CN108896100A - 一种电容器组状态监测子*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容器组状态监测子***，所述电容器组状态监测子***基于串联补偿装置状态在线监测***，所述串联补偿装置状态在线监测***包括串补状态监测信息集成平台、串联补偿平台电源、火花间隙状态监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子***。所述电容器组状态监测子***监测红外热成像和可见光成像的实时图像确认运行中电容器单元的故障隐患和监测由于电容器组H型接线方式中的不平衡电流引起的电容器元件损坏。本发明的技术方案有助于及时发现并消除由于设备状态劣化对电网安全稳定运行构成的威胁，确保电网安全、稳定、可靠供电。

Description

一种电容器组状态监测子***

技术领域

本发明属于超特高压串联补偿装置状态在线监测***。

背景技术

目前国内投运的超高压串补装置有的已经持续运行多年，虽然总体运行平稳， 但也曾发生过多起电容器漏油或爆裂、火花间隙误触发、金属氧化物限压器(简 称限压器MOV)压力释放以及控制保护设备损坏误动等故障，致使串补退出运 行，影响了电网的安全稳定运行，造成了输电容量的损失。在已经投运的500kV 串补工程中，很多运行维护经验及惨痛的事故教训都值得借鉴和吸取。串补装置 相关的一次设备中，如旁路开关、阻尼电抗器、电流互感器等设备，基本上属于 传统的一次设备，其技术相对比较完善，运行也比较可靠。对于串补平台上的电 容器、限压器以及火花间隙等设备，由于各种原因，国内外运行的设备发生了部 分设备在线路出现故障时损坏，有的甚至大面积设备损坏，国内典型的例子如： 隶属华北电网公司的万全串补站的电容器组问题、隶属南网公司的百色串补站 MOV问题以及隶属于江苏电网的三堡串补站西门子串补电容器问题等。出现以 上的设备故障，无论是设备厂家还是运行单位都是不愿看到的。

因此有必要开展超、特高压串补装置状态在线监测***的研究，重点监测串 补平台上一次设备如电容器、金属氧化物限压器、火花间隙等设备的运行状态， 当发现运行状态异常后，根据运行情况安排串补装置停电检修，减少串补装置的 非计划停运时间，有效提高串补装置的运行可靠性

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于串联补偿装置状态 在线监测***的电容器组状态监测子***，其特征在于所述串联补偿装置状态在 线监测***包括串补状态监测信息集成平台、串联补偿平台电源、火花间隙状态 监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子***，所述串补状态 监测信息集成平台基于IEC61850协议，并采用C/S架构，其本地通讯采用统一 的通讯规约IEC61850；支持IEC104、MODBUS、CAN等多种协议到IEC61850 的规约转换，实现串补设备状态监测数据集成、IEC61850建模、上传、监视和 报警；所述电容器组状态监测子***监测红外热成像和可见光成像的实时图像确 认运行中电容器单元的故障隐患和监测由于电容器组H型接线方式中的不平衡 电流引起的电容器元件损坏；所述电容器组状态监测子***采集的实时图像由电 容器温度监测单元完成，所述电容器温度监测单元由电容器温度监测模块、可见 光摄像头和红外摄像头构成；所述电容器温度监测单元采用无线测温传感头和红 外摄像测量套管接头温度，采用红外摄像和可见光摄像对电容器渗漏油进行监测。 电容器组状态监测子***监测电容器元件击穿是针对电容器组H形接线方式， 通过测量电容器组总电流、桥臂电流及桥臂间不平衡电流，监测电容器元件击穿 情况的，各个电流互感器的电流是从故障录波中直接输出到电容器组状态监测子 ***。所述串补状态监测信息集成平台包括平台应用服务器和视频图像服务器两 部分组成，所述平台应用服务器上安装串补设备状态监测平台软件，所述串补设 备状态监测平台软件负责通过IEC61850协议控制串补设备的各监测子***，所 述火花间隙状态监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子*** 通过IEC61850向所述串补状态监测信息集成平台上传的各种实时监测数据，并 将实时监测数据存放于平台应用服务器的数据库上；视频图像服务器接收和存储 所述电容器组状态监测子***的可见光和红外的实时视频图像。所述串补状态监 测信息集成平台数据存储采用分布式存储方式，将实时监测数据和视频图像数据 分别存储。火花间隙状态监测子***包括火花间隙控制箱与控制保护装置。限压 器状态监测子***包括数据采集单元、信号传输单元、数据处理单元。

