專利名稱：電容器組保護與狀態監測裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種并聯電容器和并聯電容器組保護及其方法，尤其是高壓并聯電容器組保 護與狀態監測裝置及其方法。
背景技術：
我國高壓并聯電容器內部故障的后備保護(當采用內或外熔絲作為主保護時)或主保護 (無熔絲保護時)，長期依據和實施現行國家標準GB50227-95《并聯電容器裝置設計規范》 關于電容器內部故障保護方式配置中的以下規定-
6. 1. 2電容器組應裝設不平衡保護，并應符合下列規定
6.1.2. l單星形接線的電容器組，可釆用開口三角電壓保護。
6. 1.2.2串聯段數為二段及以上的單星形電容器組，可采用電壓差動保護。
6. 1. 2. 3每相能接成四個橋臂的單星形電容器組，可采用橋式差電流保護。
6. 1. 2. 4雙星型接線電容器組，可采用中性點不平衡電流保護。
當電容器內部某元件發生擊穿短路，或則引起內熔絲熔斷隔離故障元件(設有內熔絲保 護)，或則引起電容器內部部分串聯段短路直至故障發展成全部短路(無熔絲保護)，或電容 器內部部分或全部串聯段擊穿短路過電流引起外熔絲熔斷切除故障電容器(設有外熔絲保 護)。上述故障狀態會造成電容器三相電容量不平衡，及電容器組中性點電位漂移。這樣， 或在與電容器連接的三相放電線圈的二次側接成開口三角處會出現零序電壓U。(當采用上述 第一種保護方案時)；或造成某故障相中不同串聯段之間電容量不平衡而產生電壓差AU (當 采用上述第二種保護方案時)；或者造成某故障相橋臂之間電容量不平衡，而產生差電流AI (當采用上述第三種保護方案時)；或者造成雙星形兩臂之間電容量不平衡，在中性點連接 線中出現不平衡電流I。(當采用上述第四種保護方案時)。當相應保護繼電器檢測到U。、 AU、 AI、 1。超過保護整定值時，保護動作跳閘，撤除發生故障的電容器組，從而避免事故擴大。 通常可根據電容器組的容量與電壓等級選用上述接線與保護方式，國內外迄今沿襲應用。
不平衡保護配合整定原則，遵照GB50227-95標準中的相關規定，采用外熔絲保護的電 容器組，其中不平衡保護應按單臺電容器允許過電壓值整定；采用內熔絲保護和無熔絲保護 的電容器組，其不平衡保護應按電容器內部元件過電壓允許值整定。
在電容器組無故障情況下，由于初始電容的不均衡(或相間，或某相的串聯段之間，或 某相的各橋臂之間，或雙星形的兩臂之間)，以及由于三相電源電壓不對稱平衡、保護用傳 感器性能偏差等等原因，對各種不平衡保護會造成不同程度影響，使開口三角電壓保護和相 電壓差動保護產生起始不平衡電壓，使橋式差電流保護和雙星形中性點不平衡電流保護產生 起始不平衡電流。為了防止保護發生誤動作，根據現行電力標準DL/T584-95《3 110kv電 網繼電保護裝置運行整定規程》中的有關規定，不平衡保護的整定值必須大于或等于1.5倍起始不平衡值。
現有不平衡保護存在以下主要問題
1. 由于現有不平衡保護裝置只能選擇與外熔絲，內熔絲和無熔絲保護其中的一種方式進 行配合整定，如果外熔絲或內熔絲保護失效，則不平衡保護將失去預期的保護作用，致使電 容器內部故障繼續發展，甚至引發嚴重事故；
2. 起始不平衡電壓或起始不平衡電流的存在，不僅使保護整定值加大，而且可能使保護 實際動作值減小(當電容器故障時預期保護動作值與起始不平衡的相位夾角在90° 270°之 間時)；
3. 發生對稱性故障，不平衡保護不起作用；
