动作跳闸，撤除发生故障的电容器组，从而避免事故扩大。 通常可根据电容器组的容量与电压等级选用上述接线与保护方式，国内外迄今沿袭应用。
不平衡保护配合整定原则，遵照GB50227-95标准中的相关规定，采用外熔丝保护的电 容器组，其中不平衡保护应按单台电容器允许过电压值整定；采用内熔丝保护和无熔丝保护 的电容器组，其不平衡保护应按电容器内部元件过电压允许值整定。
在电容器组无故障情况下，由于初始电容的不均衡(或相间，或某相的串联段之间，或 某相的各桥臂之间，或双星形的两臂之间)，以及由于三相电源电压不对称平衡、保护用传 感器性能偏差等等原因，对各种不平衡保护会造成不同程度影响，使开口三角电压保护和相 电压差动保护产生起始不平衡电压，使桥式差电流保护和双星形中性点不平衡电流保护产生 起始不平衡电流。为了防止保护发生误动作，根据现行电力标准DL/T584-95《3 110kv电 网继电保护装置运行整定规程》中的有关规定，不平衡保护的整定值必须大于或等于1.5倍起始不平衡值。
现有不平衡保护存在以下主要问题
1. 由于现有不平衡保护装置只能选择与外熔丝，内熔丝和无熔丝保护其中的一种方式进 行配合整定，如果外熔丝或内熔丝保护失效，则不平衡保护将失去预期的保护作用，致使电 容器内部故障继续发展，甚至引发严重事故；
2. 起始不平衡电压或起始不平衡电流的存在，不仅使保护整定值加大，而且可能使保护 实际动作值减小(当电容器故障时预期保护动作值与起始不平衡的相位夹角在90° 270°之 间时)；
3. 发生对称性故障，不平衡保护不起作用；
4. 现有保护装置缺少对电容器运行状态的实时监测，以及缺乏对电容器组的投切过程和 故障跳闹过程的录波功能，以致对电容器装置运行状态分析，尤其是对电容器装置发生事故 原因分析研究缺少基础依据。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的一个目的是提供一种保护装置，该保护装置不仅可克服现有保 护装置的弊端而且对电容器组运行状态实施实时监测，保障安全可靠运行。
本发明的另一个目的是摒弃传统的不平衡保护的原理与形制，提出一种保护方法，该方 法建立以电容器组每相的原始容抗为基准，将实时监测与其比较，如某相容抗变化率超过允 许值则令保护动作跳闸。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案-
一种电容器组保护与状态监测装置，包括由高压并联电容器组、电抗器和断路器组成的 串联支路，其特征在于
所述高压并联电容器组的两端接电压互感器，所述串联支路中连接电流互感器，所述电 压互感器的输出和电流互感器的输出送至一个控制器的输入，该控制器的输出控制所述断路 器的通断；
所述控制器包括-
数字信号处理器，用于对所述电压互感器和电流互感器的输出信号进行保护算法处理， 对所述断路器进行控制处理；
模数转换器，用于对所述电压互感器和电流互感器的输出信号进行模数变换，该模数转 换器的输入接所述电压互感器和电流互感器的输出信号，该模数转换器的输出接所述数字信 号处理器的数据输入口；
复杂可编程逻辑器件，用于执行所述数字信号处理器对所述断路器的控制逻辑，该复杂 可编程逻辑器件的输入接所述数字信号处理器的控制输出端，该复杂可编程逻辑器件的输出 控制所述断路器的通断。
进一步地
所述数字信号处理器的数据口连接缓存器，该缓存器用作数据缓存。 所述数字信号处理器的数据口连接存储卡，该存储卡用作存储采样数据。所述数字信号处理器的数据口通过双口缓存器连接微控制器，该微控制器用于人机对 话，该微控制器的输入输出口连接液晶显示器和键盘。 所述微控制器的通讯口连接通讯模块。
一种电容器组保护与状态监测方法，其特征在于包括以下步骤 步骤l
根据保护配合整定原则求得的电容器组故障相的容抗值X《和额定容抗值X^ ，按下式计
算容抗变化率XJ，并将其作为保护整定值
