一種數(shù)字化并聯(lián)電容器組智能預(yù)警系統(tǒng)

劉 崧，王俊波，武利會(huì)，歐曉妹

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，佛山528001）

并聯(lián)電容器組作為電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償設(shè)備，其安全運(yùn)行對(duì)于維護(hù)電網(wǎng)無功平衡和電網(wǎng)電壓正常有重要意義[1-3]。目前，電容器組每6年需要開展一次停電預(yù)防性試驗(yàn)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)無功功率補(bǔ)償?shù)囊笠苍絹碓礁撸l繁的投切，使得電容器組的內(nèi)部元件損壞故障的事件經(jīng)常發(fā)生。而并聯(lián)電容器組內(nèi)部的單個(gè)電容器擊穿時(shí)，會(huì)引起其他并聯(lián)電容器的過電壓和過電流，使得輕微故障逐漸向嚴(yán)重故障發(fā)展，導(dǎo)致電容器發(fā)生爆炸，出現(xiàn)群傷群爆的惡劣事件。因此，研究可靠的并聯(lián)電容器組故障診斷方法對(duì)于保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

由于預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備處在停電狀態(tài)，難以反映電容器在運(yùn)行狀態(tài)下真實(shí)的絕緣狀況及其故障發(fā)展趨勢(shì)，近年來，在線的并聯(lián)電容器組故障診斷方法大量涌現(xiàn)。文獻(xiàn)[6-8]提出使用電力電容器成套裝置對(duì)電容器組進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以減少電容器組故障率的發(fā)生，該方法對(duì)電容器組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，雖然能降低電容器組故障率，但由于新增加了在線監(jiān)測(cè)裝置，新裝置的運(yùn)維或故障會(huì)帶來新的問題，同時(shí)新設(shè)備的建設(shè)、調(diào)試周期較長(zhǎng)，成本較高。文獻(xiàn)[9]提出利用介損角的正切值為電容器組故障判斷依據(jù)，該方法對(duì)系統(tǒng)硬件要求較高，需要高精度的電信號(hào)采樣回路和現(xiàn)場(chǎng)高精度的電壓電流互感器作支撐。文獻(xiàn)[10-13]提出了利用不平衡電流保護(hù)作為電容器組內(nèi)部故障的繼電保護(hù)，該方法故障診斷的靈敏性較高，同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)互感器精度要求較低，具備較好的應(yīng)用前景，但由于需要躲過系統(tǒng)電壓波動(dòng)，因而其故障判定的設(shè)定閾值偏高，對(duì)于輕微故障的電容器組難以實(shí)時(shí)保護(hù)。

針對(duì)以上問題，本文提出一種數(shù)字化并聯(lián)電容器組智能預(yù)警系統(tǒng)，通過獲取SCADA 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算數(shù)字化的中性點(diǎn)電壓偏移大小來判斷電容器組內(nèi)部故障。本文所提故障預(yù)警系統(tǒng)無需新增其他設(shè)備裝置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)互感器精度要求較低，同時(shí)，對(duì)電容器內(nèi)部故障持續(xù)分析計(jì)算，受系統(tǒng)電壓波動(dòng)影響較小，目前已應(yīng)用于佛山供電局設(shè)備管理系統(tǒng)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 電容器中性點(diǎn)電壓

電容器中性點(diǎn)電壓在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的等效電路圖如圖1 所示，其中三相電容器每一相由n 個(gè)電容器單元并聯(lián)組成，串聯(lián)電抗器L 的電抗率為k，系統(tǒng)頻率為ω。

圖1 三相電容器組等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit of three phase capacitor bank

根據(jù)圖1 的拓?fù)潢P(guān)系，可得中性點(diǎn)電壓的計(jì)算公式為

1.2 故障后中性點(diǎn)電壓

當(dāng)電容器組發(fā)生故障，將導(dǎo)致電容量的變化，出現(xiàn)三相不平衡阻抗，引起中性點(diǎn)電壓偏移，假設(shè)A 相電容器組里n 個(gè)并聯(lián)電容單元里有電容發(fā)生了擊穿，無論有幾個(gè)電容發(fā)生擊穿，均可以將其等效為1 個(gè)電容發(fā)生擊穿進(jìn)行計(jì)算，且電容單元的內(nèi)熔絲或外熔絲擊穿，均等效為擊穿后電容量的變化量βC0，于是有，擊穿后電容與串聯(lián)電抗的串聯(lián)阻抗為

聯(lián)立式（1）、式（2），得到此時(shí)中性點(diǎn)電壓為

由上式可知，通過獲取SCADA 上傳的電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)和電容器的內(nèi)部參數(shù)即可計(jì)算得到中性點(diǎn)電壓，并以此數(shù)字化評(píng)估電容器組的健康狀態(tài)。