4. 現有保護裝置缺少對電容器運行狀態的實時監測，以及缺乏對電容器組的投切過程和 故障跳鬧過程的錄波功能，以致對電容器裝置運行狀態分析，尤其是對電容器裝置發生事故 原因分析研究缺少基礎依據。
發明內容
鑒于上述原因，本發明的一個目的是提供一種保護裝置，該保護裝置不僅可克服現有保 護裝置的弊端而且對電容器組運行狀態實施實時監測，保障安全可靠運行。
本發明的另一個目的是摒棄傳統的不平衡保護的原理與形制，提出一種保護方法，該方 法建立以電容器組每相的原始容抗為基準，將實時監測與其比較，如某相容抗變化率超過允 許值則令保護動作跳閘。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案-
一種電容器組保護與狀態監測裝置，包括由高壓并聯電容器組、電抗器和斷路器組成的 串聯支路，其特征在于
所述高壓并聯電容器組的兩端接電壓互感器，所述串聯支路中連接電流互感器，所述電 壓互感器的輸出和電流互感器的輸出送至一個控制器的輸入，該控制器的輸出控制所述斷路 器的通斷；
所述控制器包括-
數字信號處理器，用于對所述電壓互感器和電流互感器的輸出信號進行保護算法處理， 對所述斷路器進行控制處理；
模數轉換器，用于對所述電壓互感器和電流互感器的輸出信號進行模數變換，該模數轉 換器的輸入接所述電壓互感器和電流互感器的輸出信號，該模數轉換器的輸出接所述數字信 號處理器的數據輸入口；
復雜可編程邏輯器件，用于執行所述數字信號處理器對所述斷路器的控制邏輯，該復雜 可編程邏輯器件的輸入接所述數字信號處理器的控制輸出端，該復雜可編程邏輯器件的輸出 控制所述斷路器的通斷。
進一步地
所述數字信號處理器的數據口連接緩存器，該緩存器用作數據緩存。 所述數字信號處理器的數據口連接存儲卡，該存儲卡用作存儲采樣數據。所述數字信號處理器的數據口通過雙口緩存器連接微控制器，該微控制器用于人機對 話，該微控制器的輸入輸出口連接液晶顯示器和鍵盤。 所述微控制器的通訊口連接通訊模塊。
一種電容器組保護與狀態監測方法，其特征在于包括以下步驟 步驟l
根據保護配合整定原則求得的電容器組故障相的容抗值X《和額定容抗值X^ ，按下式計
算容抗變化率XJ，并將其作為保護整定值
x %=xrf_xcn xl00%
步驟2
根據電壓互感器和電流互感器實時檢測的電容器組每相的端電壓工頻有效值l^和電流 工頻有效值I e,按下式計算電容器組每相工頻容抗值Xc:
XC = C/C〃C
步驟3
在電容器組投切之前，將每相原始實測值X^和保護整定值XJ輸入保護裝置中；在電
容器組投切后，根據實時監測的容抗Xe與原始值X^，按下式計算實時容抗變化率X》
x:%=n xioo% A。
步驟4
將實時容抗變化率X，。與保護整定值XJ相比，若X，。〉 XJ且采用內外熔絲保護時，或 者X，。〈 XJ且無熔絲保護時，則關斷斷路器，以切除故障電容器組。
進一步地，在步驟4后繼續以下歩驟5:記錄電容器組投切過程和故障跳閘過程中的三相 電壓和電流波形，記錄故障狀態參數和故障發生時間，并存儲備査。
更進一步地，當電容器組采用內熔絲或外熔絲作為主保護時，將無熔絲保護配合整定值 X y。亦置入保護裝置中，并將實時容抗變化率X^與其比較，若X:。K X W則關斷斷路器， 以避免由于內、外熔絲保護失效致使電容器內部故障發展成貫穿性短路。
采用本發明后可獲得以下有益效果
1. 保護裝置靈敏可靠，不受電容不均衡、三相電源不對稱平衡、傳感器之間工作特性偏 差，以及電網諧波等外界因素影響。
2. 由于保護裝置可實施與有熔絲和無熔絲雙重配合，從而避免由于內、外熔絲失效而引 發事故的危險。
