一种集合式并联电容器故障在线监测诊断方法与流程

本发明涉及一种输变电技术领域，具体讲涉及一种集合式并联电容器故障在线监测诊断方法。

背景技术：

并联电容器作为电力系统的重要设备，用于补偿系统中的感性无功功率，以改善电网功率因数、降低线路损耗、提高线路的输送能力。

目前，大多数集合式电容器一般由制作好的小体积电容器经串并联后装入大型电容器外壳中然后注入绝缘油而形成。这种集合式电容器体积大，散热性差，无法监控电容器内部元件的运行状况，无法判断内部单台电容器释放的压力，这类集合式电容器质量问题频繁出现。另一类集合式电容器将大电容器元件直接组装装入集合壳体内，单台电容器的外壳去掉了，避免了上述集合电容器出现的问题，但是采用大元件卷制，无法实现内熔丝结构，而以降低电容器介质场强增大体积来保证运行，该类电容器体积大，成本高，且当某一个小元件损坏时，就会导致整个元件串段短路，导致整个系统无法运行。

与传统的框架式并联电容器相比，集合式并联电容器具有单台容量大，占地面积小、运行维护简单等优点。在集合式并联电容器运行过程中，由于受到过电压、过电流及谐波等因素的影响，当内部单元电容器出现损坏时，需采用一定的保护方式防止故障扩大。

在长期的运行工作中，因为运行环境、人为因素以及设计方面的问题，电容器的故障频频发生，严重的威胁着电力系统的安全运行。因此研究并联电容器的故障诊断方法，针对主要的故障模式得出故障原因，并提出相应的对策，使维修人员能及时的了解设备故障的原因及相关信息，能有效的避免故障扩大，对电力系统的安全运行至关重要。

对高压并联电容器装置运行故障统计分析可以发现，设计问题、电容器质量问题、系统条件(谐波、过电压、过电流)、投切方式等原因导致电容器故障时，一般在故障发生后现场情况调查和母线故障录波仪记录的数据波形分析等方式进行故障判断，较难准确定位故障原因。

因此，需要提供一种集合式电容器故障在线监测方法，实现实时监测电容器的运行情况，及时发现电容器的故障并采取处理措施。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种集合式电容器故障在线监测方法，可实时在线监测集合式并联电容器的运行状况，及时发现集合式电容器故障并采取处理措施，防止故障发展成恶性事故。

本发明提供一种集合式并联电容器故障在线监测诊断方法，所述方法包括如下步骤：

(1)采集相电压、相电流和桥式电路保护的差流信号以及电容器内部最热点的温度；

(2)将采集信号定期发送到后台上位机；

(3)上位机对接收的信号进行分析判断。

进一步的，在电容器正常运行时，实时监测各相相电压、相电流和保护电路电流，并定期将数据传送至上位机；当分、合闸操作或发生故障时，实时作出判断并采集故障过程或分合闸过程的电压和电流波形，保存后传送至上位机处理。

进一步的，所述步骤(1)中，在电容器设置的传感器获取电压、电流信号和温度信息；所述传感器将双重隔离放大处理的电压、电流信号传送至测量控制部分处理；采集电路将多通道的电压、电流监测信号处理为数字信号。

进一步的，所述的双重隔离放大处理为将电压和电流信号变换为二次侧的信号，依次通过微型精密电压互感器和放大限幅保护电路后，传送至测量控制部分处理。

进一步的，用“1线总线”接口的数字化温度传感器采集温度信息。

进一步的，所述步骤(2)中，数据采集模块采集的数据由采用串口协议、波特率为2MBit/s的光调制解调器通过光纤传输到上位机。

进一步的，所述步骤(3)中，对上位机接收的信号进行数字滤波、时域分析和谱域分析，根据检测算法检测电容器设备状态的结果给出报警或操作提示；后台软件系统实时横向比较测量结果与判定阀值，并结合单台纵向比较法进行数据处理和分析判断。

