变电站分布式电力电容器在线监测系统研究与设计*

彭海洋，方胜利，杜相宏，李子叶，汪 东

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

0 引言

电力电容器作为电容器在电力系统中的应用特例，除具有稳压、滤波等一般电容器的性能外，在电力系统中还具有无功调节的重要作用，可提高电能质量、降低线路损耗、节省电力设施投资，实现电力系统的安全、稳定、经济运行[1]。但由于过载电压、谐波电压等运行条件及受潮、受热等环境条件的影响，其性能逐渐劣化，导致电容量偏离标称值、绝缘介质强度降低，从而发生漏液甚至爆炸事故，不仅对电力系统的安全运行造成影响，而且易对运维作业人员的人身安全造成威胁[2]。因此，电力电容器的在线性能监测是电力系统运维的重要环节，目前已有多种检测方法。咸日常等[3]提出了基于运行电压、电容量、不平衡信号等参数作为状态监测量的故障诊断方法，并结合相关规程标准设计了故障判别及其预警方案；周燕秋等[4]则通过计算待测电容和标准电容两端的电压比值，以得到待测电容的准确容值，通过容值检测是否正常；林远骥等[5]利用最小二乘法计算出电容器等效模型中电容、等效电阻，用等效电阻代替介质损耗因数衡量电容器绝缘性能；周燕秋等[4]利用电容器两端的电压和电流数据可完成对电容器组电容参数的计算，从而实现对并联电容器健康状态的实时获知和预警；孙成等[6]对10 kV 电容器的电容量、外壳温度及环境温度等参数进行在线监测，在线诊断出即将故障的电容器并预警；姚冠雄[7]则基于电容值和电容器温度在线监测方法，对构成系统硬件结构的测温单元与电测单元就其原理、功能和特点做了说明。这些在线检测方法均能实现对电容器的状态进行实时监测，但监测特征量大多以电力电容器的容值或者温度为主，易受环境因素的影响，导致监测结果不能真实反映电力电容器的客观状态。基于此，本文在对电力电容器特性分析的基础上，选用介质损耗角正切值为特征参数，并针对变电站的运行环境，设计了基于WiFi无线通信的分布式电力电容器在线监测系统。

1 电力电容器特性分析

电力电容器的性能可通过局部或整体运行温度、电容量及局部放电量等参数进行间接标识或衡量，但其性能劣化的根本原因是其内部的绝缘介质在交变电场作用下发生介质电导及介质极化，最终引发能量损耗，且随着能耗的增大，其内部绝缘电介质温度升高也随之升高，使绝缘电介质的绝缘性能变差，最终导致热击穿，甚至发生爆炸等严重事故，故电力电容器的电介质损耗可作为衡量其性能好坏的一项重要技术指标，而通常采用电介质损耗角正切值tanδ来间接表征介质损耗，其定义为有功损耗与无功容量之比，也即有功电流与无功电流之比[8]。

对电力电容器的内部结构及电气特性进行分析后，经抽象处理可得到其等效电路，如图1 所示。由分析可知，当电力电容器绝缘性能正常时，其并联等效电阻趋于无穷大，故阻性泄露电流iR可忽略不计，则总电流i近似等于流过等效电容的电流iC，其相位超前电压u的角度φ= 90°；反之，当电力电容器绝缘性能劣化时，其并联等效电阻减小，阻性泄露电流iR增大，总电流i中iR的占比增大，其相位超前电压u的角度φ＜90°，相关电气参数的向量[9]如图2所示。

图1 电力电容器等效电路

图2 电气参数向量

2 特征参数检测原理

对图2分析可知：

式中：∠ϕ1I、∠ϕ1U分别为流过电力电容器的总电流i和施加在电力电容器两端电压u的基波相位。

由式（1）可知，要得到电力电容器电介质损耗角正切值tanδ，需检测出∠ϕ1I及∠ϕ1U，或者两者之差∠ϕ1U- ∠ϕ1I。由于电力系统中含谐波电源、不对称负载，故线路电压、电流均包含各次谐波分量，其基波相位不便直接检测，考虑到相位是交流电气参数的三要素之一，因此需要在对电压u、电流i进行采集的基础上通过数据处理间接获得。

由傅里叶变换公式可知，任何一个包含多个频率分量的周期函数（信号）均可通过多个不同频率的周期函数（或信号）相加而合成。故可对采样取得的电压u、电流i数据序列进行离散化的傅里叶变换[10]，即：

则可求得∠ϕ1U及∠ϕ1I，代入式（1）即可求出电力电容器电介质损耗角正切值tanδ。最后将计算结果与我国高压并联电容器使用技术标准进行对比，即可判断其性能是否正常，依次为依据通过直观、醒目的信号给出检测结果，以便于运维人员及时发现性能缺陷，从而进行相应的处理，保证电力系统的稳定运行。

3 监测系统总体设计

在变电站中，通常配备有多套电力电容器，由于空间限制，电力电容器之间相对空间距离较近，且大多在室外相对空旷的环境中运行。针对该运行环境，为提高电力电容器的监测效率、简化线路铺设复杂度，采用基于WiFi无线传输的分布式在线监测系统对变电站中多个电力电容器进行性能及状态的监测，系统总体设计如图3 所示。图中，监测系统包括由各分布式电力电容器及其特征参数检测模块、数据通信模块组成的信号检测端和由数据通信模块、Labview 组成的人机交互端两部分，且信号检测端与人机交互端之间通过WiFi无线通信方式进行数据传输。在信号检测端，对各电力电容器电流i及电压u进行变换及调理后，由MCU 进行模数转换，并根据特征参数检测原理求得电介质损耗角正切值，而后将其通过WiFi通信模块以电磁波的方式发送出去。在人机交互端，首先由WiFi通信模块接收电磁波信号并将其解调后传输至PC 上的Labview，以可视化监控界面集中、直观显示各电力电容器的特征参数，且经后台数据的逻辑比较，及时给出预警信息。