3. 對稱性故障對于保護的性能和功能毫無影響。
4. 保護裝置增設電容器組投切過程和故障跳閘過程錄波與參數記錄，有利于對其運行狀 態和事故原因分析研究。
5. 有利于簡化電容器組的接線與保護方式。
圖1為本發明的結構示意圖2為控制器的組成框圖3為控制器中的單元電路連接圖4為電壓互感器和電流互感器的電路圖5和圖6為AD的電路圖7為CPLD的電路圖8為CPLD的外圍電路圖9為DSP的電路圖10為存儲卡、通訊接口、鍵盤的電路圖11為緩存器的電路圖12為通訊接口的電路圖
圖13為DSP主程序流程圖14為DSP采樣中斷處理程序流程圖15為DSP監測及保護算法流程圖16為容抗實時計算流程圖17為故障錄波流程圖18為MCU輔助處理程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖作進一步說明。
本發明的工作原理與實施要點如下
1. 按照現有不平衡保護配合整定原則，對于以下情況(1)在外熔絲相繼切除若干臺故 障電容器后，同一串聯段的健全電容器所承受過電壓未超過允許值時；(2)在內烙絲相繼切 除若干故障元件后，同一串聯段的健全元件所承受的過電壓未超過允許值時；(3)在無熔絲 保護的電容器若千串聯段相繼擊穿短路后，剩余串聯段元件所承受的過電壓未超過允許值
時，分別取所對應的電容器組故障相的容抗值xt/，將這些容抗值與額定容抗值x。"相比， 分別求出允許的容抗變化率XJ如下
Xr%=X。f Jen xl000/o ( 1 )
其中保護與內、外熔絲配合時X^是正數，在無熔絲保護時XJ是負數。將上述離線 計算的容抗變化率允許值作為保護的整定值。
2. 應用數字技術將實時檢測的電容器組每相端電壓工頻有效值Ut.，除以同步檢測的同 相電流工頻有效值"，求得電容器組每相工頻容抗值X^t/c〃c ，(因電容器內阻很小可忽 略)。
3. 在電容器組投運前，將每相容抗的原始實測值X。。和保護整定值Xj輸入保護裝置系統。在電容器組投運后，實時將監測的容抗、與原始值X。。計算實時容抗變化率(X>):
X. %=Xc 一義c。 xl00% (2) A。
4. 將X，。與對應于保護與內、外熔絲保護和無熔絲保護配合整定值X,相比。若X)〉 Xc% (當采用內外熔絲保護時)，或者X'J〈 X,(當無熔絲保護時)，則令保護動作跳閘。
5. 記錄電容器組投切過程和故障跳閘過程中的三相電壓和電流波形，記錄故障狀態參數 和故障發生時間，并存儲備査。
此外，當電容器組采用內熔絲或外熔絲作為主保護時，要將無熔絲保護配合的整定值 X^J。亦置入保護系統，并將測算的X^與其比較，若X》〈X^96則保護動作跳閘，從而避免 由于內、外熔絲保護失效致使電容器內部故障發展成貫穿性短路。
下面，將從硬件配置和軟件設計兩個方面對本發明進行詳細描述
硬件配置
本發明的電容器組保護與狀態監測裝置如圖l所示，包括由高壓并聯電容器組K電抗 器2和斷路器4組成的串聯支路，高壓并聯電容器組l的兩端接電壓互感器6，串聯支路中 連接電流互感器3，電壓互感器6的輸出和電流互感器3的輸出送至一個控制器5的輸入， 該控制器5的輸出控制斷路器4的通斷。其中電流互感器用于檢測電容器組的三相電流； 斷路器用于投切電容器組和執行保護跳鬧指令切除故障電容器組；電壓互感器用于檢測電容 器組三相電壓。
如圖2所示，控制器5包括數字信號處理器DSP，用于對電壓互感器和電流互感器的 輸出信號進行保護算法處理，對斷路器進行控制處理；模數轉換器AD，用于對電壓互感器 和電流互感器的輸出信號進行模數變換，其輸入接電壓互感器和電流互感器的輸出信號，其 輸出接DSP的數據輸入口；復雜可編程邏輯器件CPLD，用于執行DSP對斷路器的控制邏輯， 其輸入接DSP的控制輸出端，其輸出控制斷路器的通斷。