进一步的，上位机存储器包括数据缓冲区：正常运行状态数据存储于常规缓冲区(A区)；暂态过程信号的数据存储于暂态缓冲区(B区)。

进一步的，对同时出现的暂态过程，仅判断采集其中一个过程，优先级按合闸、分闸及故障异常过程处理；在暂态过程数据存储过程中，不再进行新的暂态过程判别处理。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

(1)、本发明提供的技术方案用的温度测量单元的采集模块中温度传感器使用的“1线总线”传输方式，大大提高了系统的抗干扰性。

(2)、本发明提供的技术方案中温度测量单元与采集测量单元之间采用光电隔离通讯，使用光纤传输系统，大大提高了测量的可靠性和抗干扰性能。

(3)本发明提供的技术方案中采集模块采用多核处理单元并行模式，需要采集更多信号通道是可进行N×24扩展，大大提高了信息处理效率和扩展灵活性，各模块设计保证各参量测量精度。

(4)本发明提供的技术方案实时在线监测集合电容器的运行状况，并可定时记录存储，进行历史查询，具有良好的电位隔离和通信能力，从而实现对集合电容器介质劣化的早期检测及预警功能。

附图说明

图1为集合式电容器电压和电流测量单元原理图；

图2为集合式电容器温度测量单元原理图；

图3为集合式电容器在线监测原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提供的一种集合式并联电容器故障在线监测诊断方法，其整体思路如图3所示，图1和图2为电压、电流测量单元和温度测量单元的原理图。

本实施例的集合式并联电容器故障在线监测诊断方法，具体为：

1、数据采集系统中的电压和电流测量单元采集集合式电容器的相电压、相电流和桥式电路保护的差流信号；温度测量单元检测集合式电容器内部最热点的温度；

数据采集系统主要用于对集合式电容器各类参量进行采集、转换并传输至上位机进行分析处理。系统主要包括集合式电容器电压和电流测量单元、温度测量单元两个功能单元。

(1)集合式电容器电压和电流测量单元

本单元主要由隔离前置电路部分，测量控制部分，光调制解调器组成，其工作原理见图1。

本单元用于采集集合式电容器的各相电压、相电流和桥式电路保护的差流信号。

根据集合式电容器结构特点，在电容器本体内部安装传感器获取集合式电容器的相电流、相电压、桥式保护电路电流。获取的电压、电流信号均转换成0～10V的电压信号，由后续采集系统采集。

信号采集的采样频率可满足11次谐波的分析需求；数据采集周期时长设定为触发点前后各10个周期，以满足分、合闸及故障过程电压或电流波形的完整采样需求。多通道的电压、电流检测信号通过采集电路进行模数转换，处理为数字信号。

为提高测试系统的抗干扰能力，对电压信号和电流信号进行双重隔离放大处理，即电压、电流传感器将采集到的信号变换到二次侧，再先后通过微型精密电压互感器和放大限幅保护电路，送至测量控制部分处理。接入220V外接电源，通过电源模块转换为正负5V直流信号，向采集系统供电。

优选的，为满足三相集合式电容器数据采集需要，每个数据采集模块具备采集24路电流(或电压)信号通道，当需要采集更多信号通道时可进行N×24扩展，以提高扩展的灵活性。为保证各参量测量精度，采集模块的A/D精度为12位，采样频率为2MHz/单路，如按同时采集24路设计，则采样频率可大于80kHz/每路，其存储器总容量为3.4G。

集合式电容器在线检测装置在电容器正常运行时可实时监测各相相电压、相电流和保护电路电流，并定期将采集的电压电流数据传送至上位机；当分、合闸操作或发生故障时，可实时作出判断并采集故障过程或分合闸过程的电压、电流波形并保存后，传送至上位机处理。为提高处理效率，采集模块采用多核处理单元并行模式，即采用双CPU并行协调工作共同完成上述多重功能。