x %=xrf_xcn xl00%
步骤2
根据电压互感器和电流互感器实时检测的电容器组每相的端电压工频有效值l^和电流 工频有效值I e,按下式计算电容器组每相工频容抗值Xc:
XC = C/C〃C
步骤3
在电容器组投切之前，将每相原始实测值X^和保护整定值XJ输入保护装置中；在电
容器组投切后，根据实时监测的容抗Xe与原始值X^，按下式计算实时容抗变化率X》
x:%=n xioo% A。
步骤4
将实时容抗变化率X，。与保护整定值XJ相比，若X，。〉 XJ且采用内外熔丝保护时，或 者X，。〈 XJ且无熔丝保护时，则关断断路器，以切除故障电容器组。
进一步地，在步骤4后继续以下歩骤5:记录电容器组投切过程和故障跳闸过程中的三相 电压和电流波形，记录故障状态参数和故障发生时间，并存储备査。
更进一步地，当电容器组采用内熔丝或外熔丝作为主保护时，将无熔丝保护配合整定值 X y。亦置入保护装置中，并将实时容抗变化率X^与其比较，若X:。K X W则关断断路器， 以避免由于内、外熔丝保护失效致使电容器内部故障发展成贯穿性短路。
采用本发明后可获得以下有益效果
1. 保护装置灵敏可靠，不受电容不均衡、三相电源不对称平衡、传感器之间工作特性偏 差，以及电网谐波等外界因素影响。
2. 由于保护装置可实施与有熔丝和无熔丝双重配合，从而避免由于内、外熔丝失效而引 发事故的危险。
3. 对称性故障对于保护的性能和功能毫无影响。
4. 保护装置增设电容器组投切过程和故障跳闸过程录波与参数记录，有利于对其运行状 态和事故原因分析研究。
5. 有利于简化电容器组的接线与保护方式。
图1为本发明的结构示意图2为控制器的组成框图3为控制器中的单元电路连接图4为电压互感器和电流互感器的电路图5和图6为AD的电路图7为CPLD的电路图8为CPLD的外围电路图9为DSP的电路图10为存储卡、通讯接口、键盘的电路图11为缓存器的电路图12为通讯接口的电路图
图13为DSP主程序流程图14为DSP采样中断处理程序流程图15为DSP监测及保护算法流程图16为容抗实时计算流程图17为故障录波流程图18为MCU辅助处理程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图作进一步说明。
本发明的工作原理与实施要点如下
1. 按照现有不平衡保护配合整定原则，对于以下情况(1)在外熔丝相继切除若干台故 障电容器后，同一串联段的健全电容器所承受过电压未超过允许值时；(2)在内烙丝相继切 除若干故障元件后，同一串联段的健全元件所承受的过电压未超过允许值时；(3)在无熔丝 保护的电容器若千串联段相继击穿短路后，剩余串联段元件所承受的过电压未超过允许值
时，分别取所对应的电容器组故障相的容抗值xt/，将这些容抗值与额定容抗值x。"相比， 分别求出允许的容抗变化率XJ如下
Xr%=X。f Jen xl000/o ( 1 )
其中保护与内、外熔丝配合时X^是正数，在无熔丝保护时XJ是负数。将上述离线 计算的容抗变化率允许值作为保护的整定值。
2. 应用数字技术将实时检测的电容器组每相端电压工频有效值Ut.，除以同步检测的同 相电流工频有效值"，求得电容器组每相工频容抗值X^t/c〃c ，(因电容器内阻很小可忽 略)。
3. 在电容器组投运前，将每相容抗的原始实测值X。。和保护整定值Xj输入保护装置系统。在电容器组投运后，实时将监测的容抗、与原始值X。。计算实时容抗变化率(X>):
X. %=Xc 一义c。 xl00% (2) A。
4. 将X，。与对应于保护与内、外熔丝保护和无熔丝保护配合整定值X,相比。若X)〉 Xc% (当采用内外熔丝保护时)，或者X'J〈 X,(当无熔丝保护时)，则令保护动作跳闸。
5. 记录电容器组投切过程和故障跳闸过程中的三相电压和电流波形，记录故障状态参数 和故障发生时间，并存储备査。