此外
DSP的數據口還連接緩存器RAM,該RAM用作數據緩存。 DSP的數據口還連接存儲卡SD/CF，該存儲卡用作存儲采樣數據。
DSP的數據口還通過雙口緩存器連接微控制器MCU，該MCU用于人機對話，MCU的輸入輸出 口連接液晶顯示器和鍵盤。
MCU的通訊口連接通訊模塊。
本發明針對高壓電容器保護與狀態監測裝置保護及實時錄波的要求，采用DSP+MCU的 雙CPU結構，DSP用于保護算法及保護出口電容器動作處理，MCU用于人機界面及人機接口， 以及通訊的處理，動作邏輯由CPLD執行。數據采集方面采用14位雙極性AD不間斷采樣， 外置的256KRAM作為數據Buffer,在錄波觸發后的時間窗內將數據Buffer中的采樣數據存電壓互感器和電流互感器不間斷地采集高壓并聯電容器組的電壓U,.和電流Ie，經14 位雙極性AD轉換成數字量后送入DSP。 05 計算電容器組每相工頻容抗值乂1; = ^/￡://(:，根據 實時監測的容抗X'與原始值X^，計算出實時容抗變化率X^，將X，。與對應于保護配合整 定值乂。％進行對比，根據對比結果作出邏輯判斷，再由CPLD執行相應的動作邏輯。
其間，采樣的數據被放入外置的256K緩存器中。當發生需要關斷斷路器，以切除故障 電容器組時，則記錄故障狀態參數和故障發生時間，并將電容器組投切過程和故障跳閘過程 中的三相電壓和電流波形保存在SD卡中備査。所記錄的故障狀態參數包括切除故障電容器 組前后的電流、電壓真有效值及計算出來的三相有功功率、無功功率，真有效值的計算通過 電壓、電流的采樣點經過均方根值計算獲得。系統電壓，電流在經過PT、 CT轉換后由AD采 樣芯片獲得采樣值，故障時的采樣值存儲在SD卡中。
如圖3所示，控制器中的各單元電路按如下關系連接
DSP的數據總線DSP—BUS與CPLD的數據總線、AD的數據總線相連；
DSP的ADLogic端口與AD的ADLogic端口相連；
DSP的復位端口DSP Reset與CPLD的復位端口、 AD的復位端口相連； DSP的CPLD復位端口 CPLD Reset與CPLD的CPLD復位端口相連； DSP的IO擴展端口 10 Expended與緩存器及存儲卡的IO擴展端口相連； DSP的邏輯控制端口Logic Control與緩存器及存儲卡的邏輯控制端口相連； CPLD的液晶復位端口LCD Reset及液晶邏輯端口LCD Logic分別與液晶顯示器的對應端口 相連；
CPLD的IO總線IO Bus連接鍵盤；
CPLD的IO邏輯端口 10 Logic與緩存器及存儲卡的IO邏輯端口相連。 其中雙口緩存器和微控制器集成在CPLD的芯片中。 各單元電路的具體電路如圖4-圖12所示。
軟件設計
軟件分為三個部分分別為DSP算法處理程序，MCU處理程序及CPLD邏輯程序。CPLD 邏輯程序根據具體的出口邏輯確定。有效值采用半周期均方根值計算，諧波分析采用FFT算 法，均由DSP完成。現對DSP及MCU的程序說明如下
l.DSP主程序流程圖(圖13)。
系統啟動后首先由DSP發起對片上設備進行自檢及初始化，主要包括內部的RAM, FLASH 資源，片上的集成通訊模塊SPI， SCI，CAN等，發現設備錯誤后閉鎖掉整個系統，并報告錯 誤代碼。片上設備初始化完成后對外圍的設備MCU， CPLD進行初始化，主要是寫入重要參數 的初始值，和外部設備通訊是否正常的檢査，完成后開啟AD模塊，并接收從AD模塊讀取的 采樣值，由DSP進行計算及保護算法的控制， 一個周期計算完畢后進行下一個周期的計算，不斷循環。