2 數(shù)據(jù)挖掘

當(dāng)所提預(yù)警系統(tǒng)獲取到SCADA 的三相電壓數(shù)據(jù)后，只篩選一相進(jìn)行中性點(diǎn)電壓計(jì)算，因而計(jì)算規(guī)則需要3 種不同的計(jì)算公式對(duì)應(yīng)三相分別擊穿后的中性點(diǎn)電壓，如果系統(tǒng)智能化計(jì)算得到的中性點(diǎn)電壓低于設(shè)定閾值，則系統(tǒng)可判斷電容器組的健康狀態(tài)良好，否則，發(fā)出告警信息。

2.1 三相分別擊穿的中性點(diǎn)電壓

因不同相擊穿后，中性點(diǎn)電壓的偏移不同，下面為三相分別擊穿后的中性點(diǎn)電壓。式（3）中n、k、β相對(duì)于三相電壓為不變量，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將電壓系數(shù)簡(jiǎn)化為式（4），令其為t：

當(dāng)三相分別擊穿后，計(jì)算A、B、C 相中性點(diǎn)電壓為

其幅值如式（6）所示：

由于電容擊穿后容值減少，則故障相電壓升高，非故障相電壓降低[14]，因此智能化篩選SCADA 系統(tǒng)的三相幅值的最大值計(jì)算中性點(diǎn)電壓，若大于設(shè)定閾值，則判斷該相發(fā)生了擊穿，為故障相。

2.2 中性點(diǎn)電壓閾值設(shè)定

目前，系統(tǒng)中電容器組的并聯(lián)個(gè)數(shù)n 因使用場(chǎng)合不同有多種規(guī)格，同時(shí)，電抗率在不同的電壓等級(jí)也有所不同，10 kV 并聯(lián)電容器組中多為5%、6%，35 kV 并聯(lián)電容器組中有5%、12%等[15]。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的并聯(lián)電容器中性點(diǎn)電壓的設(shè)定閾值也有所不同，通常，電容器容值偏差β 的合格規(guī)范在5%以內(nèi)。當(dāng)β=5%，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同場(chǎng)合所對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)電壓閾值如表1 所示。

表1 中性點(diǎn)電壓閾值Tab.1 Threshold of neutral point voltage

3 可行性仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的正確性和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，本文基于某110 kV 變電站10 kV 電容器組進(jìn)行仿真分析，該變電站并聯(lián)電容器組的仿真模型示意圖如圖2 所示，模型的系統(tǒng)頻率設(shè)為50 Hz，每相電容器單元并聯(lián)個(gè)數(shù)n 為6 相，單個(gè)電容器單元容值為16.1 μF，電抗率為5%。

圖2 并聯(lián)電容器組的仿真模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation model of shunt capacitor bank

3.1 模型的正確性驗(yàn)證

在圖2 所示的仿真模型中，開關(guān)Sa、Sb、Sc閉合時(shí)為電容器組的正常運(yùn)行狀態(tài)，該狀態(tài)下，模擬電壓分別產(chǎn)生1%、2%、3%的幅度波動(dòng)，得到的中性點(diǎn)電壓如表2 所示。

表2 電壓波動(dòng)下的中性點(diǎn)電壓Tab.2 Neutral voltage under voltage fluctuation

可以看出，在電容器組的正常運(yùn)行狀態(tài)下，在三相阻抗均未發(fā)生擊穿時(shí)，母線三相電壓的波動(dòng)對(duì)中性點(diǎn)電壓有一定的影響，驗(yàn)證了模型的正確性。同時(shí)，正常運(yùn)行狀態(tài)下，在電壓波動(dòng)達(dá)到3%時(shí)，中性點(diǎn)電壓為20 V，會(huì)觸發(fā)告警，因此，所提預(yù)警系統(tǒng)可設(shè)定系統(tǒng)控制策略為連續(xù)5 次計(jì)算的中性點(diǎn)電壓超過設(shè)定閾值，則觸發(fā)告警，以此躲過三相電壓波動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性分析

基于上節(jié)正常運(yùn)行狀態(tài)的分析，本小節(jié)對(duì)故障后的電容器組進(jìn)行仿真的可行性分析，由于當(dāng)電容發(fā)生擊穿時(shí)，三相阻抗不平衡會(huì)引起中性點(diǎn)電壓的偏移，為了減少電壓波動(dòng)的影響，分別模擬電壓分別產(chǎn)生1%、2%、3%的幅度波動(dòng)時(shí)的電容故障運(yùn)行仿真，假設(shè)擊穿相發(fā)生了單個(gè)電容單元β=5%的擊穿，通過分別斷開關(guān)Sa、Sb、Sc模擬電容擊穿時(shí)的電容量減少，得到的仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 故障下的中性點(diǎn)電壓Tab.3 Neutral voltage under fault

