10 kV配網(wǎng)電容器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

李楷然，梁兆文，樊利民

(華南理工大學 電力學院，廣州 510640)

0 引言

電力電容器是控制電網(wǎng)潮流、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的重要設備，其正常運行直接關系到電網(wǎng)的安全和供電質(zhì)量[1]。然而，電力電容器故障時有發(fā)生，嚴重影響電網(wǎng)的安全性和供電可靠性[2]。電容器能否正常運行受到諸多因素的影響，包括自身故障、氣候或環(huán)境劣化、過電壓、過電流、附屬設備故障，以及系統(tǒng)運行方式調(diào)整和諧波源接入等；其故障現(xiàn)象包括漏油、鼓肚、外殼閃絡、熔斷器熔斷、瓷套管老化等，并伴隨有放電的發(fā)生[3]。

通過預防性試驗來實現(xiàn)電容器的故障診斷，需要停電操作，不能真實反映運行時的實際狀態(tài)[4-5]，并不是一個有效而安全的方法。目前，電容器運行狀態(tài)在線監(jiān)測的方法有如下一些：文獻[6]通過監(jiān)測脈沖電流信號就能得到局部放電的程度，但抗干擾能力差，易受到外部電磁場影響測量效果，而且脈沖電流持續(xù)時間短、頻帶比較高(500～1 000 MHz)，普通的儀表監(jiān)測范圍有限[4,7]，難以對其進行監(jiān)測。文獻[8]采用紅外監(jiān)測技術，通過非接觸的方式來檢測設備的溫升，對于設備的內(nèi)部缺陷，可能發(fā)熱并不明顯，影響紅外檢測結(jié)果準確與否的因素較多，作用有限。以上方法雖然都能在不同程度上完成對電容器的監(jiān)測任務，但也各有缺陷。

某變電站的中壓配網(wǎng)的配置信息如下：10 kV母線2段，每段母線接入的電容器組2組，每組并聯(lián)電容有5×3只，總計有電力電容器60只。信息融合能反映電容器狀態(tài)的各種信息，文章立足于該變電站的實際運行，分析電容器發(fā)熱的機理，采用信息融合的手段，設計出能實現(xiàn)低成本的無功補償電容故障在線監(jiān)測與故障預判系統(tǒng)。該系統(tǒng)對實現(xiàn)預見性檢修，提高電網(wǎng)的運行效率，保證電網(wǎng)的運行可靠性等有重要的意義。

1 系統(tǒng)功能需求

實現(xiàn)電容器故障監(jiān)測的目的在于實現(xiàn)預見性檢修，提高電氣運維工作的精準度，降低發(fā)生非計劃性停電的風險。站在電氣運維管理的角度，應當以實現(xiàn)預見性檢修為目標，進行電容器監(jiān)測功能的設計。因此，相關的電氣運維管理功能可以設計成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

圖1 電容器監(jiān)測與診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

圖1所示的功能體系，一方面提供滿足日常值班需求的在線監(jiān)測功能、巡視管理與定時分析診斷的功能，另一方面提供歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析管理功能，涵蓋了10 kV電容器管理的各個方面。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

現(xiàn)場電容器數(shù)量較多，涉及到多神經(jīng)網(wǎng)絡的在線訓練，如果采用集中式的數(shù)據(jù)傳輸與處理方式，需要將所有的電容器的數(shù)據(jù)都放到服務器上去處理，會產(chǎn)生非常大的數(shù)據(jù)傳輸量。而且，服務器主機的可靠性將成為短板，這可能會影響整個信息系統(tǒng)的整體可靠性。為解決該問題，有必要設計具備中間數(shù)據(jù)處理能力的通信結(jié)構(gòu)，采取具備智能運算能力的嵌入式設備能很好解決以上問題。本方案設計的信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電容器監(jiān)測與診斷系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