为提高数据存储和读取效率，采集模块的存储器采用多个数据缓冲区。

集合式电容器正常运行状态数据存储于存储器的常规缓冲区，记作A区。每隔一个时间间隔，上位机发出采集命令，采集模块开始采集运行状态数据发往上位机并存储入A区，同时设置A区为有数据状态，等待下一次指令。

集合式电容器暂态过程信号的采集数据存储于存储器的暂态缓冲区。暂态缓冲区分为三个子区，记作B1区、B2区、B3区。在运行中采集模块通过判断相电流、相电压信号的突变可判断电容器分闸、合闸操作；通过判断保护电路电流的突变可检测电容器是否发生故障。无论发生上述哪种暂态过程，采集模块都将采集暂态发生时刻前后10个周期的各参量信号，并将数据存储于B区，按B1-B2-B3-B1的顺序循环存储，存储后设置该子区为有数据状态，同时记录暂态类型和判断其通道号(即暂态发生的信号通道)。每隔一个时间间隔，上位机发出采集命令，采集模块开始采集运行状态数据并发往上位 机。

为避免暂态过程之间的相互干扰，若同时出现多个暂态过程时，采集模块仅判断采集其中一个过程，优先级按合闸、分闸及故障异常过程处理，在暂态过程数据存储过程中，不再进行新的暂态过程判别处理。

(2)温度测量单元

温度测量单元用于检测集合式电容器内部最热点的温度。

温度测量单元由温度传感器、CPU测量控制模块、串口电路以及光调制解调器、光纤组成。

在集合式电容器每相安置多路温度传感器，该温度传感器选用数字化温度传感器，该温度传感器为“1线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，精度为±0.5℃，覆盖集合式电容器内部温度测量需要。温度传感器采用不锈钢外壳封装，可直接安置在集合式电容器箱体内部变压器油中。

CPU测量控制模块采用高性能带有DSP和FUP指令的STM32F407VE MCU，在168MHz的工作频率下，Flash存储器执行时可提供210DMISP，并且利用ART加速器实现了零等待状态，其DSP指令和浮点单元扩大了应用范围，该CPU具有速度快，功耗低的特点。

温度测量单元与采集测量单元之间采用光电隔离通讯，并共用光调制解调器-光纤传输系统，以提高可靠性和抗干扰性能。

2、数据采集模块将现场信号通过光纤传输，由串口送到后台上位机；

光调制解调器组成的系统采用串口协议，波特率为2MBit/s，实现与上位机的通讯，A、B、C三相共用一个串口。

3、上位机通过Modbus协议接收信号，后台分析软件系统采用纵、横向比较相结合的故障判断方法对信号进行分析判断。

现场信号通过光纤传输，由串口送到后台上位机后，上位机通过Modbus协议接收信号。对信号进行数字滤波、时域分析、谱域分析，通过检测算法检测电容器设备的状态，根据结果给出报警或操作提示。

出现异常状态、分合闸操作等暂态过程时，及时存储完整过程的数据，并按时间、通道、状态性质进行存储，以备后续分析。具体实现方法是上位机发送获取A区数据的指令，如果A区数据为空，则返回指令，不为空则读出A区数据，然后将A区置为空状态；上位机发送获取B区数据的指令，如果B区为空，则返回指示指令，否则读出B区存放的最早的信号的子区中的数据和暂态类型及突变的通道号，然后将该子区置为空状 态。

软件系统采用纵、横向比较相结合的故障判断方法，并实时将测量结果与判定阈值进行横向比较，结合单台纵向比较的方法进行数据处理和分析，避免外部因素导致的干扰对数据可信度的影响，一旦发现某信号有阶跃变化，即对该信号进行贮存，并进一步利用专家分析程序进行分析处理，并最终给出判据。

除上述功能外，后台软件系统还包括多组检测组件的集中管理，控制、通信、人机交互等功能，分析检测的各种信息和结果的显示，实时波形显示，历史数据的存储、检索、统计和显示等。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可以对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。