此外，当电容器组采用内熔丝或外熔丝作为主保护时，要将无熔丝保护配合的整定值 X^J。亦置入保护系统，并将测算的X^与其比较，若X》〈X^96则保护动作跳闸，从而避免 由于内、外熔丝保护失效致使电容器内部故障发展成贯穿性短路。
下面，将从硬件配置和软件设计两个方面对本发明进行详细描述
硬件配置
本发明的电容器组保护与状态监测装置如图l所示，包括由高压并联电容器组K电抗 器2和断路器4组成的串联支路，高压并联电容器组l的两端接电压互感器6，串联支路中 连接电流互感器3，电压互感器6的输出和电流互感器3的输出送至一个控制器5的输入， 该控制器5的输出控制断路器4的通断。其中电流互感器用于检测电容器组的三相电流； 断路器用于投切电容器组和执行保护跳闹指令切除故障电容器组；电压互感器用于检测电容 器组三相电压。
如图2所示，控制器5包括数字信号处理器DSP，用于对电压互感器和电流互感器的 输出信号进行保护算法处理，对断路器进行控制处理；模数转换器AD，用于对电压互感器 和电流互感器的输出信号进行模数变换，其输入接电压互感器和电流互感器的输出信号，其 输出接DSP的数据输入口；复杂可编程逻辑器件CPLD，用于执行DSP对断路器的控制逻辑， 其输入接DSP的控制输出端，其输出控制断路器的通断。
此外
DSP的数据口还连接缓存器RAM,该RAM用作数据缓存。 DSP的数据口还连接存储卡SD/CF，该存储卡用作存储采样数据。
DSP的数据口还通过双口缓存器连接微控制器MCU，该MCU用于人机对话，MCU的输入输出 口连接液晶显示器和键盘。
MCU的通讯口连接通讯模块。
本发明针对高压电容器保护与状态监测装置保护及实时录波的要求，采用DSP+MCU的 双CPU结构，DSP用于保护算法及保护出口电容器动作处理，MCU用于人机界面及人机接口， 以及通讯的处理，动作逻辑由CPLD执行。数据采集方面采用14位双极性AD不间断采样， 外置的256KRAM作为数据Buffer,在录波触发后的时间窗内将数据Buffer中的采样数据存电压互感器和电流互感器不间断地采集高压并联电容器组的电压U,.和电流Ie，经14 位双极性AD转换成数字量后送入DSP。 05 计算电容器组每相工频容抗值乂1; = ^/￡://(:，根据 实时监测的容抗X'与原始值X^，计算出实时容抗变化率X^，将X，。与对应于保护配合整 定值乂。％进行对比，根据对比结果作出逻辑判断，再由CPLD执行相应的动作逻辑。
其间，采样的数据被放入外置的256K缓存器中。当发生需要关断断路器，以切除故障 电容器组时，则记录故障状态参数和故障发生时间，并将电容器组投切过程和故障跳闸过程 中的三相电压和电流波形保存在SD卡中备査。所记录的故障状态参数包括切除故障电容器 组前后的电流、电压真有效值及计算出来的三相有功功率、无功功率，真有效值的计算通过 电压、电流的采样点经过均方根值计算获得。系统电压，电流在经过PT、 CT转换后由AD采 样芯片获得采样值，故障时的采样值存储在SD卡中。
如图3所示，控制器中的各单元电路按如下关系连接
DSP的数据总线DSP—BUS与CPLD的数据总线、AD的数据总线相连；
DSP的ADLogic端口与AD的ADLogic端口相连；
DSP的复位端口DSP Reset与CPLD的复位端口、 AD的复位端口相连； DSP的CPLD复位端口 CPLD Reset与CPLD的CPLD复位端口相连； DSP的IO扩展端口 10 Expended与缓存器及存储卡的IO扩展端口相连； DSP的逻辑控制端口Logic Control与缓存器及存储卡的逻辑控制端口相连； CPLD的液晶复位端口LCD Reset及液晶逻辑端口LCD Logic分别与液晶显示器的对应端口 相连；
CPLD的IO总线IO Bus连接键盘；
CPLD的IO逻辑端口 10 Logic与缓存器及存储卡的IO逻辑端口相连。 其中双口缓存器和微控制器集成在CPLD的芯片中。 各单元电路的具体电路如图4-图12所示。