2. DSP采樣中斷處理程序流程圖(圖14)。
DSP接收到AD采樣數據準備好的中斷信號以后，進入中斷處理程序，首先檢査AD轉換 模塊的狀態后，讀取本次轉換的AD采樣值。所讀取的采樣值通過校驗后存儲到數據Buffer 中，進行電壓、電流真有效值，有功功率，無功功率及視在功率的計算，計算完畢后清除中 斷標志，等待下一次中斷。
3. DSP監測及保護算法流程圖(圖15)。
通過采樣、計算得到系統和電容器的電壓、電流、功率等參數后DSP根據公式計算出三 相電容的實時容值，和從FLASH中讀取的容值限值相比較，如果越限則觸發保護動作模塊及 故障錄波，否則程序將不斷對電容器的實時容值進行計算，比較。
4. 容抗實時計算流程圖(圖16)。
從數據FLASH中讀取在電容器投運前預先設置的每相電容器原始容抗及采用內熔絲，外 熔絲，沒有熔絲時的允許容抗變化率，將通過AD采樣計算得到的三相電壓，電流有效值根
據公式XCA=UA/I ; X^Ura/Ira; XCC=UCC/ICC和義:..//。 = Z"—《:Q" 100%計算出容抗及容抗變 化率。
5. 故障錄波流程圖(圖17)。
故障錄波模塊根據錄波觸發標志進行工作，査詢到觸發標志置位后首先啟動故障錄波模 塊，開始記錄采樣值于DSP的內部RAM中，并于5個周波啟動出口繼電器進行保護控制，通 過返回節點信號確認保護是否到位后20個周波停止采樣值的記錄，將存儲在DSP內部RAM 中的數據轉移拷貝到CF/SD卡上。
6. MCU輔助處理程序流程圖(圖18)。
系統上電運行后，MCU對集成的通訊、驅動模塊進行自檢工作，再對外圍的液晶、存儲 器接口進行通訊檢查，待得到DSP的查詢字后，開始啟動液晶的顯示驅動模塊，并對通訊口 進行偵聽，對通訊進行應答處理。
權利要求
1.一種電容器組保護與狀態監測裝置，包括由高壓并聯電容器組、電抗器和斷路器組成的串聯支路，其特征在于所述高壓并聯電容器組的兩端接電壓互感器，所述串聯支路中連接電流互感器，所述電壓互感器的輸出和電流互感器的輸出送至一個控制器的輸入，該控制器的輸出控制所述斷路器的通斷；所述控制器包括數字信號處理器，用于對所述電壓互感器和電流互感器的輸出信號進行保護算法處理，對所述斷路器進行控制處理；模數轉換器，用于對所述電壓互感器和電流互感器的輸出信號進行模數變換，該模數轉換器的輸入接所述電壓互感器和電流互感器的輸出信號，該模數轉換器的輸出接所述數字信號處理器的數據輸入口；復雜可編程邏輯器件，用于執行所述數字信號處理器對所述斷路器的控制邏輯，該復雜可編程邏輯器件的輸入接所述數字信號處理器的控制輸出端，該復雜可編程邏輯器件的輸出控制所述斷路器的通斷。
2. 如權利要求1所述的電容器組保護與狀態監測裝置，其特征在于 所述數字信號處理器的數據口連接緩存器，該緩存器用作數據緩存。
3. 如權利要求2所述的電容器組保護與狀態監測裝置，其特征在于 所述數字信號處理器的數據口連接存儲卡，該存儲卡用作存儲采樣數據。
4. 如權利要求3所述的電容器組保護與狀態監測裝置，其特征在于 所述數字信號處理器的數據口通過雙口緩存器連接微控制器，該微控制器用于人機對話，該微控制器的輸入輸出口連接液晶顯示器和鍵盤。
5. 如權利要求4所述的電容器組保護與狀態監測裝置，其特征在于 所述微控制器的通訊口連接通訊模塊。