可以看出，在電壓波動(dòng)為1%、2%、3%時(shí)，仿真得到的中性點(diǎn)電壓分別為25 V、31 V、38 V，均大于設(shè)定閾值20 V，可觸發(fā)報(bào)警。雖然，在電壓波動(dòng)為零時(shí)，得到的中性點(diǎn)電壓為18 V，略低于設(shè)定閾值，但β=5%的單個(gè)電容單元擊穿將導(dǎo)致三相電壓的不平衡，且三相電壓的不平衡程度隨阻抗的不平衡而增大，不影響所提預(yù)警系統(tǒng)的可行性。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)原理

如圖3 所示為整個(gè)數(shù)字化并聯(lián)電容器組智能預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成，系統(tǒng)為瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式，核心功能集中到中間服務(wù)器，終端用戶只需登錄瀏覽器網(wǎng)頁即可實(shí)現(xiàn)與其的信息交互。作為電力調(diào)控中心EMS 里重要的子系統(tǒng)，SCADA 以數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高、保存周期長(zhǎng)、解析速度快等優(yōu)勢(shì)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，能正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也是本文所提預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的直接數(shù)據(jù)源，中間服務(wù)器分為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web 服務(wù)器，其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器訪問SCADA 系統(tǒng)獲取所需數(shù)據(jù)，Web 服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將其獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、可視化展示，工作站為整個(gè)系統(tǒng)的終端，監(jiān)測(cè)人員通過訪問網(wǎng)頁查閱相關(guān)數(shù)據(jù)和告警信息等[16-18]。

圖3 數(shù)字化并聯(lián)電容器組智能預(yù)警系統(tǒng)Fig.3 Intelligent early warning system of digital shunt capacitor bank

4.2 預(yù)警策略

數(shù)字化并聯(lián)電容器組智能預(yù)警系統(tǒng)工作流程如圖4 所示，首先，所提預(yù)警系統(tǒng)在SCADA 系統(tǒng)中采集需評(píng)估并聯(lián)電容器組的相關(guān)參數(shù)，其中，包括電容單元并聯(lián)個(gè)數(shù)n、電抗率k 和實(shí)時(shí)三相電壓，然后系統(tǒng)比較出三相電壓中最大相，并計(jì)算中性點(diǎn)電壓，最后將所計(jì)算的中性點(diǎn)電壓與系統(tǒng)存儲(chǔ)的設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若大于設(shè)定閾值則進(jìn)行記錄，為了防止出現(xiàn)系統(tǒng)電壓波動(dòng)造成故障誤判斷，系統(tǒng)設(shè)定連續(xù)5 次的計(jì)算值均大于閾值，則觸發(fā)告警。

圖4 預(yù)警系統(tǒng)工作流程Fig.4 Work flow chart of early warning system

4.3 系統(tǒng)功能

如圖5 所示為預(yù)警系統(tǒng)所有變電站的臺(tái)賬，本文所提系統(tǒng)從SCADA 系統(tǒng)讀取并導(dǎo)入了變電站并聯(lián)電容器組的詳細(xì)相關(guān)信息，系統(tǒng)的使用者可以方便地查看需關(guān)注電容器組的詳細(xì)相關(guān)信息，如圖6所示為出現(xiàn)告警信息后生成的中性點(diǎn)電壓變化趨勢(shì)曲線，可以直觀地看到某110 kV 變電站10 kV 并聯(lián)電容器組的計(jì)算中性點(diǎn)電壓在電容擊穿前后有從8 V 到40 V 左右的明顯抬升，同時(shí)，圖中顯示并聯(lián)電容器組的單個(gè)并聯(lián)相擊穿受損后繼續(xù)運(yùn)行，可能由于單個(gè)電容單元的容值輕微減少未達(dá)到其跳閘保護(hù)的整定值，說明本文所提預(yù)警系統(tǒng)靈敏性較高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)臺(tái)賬Fig.5 Account of early warning system

圖6 預(yù)警系統(tǒng)告警圖Fig.6 Alarm diagram of early warning system

5 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有電容器的故障診斷技術(shù)存在的問題，本文提出了一種基于數(shù)字化并聯(lián)電容器組智能預(yù)警系統(tǒng)，利用中性點(diǎn)電壓偏移大小來評(píng)估電容器組的健康狀態(tài)，經(jīng)過理論分析、策略制定和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可以看出，所提預(yù)警系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①通過采集系統(tǒng)信息在線進(jìn)行計(jì)算、分析和展示，無需新安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置，減少系統(tǒng)成本；②并聯(lián)電容器組的故障診斷在電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下在線實(shí)時(shí)進(jìn)行，無需停電進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)；③系統(tǒng)設(shè)定計(jì)算值連續(xù)5 次超出閾值才發(fā)出告警，減少了由于系統(tǒng)電壓波動(dòng)造成故障誤判斷。

所有以上優(yōu)點(diǎn)使得本文所提預(yù)警系統(tǒng)較適用于系統(tǒng)并聯(lián)電容器健康狀態(tài)的智能化評(píng)估。