软件设计
软件分为三个部分分别为DSP算法处理程序，MCU处理程序及CPLD逻辑程序。CPLD 逻辑程序根据具体的出口逻辑确定。有效值采用半周期均方根值计算，谐波分析采用FFT算 法，均由DSP完成。现对DSP及MCU的程序说明如下
l.DSP主程序流程图(图13)。
系统启动后首先由DSP发起对片上设备进行自检及初始化，主要包括内部的RAM, FLASH 资源，片上的集成通讯模块SPI， SCI，CAN等，发现设备错误后闭锁掉整个系统，并报告错 误代码。片上设备初始化完成后对外围的设备MCU， CPLD进行初始化，主要是写入重要参数 的初始值，和外部设备通讯是否正常的检査，完成后开启AD模块，并接收从AD模块读取的 采样值，由DSP进行计算及保护算法的控制， 一个周期计算完毕后进行下一个周期的计算，不断循环。
2. DSP采样中断处理程序流程图(图14)。
DSP接收到AD采样数据准备好的中断信号以后，进入中断处理程序，首先检査AD转换 模块的状态后，读取本次转换的AD采样值。所读取的采样值通过校验后存储到数据Buffer 中，进行电压、电流真有效值，有功功率，无功功率及视在功率的计算，计算完毕后清除中 断标志，等待下一次中断。
3. DSP监测及保护算法流程图(图15)。
通过采样、计算得到系统和电容器的电压、电流、功率等参数后DSP根据公式计算出三 相电容的实时容值，和从FLASH中读取的容值限值相比较，如果越限则触发保护动作模块及 故障录波，否则程序将不断对电容器的实时容值进行计算，比较。
4. 容抗实时计算流程图(图16)。
从数据FLASH中读取在电容器投运前预先设置的每相电容器原始容抗及采用内熔丝，外 熔丝，没有熔丝时的允许容抗变化率，将通过AD采样计算得到的三相电压，电流有效值根
据公式XCA=UA/I ; X^Ura/Ira; XCC=UCC/ICC和义:..//。 = Z"—《:Q" 100%计算出容抗及容抗变 化率。
5. 故障录波流程图(图17)。
故障录波模块根据录波触发标志进行工作，査询到触发标志置位后首先启动故障录波模 块，开始记录采样值于DSP的内部RAM中，并于5个周波启动出口继电器进行保护控制，通 过返回节点信号确认保护是否到位后20个周波停止采样值的记录，将存储在DSP内部RAM 中的数据转移拷贝到CF/SD卡上。
6. MCU辅助处理程序流程图(图18)。
系统上电运行后，MCU对集成的通讯、驱动模块进行自检工作，再对外围的液晶、存储 器接口进行通讯检查，待得到DSP的查询字后，开始启动液晶的显示驱动模块，并对通讯口 进行侦听，对通讯进行应答处理。
权利要求
1.一种电容器组保护与状态监测装置，包括由高压并联电容器组、电抗器和断路器组成的串联支路，其特征在于所述高压并联电容器组的两端接电压互感器，所述串联支路中连接电流互感器，所述电压互感器的输出和电流互感器的输出送至一个控制器的输入，该控制器的输出控制所述断路器的通断；所述控制器包括数字信号处理器，用于对所述电压互感器和电流互感器的输出信号进行保护算法处理，对所述断路器进行控制处理；模数转换器，用于对所述电压互感器和电流互感器的输出信号进行模数变换，该模数转换器的输入接所述电压互感器和电流互感器的输出信号，该模数转换器的输出接所述数字信号处理器的数据输入口；复杂可编程逻辑器件，用于执行所述数字信号处理器对所述断路器的控制逻辑，该复杂可编程逻辑器件的输入接所述数字信号处理器的控制输出端，该复杂可编程逻辑器件的输出控制所述断路器的通断。
2. 如权利要求1所述的电容器组保护与状态监测装置，其特征在于 所述数字信号处理器的数据口连接缓存器，该缓存器用作数据缓存。
3. 如权利要求2所述的电容器组保护与状态监测装置，其特征在于 所述数字信号处理器的数据口连接存储卡，该存储卡用作存储采样数据。