本发明采用先进的技术手段有效监测设备的状态，基于IEC61850协议的串 补设备监测通信控制技术，实时采集串补电容器、限压器、火花间隙等关键设备 的状态监测信息，研究开放的平台架构，并能按照有关的标准进行设备状态的监 视、报警、预测和分析，研究基于IEC61850协议的串补设备监测集成交互技术， 开发基于IEC61850串补设备状态监测集成平台***软件，并应用与现场。

本发明的有益效果：

本发明的技术方案有助于及时发现并消除由于设备状态劣化对电网安全稳 定运行构成的威胁，确保电网安全、稳定、可靠供电。

附图说明

图1是本发明的串联补偿装置状态在线监测***结构图；

图2是本发明的串联补偿装置状态在线监测***结构拓扑图；

图3是本发明的电容器组状态监测子***视频图像获取方式图；

图4是本发明的电容器组状态监测子***电流互感器布置方式图；

图5是本发明的电容器温度监测子***数据集成方案图；

图6是本发明的串联补偿装置状态在线监测***功能结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如附图1-2所示本发明提供的一种串联补偿装置状态在线监测***，所述串联 补偿装置状态在线监测***包括串补状态监测信息集成平台、串联补偿平台电源、 火花间隙状态监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子***，所 述串补状态监测信息集成平台基于IEC61850协议，并采用C/S架构，其本地通讯采 用统一的通讯规约IEC61850；支持IEC104、MODBUS、CAN等多种协议到IEC61850 的规约转换，实现串补设备状态监测数据集成、IEC61850建模、上传、监视和报警。 所述电容器组状态监测子***监测红外热成像和可见光成像的实时图像确认运行中 电容器单元的故障隐患和监测由于电容器组H型接线方式中的不平衡电流引起的电 容器元件损坏。所述限压器状态监测子***通过测量MOV泄露电流判断其故障隐患， 通过测量MOV每次动作的电流值统计其累计吸收能量情况和动作次数。所述火花间 隙状态监测子***采集并监测火花间隙运行状态的状态参量，对火花间隙运行状态 的进行全过程记录，包括是否收到触发指令、火花间隙与控制保护***的通讯是否 正常，并能具备火花间隙故障的预警功能。

所述串补状态监测信息集成平台包括平台应用服务器和视频图像服务器两部分组成，所述平台应用服务器上安装串补设备状态监测平台软件，所述串补设备状态 监测平台软件负责通过IEC61850协议控制串补设备的各监测子***，所述火花间隙 状态监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子***通过IEC61850 向所述串补状态监测信息集成平台上传的各种实时监测数据，并将实时监测数据存 放于平台应用服务器的数据库上；视频图像服务器接收和存储所述电容器组状态监 测子***的可见光和红外的实时视频图像。所述串补状态监测信息集成平台数据存 储采用分布式存储方式，将实时监测数据和视频图像数据分别存储。

电容器组状态监测子***采集的实时图像由电容器温度监测单元完成，所述电容器温度监测单元由电容器温度监测模块、可见光摄像头和红外摄像头构成，所述 电容器温度监测单元采用无线测温传感头和红外摄像测量套管接头温度，采用红外 摄像和可见光摄像对电容器渗漏油进行监测。

电容器组状态监测子***监测电容器元件击穿是针对电容器组H形接线方式， 通过测量电容器组总电流、桥臂电流及桥臂间不平衡电流，监测电容器元件击穿情 况的。各个电流互感器的电流是从故障录波中直接输出到电容器组状态监测子***。

火花间隙状态监测子***包括火花间隙控制箱与控制保护装置，火花间隙控制箱与控制保护装置有两路光纤相连，其中有触发光纤是串补控制保护装置向火花间 隙控制箱发送触发信息及巡检信息的光纤；另一路回检光纤是从火花间隙控制箱向 串补控制保护装置发送回检信息的光纤，回检光纤仅用于火花间隙控制箱向串补控 制保护装置发送状态信息。

限压器状态监测子***包括数据采集单元、信号传输单元、数据处理单元，数 据采集单元利用传感器和数据采集板卡对限压器的泄露电流进行采集，并安装光纤 柱，将采集到的数据通过光纤柱传输到地面安装的数据处理单元，在地面完成对采 集数据的光电转换和数据计算，给出计算结果。通过在低压母线上加装电流互感器 获取限压器的阻性电流来判断限压器是否受潮或劣化。

图3、4是电容器组状态监测子***视频图像获取方式和电流互感器布置方式， 电容器组状态监测子***包括两部分内容：一是主要通过红外热成像和可见光成像 的实时图像确认运行中电容器单元的故障隐患，如液体泄漏、温升异常等。二是利 用电容器组H型接线方式中的不平衡电流，监测单台电容器元件损坏的情况。