图3 系统总体设计

4 信号检测端设计

根据检测原理，需要对每台电力电容器的电流i及施加电压u进行检测，为保证检测精度，需先对被测量进行信号传感及调理，然后进行模数转换，再由MCU 进行数据处理，最后由WiFi通信模块将特征参数发送。

（1）信号传感

为提高被测量的传感精度，本系统分别采用精度为0.1 s 的微电流传感器CT 及电压互感器PT 对i及u进行传感，其中CT 二次侧额定电流为10 mA，PV 二次侧额定电压为(100/)V。

（2）信号调理

为后续进行精确的A/D，需对互感器输出信号进行调理。对于电流i而言，CT 输出信号需先将其转换为电压信号，而后经信号隔离、放大及滤波得到适合A/D 的电压信号。而对于电压u，则仅需分压、信号隔离及滤波处理。该部分电路设计如图4 所示。在图中，首先由高精度集成运放AD706 及其外围器件实现信号变换及放大，其中对于电流i，经电阻转换为电压信号后放大20倍，而对于电压u，则经RC 分压后放大1/2 倍；其次由集成运放OP07 及其外围电路实现5 次滤波；然后由OP07构成的电压跟随器实现信号隔离功能；最后通过两个反相并联的二极管构成的钳位电路将输出信号限定在-5～5 V之间，以便于进行双极性的模数转换。

图4 信号调理电路

（3）模数转换

为准确感知电力电容器∠ϕ1I、∠ϕ1U，需对其电流i及电压u进行同步采样，本系统采用具有双极性、双通道、14 bit 同步采样特性的A/D 芯片AD7367-5 实现，该部分电路如图5 所示。其中ADI、ADU 为经过信号调理后的待测信号，J4 则为AD7367 与主控MCU 的逻辑交互信号接口。

图5 模数转换电路

（4）MCU数据处理

考虑到较为复杂的傅里叶变换需要，为满足实时性要求，本系统采用运行频率可达150 MHz、具有32 位定点计算能力的DSP2812 作为主控MCU，其主要对A/D、WiFi 通信等外围IC 进行逻辑控制，并将A/D 采集的数据按照式（2）进行傅里叶变换，得到∠ϕ1I、∠ϕ1U，而后按照（1）计算得到电力电容器的特征参数，即电介质损耗角正切值tanδ。

（5）WiFi通信

该部分主要将MCU 经异步串行通信传输的数字信号转换为WiFi无线电磁信号，以实现无线通信，为简化设计、降低成本、提高通信稳定性，本系统采用集成式ESP8266WiFi 模块来完成其无线式数据交互[11]。其与MCU 的电路连接如图6 所示。其中，UTXD、URXD 连接主控MCU 的异步串行通信端口，其他数字逻辑信号连接MCU的GPIO口。

图6 通信部分电路

5 人机交互端设计

人机交互端主要包括WiFi 通信及PC 上Labview 可视化界面监控两部分。其中WiFi通信部分与信号检测端相同，不再赘述。为提高监测效率、显化检测结果，Labview 前面板设计的监控界面设计如图7 所示。图中，通过PC 运行的Labview 通过设置IP 地址及端口号实现与WiFi 通信模块的数据交互[12]，并通过电介质损耗角正切值及运行状态等显示控件实现对各电力电容器的状态监测，最终实现高效、可视化的人机交互。

图7 Labview监控界面

6 系统测试

对系统进行仿真及调试后制作样件，并进行现场测试。为使得测试具有代表性，分别对2 台新购置的备用电力电容器及一台已老化的电力电容器进行多次测试和验证，测试结果显示：新购置的电力电容器的电介质损耗角正切值分别显示为0.012%、0.018%，与出厂值0.014%间的误差小于5%，且小于规程限值0.03%，运行状态指示灯显示绿色，标识正常；而已老化的电力电容器的的电力电容器的电介质损耗角正切值显示为0.10%，远大于其规程限值，运行状态指示灯显示红色，标识异常。该测试结果与实际相符，满足在线监测要求。

7 结束语

本文针对电力电容器的在线监测方法及其实现进行研究及设计，在总结现有监测方法、分析电力电容器特性的基础上对电力电容器性能衡量方法进行了创新，即将其电介质损耗角正切值作为衡量其性能的特征参数，继而设计了特征参数的检测方法，并针对变电站的应用场合，设计了基于WiFi无线通信的分布式电力电容器在线监测系统，包括其信号检测、人机交互及通信子系统，最后对设计系统进行了实际测试，测试结果表明该系统检测精度高，运行稳定可靠，能够满足变电站内多套电力电容器的性能检测需求，解决了变电站中多个电力电容器在线监测效率低下、性能检测准确度不高的问题，为进一步提高电力电容器在线检测技效率、及时发现电力电容器潜在性能缺陷提供了一种方法及实现途径，具有较高的实用价值和推广价值。