4. 如权利要求3所述的电容器组保护与状态监测装置，其特征在于 所述数字信号处理器的数据口通过双口缓存器连接微控制器，该微控制器用于人机对话，该微控制器的输入输出口连接液晶显示器和键盘。
5. 如权利要求4所述的电容器组保护与状态监测装置，其特征在于 所述微控制器的通讯口连接通讯模块。
6. 如权利要求4所述的电容器组保护与状态监测装置，其特征在于-所述数字信号处理器采用DSP56F807FV80芯片； 所述复杂可编程逻辑器件采用EPM3256A-208P芯片； 所述双口缓存器和微控制器集成在所述复杂可编程逻辑器件的芯片中； 所述数字信号处理器的数据总线与所述复杂可编程逻辑器件的数据总线、模数转换器的数据总线相连；所述数字信号处理器的ADLogic端口与所述模数转换器的ADLogic端口相连； 所述数字信号处理器的复位端口与所述复杂可编程逻辑器件的复位端口 、模数转换器 的复位端口相连；所述数字信号处理器的CPLD复位端口与所述复杂可编程逻辑器件的CPLD复位端口相连；所述数字信号处理器的10扩展端口与所述缓存器及存储卡的10扩展端口相连； 所述数字信号处理器的逻辑控制端口与所述缓存器及存储卡的逻辑控制端口相连； 所述复杂可编程逻辑器件的液晶复位端口及液晶逻辑端口分别与所述液晶显示器的 对应端口相连；所述复杂可编程逻辑器件的10总线连接所述键盘；所述复杂可编程逻辑器件的io逻辑端口与所述缓存器及存储卡的io逻辑端口相连。
7. —种电容器组保护与状态监测方法，其特征在于包括以下步骤 步骤l根据保护配合整定原则求得的电容器组故障相的容抗值X《和额定容抗值X^ ，按下式 计算容抗变化率XJ，并将其作为保护整定值-x %=xcf-xcn xl00% xcn步骤2根据电压互感器和电流互感器实时检测的电容器组每相的端电压工频有效值U e和电 流工频有效值I ￡ ，按下式计算电容器组每相工频容抗值Xe:步骤3在电容器组投切之前，将每相原始实测值Xe。和保护整定值X j输入保护装置中；在 电容器组投切后，根据实时监测的容抗X￡与原始值X。。，按下式计算实时容抗变化率X>%c—义c。 xl00% A。步骤4将实时容抗变化率X，。与保护整定值X/M目比，若X》〉XJ且采用内外熔丝保护时， 或者X》〈XJ。且无熔丝保护时，则关断断路器，以切除故障电容器组。
8. 如权利要求7所述的电容器组保护与状态监测方法，其特征在于 在步骤4后继续以下步骤5:记录电容器组投切过程和故障跳闸过程中的三相电压和电流波形，记录故障状态参数 和故障发生时间，并存储备查。
9. 如权利要求7或8所述的电容器组保护与状态监测方法，其特征在于 当电容器组采用内熔丝或外熔丝作为主保护时，将无熔丝保护配合整定值X^呢亦置入保护装置中，并将实时容抗变化率X)与其比较，若X，。〈 x^z/。则关断断路器，以避免由 于内、外熔丝保护失效致使电容器内部故障发展成贯穿性短路。
全文摘要
本发明为电容器组保护与状态监测装置及方法。其装置由电容器组、断路器、电压互感器，电流互感器、控制器组成，控制器根据互感器的信号控制断路器的通断。其方法为根据电容器组故障相的容抗值和额定容抗值计算容抗变化率，将其作为保护整定值；根据实时检测的电容器组每相的端电压和电流工频有效值计算电容器组每相工频容抗值；在电容器组投切之前，将每相原始实测值和保护整定值输入保护装置中；在电容器组投切后，根据实时监测的容抗与原始值计算实时容抗变化率；比较实时容抗变化率与保护整定值，满足条件则关断断路器，以切除故障电容器组。本发明灵敏可靠，不受电容不均衡、三相电源不对称平衡、传感器之间工作特性偏差，以及电网谐波等外界因素影响。
文档编号H02H7/16GK101609977SQ200810115248
公开日2009年12月23日 申请日期2008年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者刘翔宇, 平孝香, 杨昌兴 申请人:北京赤那思电气技术有限公司