就地監(jiān)測層在邏輯上采用TCP/IP通信協(xié)議，主動向SIMU發(fā)送采集到的電信息和數(shù)據(jù)；而SIMU也能夠采用主從通信方式向就地監(jiān)測層輪召非電信息和數(shù)據(jù)。由于采用了TCP/IP協(xié)議，就地監(jiān)測層可以與其他系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)，這也促使本系統(tǒng)在將來能無縫接入電力設備的物聯(lián)網(wǎng)絡。智能管理單元SIMU的設置，一方面降低了對服務器硬件性能的要求，大大降低了設備購置和運維的成本，另一方面，將運算分布放在各臺中間層設備，大大提高了信息系統(tǒng)整體的可靠性。

1)主站管理層：

配網(wǎng)電容器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)通過服務器、工作站和工控機，提供了滿足用戶交互的主站管理層。通過主站管理層，在短時的運行工作上，系統(tǒng)能向用戶提供電力電容器參數(shù)劣化、電力電容器故障等報警，缺陷加劇或故障產(chǎn)生時會產(chǎn)生報警信號顯示在主站監(jiān)測屏上，主站人員得知后通知現(xiàn)場人員具體的位置，方便快速找到問題，實現(xiàn)預見性檢修；在長時間尺度的管理上，系統(tǒng)能生成臺區(qū)電力電容器監(jiān)測月報告，歸納長時間的運行異?；蚬收系墓灿刑卣?，提供決策支持。

2)站端管理層：

站端管理層由多臺智能管理單元SIMU和1臺1 Gbps速率以太網(wǎng)交換機組成。SIMU是一臺嵌入式計算機，具備1 GMHz處理、可拓展大容量存儲、網(wǎng)絡校時等能力，能實現(xiàn)電信息及各種非電信息的數(shù)據(jù)同步匯集，可在線進行優(yōu)化問題求解等。

因此，通過SIMU可實現(xiàn)對變電站所有就地監(jiān)測單元的測量控制、通信管理、數(shù)據(jù)采集、處理分析和顯示，當指標越限時，即在線診斷出即將故障的電容器并預警，并將結(jié)果和設備狀態(tài)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)或者遠方系統(tǒng)。

3)就地監(jiān)測層：

就地監(jiān)測層的主要設備包括電測單元和溫度測量單元，負責實時監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度、電壓大小、電壓質(zhì)量和電壓波形畸變率。在正常情況下，就地監(jiān)測層每分鐘上傳一次數(shù)據(jù)。

電測單元需要采集、測量和分析：母線及電容器的電壓均方根值及電壓變化率、母線及電容器的電壓量頻域分析、母線及電容器的電流均方根值及電流變化率、母線及電容器的電流頻域分析、各電容器等效電路參數(shù)和開關狀態(tài)信息。電測單元采集到電參數(shù)，并將主動送至服務器或SIMU。由于諧波參數(shù)數(shù)據(jù)量大，對通訊速率要求不小于1 Mbps，故電測單元通訊采用100 M的以太網(wǎng)接口。

測溫單元需要測量：室內(nèi)溫度、濕度和各電容器表面溫度。測溫單元采用DS1820貼片式數(shù)字溫度傳感器和DALLAS一線現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)成本低、可靠性高的多點溫度狀態(tài)在線監(jiān)測，具有體積小、測點多、組網(wǎng)靈活等特點。該測溫方案可滿足64個電容器外殼測溫點和2個環(huán)境測溫點的數(shù)據(jù)采集。每組電容器配置1個測溫單元。

3 故障診斷關鍵技術和方法

電容器故障的發(fā)生是存在征兆的，從健康狀態(tài)發(fā)展成故障需要經(jīng)過一段時間。通過融合電力電容器的電氣參數(shù)信息與溫升信息，實現(xiàn)電容器故障特征的提取與診斷。

10 kV電網(wǎng)的電容器耐壓能力限制，大多采用星型接法，其等效電路模型如圖3所示。

圖3 改進后的電力電容器等效電路

(1)