考虑到摄像头需要的电源容量较大，不适合在平台上取能，且如果安装在平台上，可能会对原串补***造成影响，所以将在平台***，从地面架设轨道，摄像头 按照预设的轨道定期巡检，因此需要站用电源。本***主要由云台轨道巡检机器人、 红外热像仪监测设备、可见光监测设备、变电站智能红外热像实时监控软件，无线 温度数据采集节点、无线数据转发网关通讯***、组态软件，监控主机组成。作为 摄像头的补充，对于那些无法观测到的电容器单元，如有必要和可行，则可以采用 无线测温的方式测量套管接头温度等。加装无线测温传感头，不需要改变平台任何 接线，并且不需要平台电源，不会对原***造成影响。

针对电容器组H形接线方式，通过测量电容器组总电流、桥臂电流及桥臂间不 平衡电流，监测电容器元件击穿情况。按照串补主接线情况，图4中的CT1A和CT2A 是在串补平台上电流传感器，各个电流互感器的电流是从故障录波中直接输出到电 容器组状态监测子***。

图5所示的电容器温度监测单元构成的电容器温度检测子***，其包括由电容 器温度监测模块、可见光摄像头和红外摄像头构成的电容器温度监测单元及后台服 务器组成，属于电容器组监测子***的下位子***，用于监测接头温升异常，所有 红外图谱信息及视频信息存放在一台视频服务器上，安装在主控室。它与串补设备 状态监测平台通过光纤以太网访问，建立***接口，以固定频率，如每小时一次定 期自动调用接口获取设备状态及设备测量值显示，如有异常，可通过接口调取设备 异常图谱及该时段视频链接，播放红外及可见光监测视频。因此在串补设备状态监 测平台上能定期更新电容器温度状态及设备红外图谱信息。针对上述需求，电容器 温度监测子***需要提供满足平台要求的标准接口，具体要求如下：接口形式：电 容器温度监测子***提供标准的WebService接口，或者FTP共享文件夹，由平台这 边来主动访问FTP文件，获取所需数据也可以。接口功能：根据时间范围条件查询 相应的温度数据，能根据时间范围条件查询相应的可见光谱图数据，并能从网络调 用播放。接口数据内容：温度监测子***应能提供温度值时间点、温度值。状态结果(正常或异常)以及该状态对应的图谱。采样频率：每小时更新一次。

火花间隙监测子***采集并监测火花间隙运行状态的状态参量，实现对火花间隙运行状态的全过程记录，包括是否收到触发指令、火花间隙与控制保护***的通 讯是否正常等，并能具备火花间隙故障的预警功能。

目前，根据国产串补中火花间隙的工作原理，与火花间隙可靠工作有关的 状态参量见表1-1。

表1-1与火花间隙工作相关的状态参量

火花间隙控制箱与串补控制保护装置有两路光纤相连，其中有一路光纤是串补控制保护装置向火花间隙控制箱发送触发信息及巡检信息的光纤，叫触发光纤；另 一路光纤是从火花间隙控制箱向串补控制保护装置发送回检信息的，叫回检光纤。 回检光纤仅用于火花间隙控制箱向串补控制保护装置发送状态信息，所以，如果利 用分光器从回检光纤中获取相关的状态量，如图5所示，对平台上的装置不做任何 的改动，不会影响控制保护装置向火花间隙发送触发命令和接收回检信息，因此不 会影响火花间隙的正常触发，既保证了火花间隙的可靠性，又使火花间隙监测*** 得到了需要的监测量。从回检光纤中获取相关的状态量不用进入串补的控制保护系 统及监控***。

图6是串联补偿装置状态在线监测***的功能结构图，基于该结构可实现的系 统功能主要包括状态监测数据采集、数据处理、异常测点剔除、人机交互界面、历 史数据报表、***监视与分析、统计与报表等功能。

状态监测数据采集采用图表方式直观展示，展示包括火花间隙状态监测参量、 限压器状态监测参量、电容器组状态监测参量、限压器泄漏电流、动作电流、串补 电容器接头红外图谱、可见光实时图像、温升异常、火花间隙触发光路、触发信号 实时数据的监测等信息。其中火花间隙状态监测参量包括火花间隙通信状态、储能 电容器充电电压状态、火花间隙同步回路状态、火花间隙是否收到触发信号、火花 间隙是否输出触发信号等。限压器状态监测参量包括MOV分支电流1、MOV分支电流 2、MOV温度、线路电流、GAP电流。电容器组状态监测参量包括红外图谱\温度监测 视频图像、温度、电容器组电流、不平衡电流等。