6. 如權利要求4所述的電容器組保護與狀態監測裝置，其特征在于-所述數字信號處理器采用DSP56F807FV80芯片； 所述復雜可編程邏輯器件采用EPM3256A-208P芯片； 所述雙口緩存器和微控制器集成在所述復雜可編程邏輯器件的芯片中； 所述數字信號處理器的數據總線與所述復雜可編程邏輯器件的數據總線、模數轉換器的數據總線相連；所述數字信號處理器的ADLogic端口與所述模數轉換器的ADLogic端口相連； 所述數字信號處理器的復位端口與所述復雜可編程邏輯器件的復位端口 、模數轉換器 的復位端口相連；所述數字信號處理器的CPLD復位端口與所述復雜可編程邏輯器件的CPLD復位端口相連；所述數字信號處理器的10擴展端口與所述緩存器及存儲卡的10擴展端口相連； 所述數字信號處理器的邏輯控制端口與所述緩存器及存儲卡的邏輯控制端口相連； 所述復雜可編程邏輯器件的液晶復位端口及液晶邏輯端口分別與所述液晶顯示器的 對應端口相連；所述復雜可編程邏輯器件的10總線連接所述鍵盤；所述復雜可編程邏輯器件的io邏輯端口與所述緩存器及存儲卡的io邏輯端口相連。
7. —種電容器組保護與狀態監測方法，其特征在于包括以下步驟 步驟l根據保護配合整定原則求得的電容器組故障相的容抗值X《和額定容抗值X^ ，按下式 計算容抗變化率XJ，并將其作為保護整定值-x %=xcf-xcn xl00% xcn步驟2根據電壓互感器和電流互感器實時檢測的電容器組每相的端電壓工頻有效值U e和電 流工頻有效值I ￡ ，按下式計算電容器組每相工頻容抗值Xe:步驟3在電容器組投切之前，將每相原始實測值Xe。和保護整定值X j輸入保護裝置中；在 電容器組投切后，根據實時監測的容抗X￡與原始值X。。，按下式計算實時容抗變化率X>%c—義c。 xl00% A。步驟4將實時容抗變化率X，。與保護整定值X/M目比，若X》〉XJ且采用內外熔絲保護時， 或者X》〈XJ。且無熔絲保護時，則關斷斷路器，以切除故障電容器組。
8. 如權利要求7所述的電容器組保護與狀態監測方法，其特征在于 在步驟4后繼續以下步驟5:記錄電容器組投切過程和故障跳閘過程中的三相電壓和電流波形，記錄故障狀態參數 和故障發生時間，并存儲備查。
9. 如權利要求7或8所述的電容器組保護與狀態監測方法，其特征在于 當電容器組采用內熔絲或外熔絲作為主保護時，將無熔絲保護配合整定值X^呢亦置入保護裝置中，并將實時容抗變化率X)與其比較，若X，。〈 x^z/。則關斷斷路器，以避免由 于內、外熔絲保護失效致使電容器內部故障發展成貫穿性短路。
全文摘要
本發明為電容器組保護與狀態監測裝置及方法。其裝置由電容器組、斷路器、電壓互感器，電流互感器、控制器組成，控制器根據互感器的信號控制斷路器的通斷。其方法為根據電容器組故障相的容抗值和額定容抗值計算容抗變化率，將其作為保護整定值；根據實時檢測的電容器組每相的端電壓和電流工頻有效值計算電容器組每相工頻容抗值；在電容器組投切之前，將每相原始實測值和保護整定值輸入保護裝置中；在電容器組投切后，根據實時監測的容抗與原始值計算實時容抗變化率；比較實時容抗變化率與保護整定值，滿足條件則關斷斷路器，以切除故障電容器組。本發明靈敏可靠，不受電容不均衡、三相電源不對稱平衡、傳感器之間工作特性偏差，以及電網諧波等外界因素影響。
文檔編號H02H7/16GK101609977SQ200810115248
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月19日 優先權日2008年6月19日
發明者劉翔宇, 平孝香, 楊昌興 申請人:北京赤那思電氣技術有限公司