傳統(tǒng)電容器模型不準確，電容器不但存在內(nèi)阻，且存在內(nèi)感[9-10]。為更充分描述電容器的缺陷或故障狀態(tài)，有必要采用更加準確的等效電路模型。該模型描述了除了最重要的電容值C以外的其他能反映電容器缺陷或故障程度的參數(shù)。RES是電容器寄生電阻的串聯(lián)部分，其阻值增大，則相應發(fā)熱功率越大，也意味著電容器的套管接線端、出線連接片或者內(nèi)部元件間的連接片電阻增大，增加了發(fā)熱效應，加速絕緣老化。REP是寄生電阻的并聯(lián)部分，反映了極板間絕緣介質(zhì)的總漏電情況，影響長期儲能過程，是反應電容器缺陷程度的重要參數(shù)。等效串聯(lián)內(nèi)感L則反映電容承受沖擊電流的能力，可通過主電路電流上升率計算。L能評價電容器承受沖擊電流能力強弱。該模型比傳統(tǒng)電容器模型能更準確地描述電容器的動態(tài)過程。

3.1 電容器電氣參數(shù)識別

得益于監(jiān)測設備測量諧波的能力，對于圖3以及式(1)給出的電容器等效電路模型，各個參數(shù)可以利用基波及

(2)

各次諧波計算得到。在中壓電網(wǎng)中，基波電壓電流的幅值與相位均容易獲得；對于奇數(shù)次諧波，如5次和7次電壓電流諧波，其幅值也容易獲得，因此，可利用基波和奇數(shù)次諧波來計算某一個周波的電容器參數(shù)。

由以上4條方程即可得到4個參數(shù)。需要注意的是，由于電容器的有功損耗很小，介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ≈0.02%，因此，電容器上電流幾乎是純?nèi)菪噪娏?。通過式(2)得到除了C以外的3個參數(shù)數(shù)值相對較小，識別結(jié)果可能存在偏差，該問題可采取多組數(shù)據(jù)計算取平均值來解決。

3.2 利用神經(jīng)網(wǎng)絡的電容器發(fā)熱建模

電容器從投入運行至發(fā)生故障，其發(fā)熱效應會逐漸變化。這主要是由于絕緣介質(zhì)性能逐漸劣化，導致其寄生電阻逐漸增大，在相同的電壓作用下短時間內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量。通過對發(fā)熱過程進行建模，可以跟蹤比較電容器的發(fā)熱行為，當發(fā)熱行為出現(xiàn)較大的變化，則很有可能是寄生電阻增大，電容器健康狀況劣化。電容器產(chǎn)生焦耳熱的過程可表述為：

(3)

ΔQ=Q1-Q2=ceq(T2(t1)-T2(t0))

(4)

式中，Q1為電容器發(fā)出的熱量；Req(T2(t))為電容器發(fā)熱等效電阻；Q2為電容器附近流失的熱量；T1(t)為熱量流失系數(shù)；ceq為測溫點附近介質(zhì)的等效比熱容。

從式(2)～(3)可知，電容器的等效電阻值與電容值有關，而且是隨電容器溫度變化而變化的。由于電容器表面可能有金屬、絕緣漆等，不是單一介質(zhì)。因此，式(4)中的比熱容ceq并不是一個已知常數(shù)。此外，電壓電流變化率也對發(fā)熱有影響。因此，電容器發(fā)熱過程是非線性的動力學行為。為了更好逼近該非線性過程，有必要采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡。

圖4 電容器溫升BP網(wǎng)絡

該BP網(wǎng)絡模型包含輸入層、隱含層和輸出層。其中，輸入層的激勵包括：室溫T1(t)、電容器兩端的電壓有效值Ua,Ub,Uc及各次電壓諧波，電流有效值Ia,Ib,Ic及各次電流諧波。隱含層是由神經(jīng)元按一定結(jié)構(gòu)構(gòu)成，隱含無法直接測量的信息，如熱量、散熱常數(shù)、等效比等。輸出層電容器溫度變化量T2(t)。

以上BP網(wǎng)絡的實際意義是根據(jù)電容器的信息，判斷其在一定時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量是否正常。訓練好的網(wǎng)絡輸出T2與實測的輸出T2′比較，如超過閾值則可認為發(fā)熱異常。其原因有可能是電容器參數(shù)變化，也有可能是電容器的散熱條件異常。