数据处理由***数据处理模块完成，***数据处理模块提供模拟量处理、状态 量处理、非实测数据处理、计算及统计等功能，将数据按照模拟量、数字量、累计 量、文件、曲线等不同类型分别归类，放入指定实时数据库中，按照不同的算法进 行处理。其中模拟量处理描述监测***运行的实时量化值，包括监测子***的测量 参量相关数据，如电容器组电流值、接头温度值、不平衡电流、MOV电流值、温度、 GAP电流等。

一、对模拟量的处理如下：

(1)数据筛选

实时数据筛选主要指对实时通讯报文的筛选功能，以辅助对实时通讯情况进行分析，能够从过程通讯报文中筛选出与本规约无关的报文，排除对分析人员的误导。 还能够根据一定的逻辑，排除明显不符规则的数据。

(2)数据容错

错误报文丢弃并记录日志，确保正常通讯。

(3)数据计算

根据现场需求，可通过公式编辑器生成某些必要测量量的数据计算：根据分量 通过某些运算生成总量。模拟量最大、最小、平均、日累计、月累计、年累计、越 限次数及越限时间等，模拟量数值的线性放大或缩小。遥信量状态变化次数及时间。 累计量日、月、年各种统计。可以进行自定义计算。支持扩展公式的功能，包括与 或非运算、取反运算以及更加复杂的运算。还可进行告警虚点计算。如某些结论是 在多个越限条件同时满足时才能得出的，此时需要将最终结论通过生成告警事件。

二、对状态量处理如下：

状态量包括开关量和多状态的数字量，具体为通信状态、火花间隙触发状态、 开关位置等其他各种信号量。状态量可以人工设定，人工设置的状态与采集状态一 致时，可以给出提示信息。所有人工设置的状态量应能自动列表显示，并能根据该 状态量所属厂站调出相应接线图。

三、对非实测数据处理如下：

非直接采集的数据称为非实测数据，可能由人工输入，也可能是通过计算得到，两者分别有各自的质量码。除此以外，非实测数据与实测数据应具备相同的数据处 理功能。

异常测点剔除是在线监测过程中，由于突发设备启动、线路抖动和雷电冲击等 偶然影响，将会产生偶发的异常监测点。这些异常值的存在将歪曲分析结果。因此 在进行分析时应对干扰因素进行剔出，获得设备状态的实际变化趋势。主要的异常 测点剔除方式包括零漂处理、将大于3s的数据剔除、或利用53H算法进行平滑估计 等来降低异常数据的影响。

历史数据存储及展现方式是***提供专门的历史数据库供用户定义所需的历史数据存储结构和采样周期。实际运行中，历史数据***按照预先定义的周期从实时 数据库中采样，并按照预先定义的存储模式存放，将实时数据定期存储到关系数据 库中，以便进行统计分析。例如能存放1分钟、5分钟、10分钟、15分钟、半小时、 1小时、全天的数据，历史数据存放在关系数据库中，还可以按照需要将其存入永 久的存储介质中。

如5分钟数据存储是以5分钟为单位展示历史数据，展示方式有以数值方式展 示历史数据和以曲线方式展示历史数据。

1小时数据存储是以1小时为单位展示历史数据，展示方式有以整点实时采集 值的均值方差展示原始数据和以1小时内数据的最大值、最小值、平均值的统计数 据展示。

1天数据存储是以1天为单位展示历史数据，展示方式有以当天0点的实时采 集值展示原始数据和1天内数据的最大值、最小值、平均值的统计数据展示展示。

还可以自定义数据存储。对特殊类型数据，可以自定义数据存储和统计处理的 周期。

***监视与分析功能除实现常规三遥(遥测、遥信、遥控)功能外，还提供串补 电站独特的监视分析功能。包括设备状态监视、在线预警、趋势分析和不平衡电流 分析。

其中设备状态监视主要包括电容器组状态监视、MOV状态监视、火花间隙状态 监视、串补站结构图、主接线图等5个功能模块。采用图表方式直观展示，并将不 同监测量区分多图显示。包括限压器泄漏电流、动作电流、串补电容器接头红外图 谱、可见光实时图像、温升异常、火花间隙触发光路、触发信号实时数据的监测。 在线预警可实现当在***范围内发生需要引起运行人员注意的情况时，***将产生 一系列报警信息。

在线预警功能通过整合实时数据、设备参数、故障集、遥测遥信信息、上层调 度命令等信息，整合实时数据监控与预警，形成通讯网络及运行数据的实时监控， 并触发安全预警功能。报警方式为主动报警方式，包括图形报警、文字报警、打印 报警等。报警类型包括特征参数越限告警、重要状态升级变位告警、事故报警、工 况报警、***本身报警等。

趋势分析对历史数据查询、最大值、最小值、平均值计算。包括对限压器泄漏 电流、动作电流、串补电容器接头温差值、火花间隙触发光路、触发信号等各监测 量的历史趋势显示。***对历史数据按时间段、按类型来绘制二维曲线，对串补设 备监测数据历史曲线可以按日、按月查询。

不平衡电流分析可以根据算法对电容器不平衡电流及相位、温度进行计算，诊 断电容器运行状态。该算法的具体内容引证申请人的在先专利申请文件 CN201710431444.4，《一种串补电容器元件故障监测方法及装置》。

统计与报表主要是对对重要数据具备统计功能，如温度值、电流等，提供列表、 曲线、柱状图等多种显示方式。对于测量值的统计包括最大值、最小值、平均值及 相应的时间统计；***提供功能强大的报表管理子***，可以按需要的时间间隔记 录实时信息并按报表格式显示和打印。报表可以根据需要的格式灵活制作，日报表 显示全天运行的实时数据及其统计值；月报表可以显示全月运行的统计数据，在月 末形成。根据现场情况不同，操作员可以随时查询、打印***至少一年内的日报表、 月报表，如：设备统计报告、报警统计报告。

人机交互界面通过串补状态监测信息集成平台，用户可以及时发现串补设备的异常和故障，包括电容器单元液体介质泄露、温升异常、接头发热，金属氧化物限 压器绝缘状态、火花间隙故障等缺陷。交互形式主要有显示***网络图、***实时 数据显示、在网络和地理图上可进行设备参数显示和查询和运行参数的统计查询， 可调。显示月，日的负荷曲线和电压曲线，包括实时曲线和计划曲线，并标明最大， 最小和平均值，以及最大最小值出现的时间。显示电网自动化***运行状态图、显 示各种实时表格和历史表格、显示各种棒图和饼图、显示趋势曲线图和显示最新报 警信息等。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制， 尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当 理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发 明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范 围之内。

Claims (5)

1.一种电容器组状态监测子***，所述电容器组状态监测子***基于串联补偿装置状态在线监测***，其特征在于所述串联补偿装置状态在线监测***包括串补状态监测信息集成平台、串联补偿平台电源、火花间隙状态监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子***，所述串补状态监测信息集成平台基于IEC61850协议，并采用C/S架构，其本地通讯采用统一的通讯规约IEC61850；支持IEC104、MODBUS、CAN等多种协议到IEC61850的规约转换，实现串补设备状态监测数据集成、IEC61850建模、上传、监视和报警；所述电容器组状态监测子***监测红外热成像和可见光成像的实时图像确认运行中电容器单元的故障隐患和监测由于电容器组H型接线方式中的不平衡电流引起的电容器元件损坏；所述电容器组状态监测子***采集的实时图像由电容器温度监测单元完成，所述电容器温度监测单元由电容器温度监测模块、可见光摄像头和红外摄像头构成；所述电容器温度监测单元采用无线测温传感头和红外摄像测量套管接头温度，采用红外摄像和可见光摄像对电容器渗漏油进行监测。

2.如权利要求1所述的电容器组状态监测子***，其特征在于电容器组状态监测子***监测电容器元件击穿是针对电容器组H形接线方式，通过测量电容器组总电流、桥臂电流及桥臂间不平衡电流，监测电容器元件击穿情况的，各个电流互感器的电流是从故障录波中直接输出到电容器组状态监测子***。

3.如权利要求1所述的电容器组状态监测子***，其特征在于所述串补状态监测信息集成平台包括平台应用服务器和视频图像服务器两部分组成，所述平台应用服务器上安装串补设备状态监测平台软件，所述串补设备状态监测平台软件负责通过IEC61850协议控制串补设备的各监测子***，所述火花间隙状态监测子***、限压器状态监测子***和电容器组状态监测子***通过IEC61850向所述串补状态监测信息集成平台上传的各种实时监测数据，并将实时监测数据存放于平台应用服务器的数据库上；视频图像服务器接收和存储所述电容器组状态监测子***的可见光和红外的实时视频图像；所述串补状态监测信息集成平台数据存储采用分布式存储方式，将实时监测数据和视频图像数据分别存储。

4.如权利要求1所述的电容器组状态监测子***，其特征在于火花间隙状态监测子***包括火花间隙控制箱与控制保护装置。

5.如权利要求1所述的电容器组状态监测子***，其特征在于限压器状态监测子***包括数据采集单元、信号传输单元、数据处理单元。