3.3 基于信息融合的電容器故障診斷方法

為提升電氣運行管理技術部門的決策效率，有必要實現(xiàn)長期在線的電容器狀態(tài)監(jiān)測與運行環(huán)境監(jiān)測。通過電容器等效電路參數(shù)，可以實現(xiàn)電容器的狀態(tài)在線監(jiān)測；通過電容器等效電路參數(shù)和電容器的發(fā)熱模型，可以實現(xiàn)電容器運行環(huán)境的監(jiān)測。因此，融合等效電路參數(shù)和發(fā)熱過程，可以實現(xiàn)完整的電容器監(jiān)測與故障管理，具體的監(jiān)測流程如圖5所示。

圖5 基于信息融合在線監(jiān)測與故障診斷方法

圖5所示方法從日常運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、電容器等效電路參數(shù)識別、電容器法電容器發(fā)熱散熱過程3個角度完成電容器的異常和故障診斷。上述流程的輸出結(jié)果(異?；蚬收项愋?與參量值之間的對應關系定義如表1所示。

表1 異常/故障類型與參量值的對應關系

將圖5和表1提供的方法和規(guī)則，配置于工控機內(nèi)。多臺SIMU可靠工作，減輕數(shù)據(jù)傳輸壓力，提高信息系統(tǒng)整體可靠性，降低系統(tǒng)維護成本。

4 系統(tǒng)安裝及應用效果

4.1 現(xiàn)場安裝情況

對我國華南地區(qū)某110 kV變電站的中壓系統(tǒng)側(cè)的配置信息如下：10 kV母線2段，每段母線接入的電容器組2組，每組并聯(lián)電容有5×3只，總計有電力電容器60只。圖6為系統(tǒng)安裝現(xiàn)場的部分情況。

圖6 系統(tǒng)安裝情況(部分)

圖6(a)為現(xiàn)場安裝的電容器電流互感器接線；圖6(b)為就地監(jiān)測層的單元柜；圖6(c)所示為單元柜內(nèi)5個電測單元實現(xiàn)基本電氣信息和溫度信息的采集；6(d)是通過工控機呈現(xiàn)的操作界面。在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)通過對每只電力電容器的電與非電參量的監(jiān)測(容量、電壓、電流梯度、電網(wǎng)諧波、外殼溫度與環(huán)境溫度)，分析評估電力電容器的運行條件和缺陷狀態(tài)，提供遠程實時監(jiān)測、缺陷警報信息，實現(xiàn)預見性檢修。

4.2 系統(tǒng)運行效果

系統(tǒng)投入運行后，一直在跟蹤電容器等效電路參數(shù)變化過程和發(fā)熱散熱過程。經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)給出的部分診斷結(jié)果如表2所示。

表2 10 kV電容器在線監(jiān)測與故障診斷報告(部分)

如表2前3項，運行人員收到診斷系統(tǒng)發(fā)出故障診斷結(jié)果后，及時安排檢修，檢修結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3個電容器確有電容值變化和介損增大的問題，可能內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)絕緣老化的現(xiàn)象。該診斷結(jié)果有效避免了可能出現(xiàn)的電容器故障導致的突然停電。

10 kV配網(wǎng)電容器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了全天候的在線實時診斷。該為電氣運行管理部門提供了充分的電容器運維決策依據(jù)，降低了因電容器故障導致的停電風險，并能自動生成報告，減輕運行人員工作量。

5 結(jié)束語

電力電容器作為電力系統(tǒng)必不可少的無功補償裝置，能否在其故障前及時發(fā)現(xiàn)并處理是非常重要的。針對目前大多數(shù)電力電容器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)因信息實時性不足和數(shù)據(jù)頻密度不足，導致難以實現(xiàn)準確的在線故障預判等問題。本文立足于電力電容器運維的實際需求，構(gòu)建了一套完整的電力電容器故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，給出了一套采用神經(jīng)網(wǎng)絡融合電容器電流、電容、電阻和電壓等信息的故障診斷模型和方法。在實際應用中，該系統(tǒng)能及時并準確地對電容器的異常狀態(tài)和故障特征進行捕捉，能夠提高電網(wǎng)設備的運維效率，提升電網(wǎng)運行可靠性。