CN107247204B - 超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统及监测方法，通过每组限压器单元中两柱限压器以并联方式设置在高压母线和低压母排之间；第一分压器采集限压器单元的电压信号，微电流互感器采集限压器单元的泄漏电流信号，然后将采集到的电压信号和漏泄电流信号传输到地面监控平台中的数据处理单元进行处理，这样一台微电流互感器可同时测量两柱限压器并联时的泄漏电流，由于一组限压器单元中两柱限压器并联，微电流互感器测得的漏泄电流翻倍，在监测限压器单元的漏泄电流时更加的灵敏，既减少了微电流互感器数量的个数，又保证了传感器监测精度，另外通过采集限压器单元的电压信号进行计算分析，提高了监测系统的准确率。

Description

超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行状态在线监测技术领域，尤其涉及一种超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统及监测方法。

背景技术

在超、特高压串补装置中，限压器是电容器组的基本保护设备，为了保证其吸收功率，限压器常采用多柱并联形式；但由于限压器长期运行在持续工作电压的作用下会发生局部劣化，破坏各柱间电流的均匀分布，严重时甚至会导致故障引发事故，影响电网的安全稳定运行；为此需要一种在线监测系统或监测方法，可以即时监测各柱限压器的运行状态，当发现限压器运行异常后，能够准确定位报警提示，方便工程人员安排停电维修，减少串补装置的非计划停运时间，提高串补装置的运行可靠性。

目前，常规的在线限压器监测方法大多适用于低电压等级，缺乏针对超、特高压等级的有效诊断方法；中国专利申请CN201120572134.2“避雷器在线监测装置”公开了一种串补电容器上的避雷器在线监测装置，该发明使用套在避雷器上的采集线圈对该柱避雷器的泄漏电流进行测量，并通过采集器将信号输出；中国专利申请CN201210461731.7“用于串补电容器中限压器的在线监测装置及其方法”公开了一种用于串补电容器中限压器的在线监测装置及其方法，该发明使用安装在限压器高压端附近的电流互感器对该柱限压器的泄漏电流进行测量，并通过绝缘支柱顶端的传感头部件将信号输出；然而在超、特高压串补系统中，限压器常在20柱以上，单柱限压器故障泄漏电流仅有百μA量级，采用以上监测装置或方法很难诊断单柱限压器故障；如果每柱都安装监测器，则会对数据采集系统和串补平台监测设备电源系统带来较大负担，影响系统可靠性；并且串补平台处于高电场强磁场环境，环境温度变化较大，影响监测设备的测量精度，因此需要一种新的监测系统和监测方法对超、特高压串补装置中的限压器进行即时在线监测及分析诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统及监测方法，能够对超、特高压串补装置中的单柱限压器进行监测，且可以减少监测器的数量，提高监测精度和准确率。

本发明的技术方案为：一种超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，包括用于采集超、特高压电网中多组限压器单元的泄漏电流和电压的数据采集单元、用于对采集信号进行分析诊断和故障报警的地面监控平台以及用于将数据采集单元采集到的信号传输到地面监控平台的光纤信号传输单元；多组限压器单元均包括两柱限压器，两柱限压器并联在高压母线和低压母排之间；所述数据采集单元包括用于采集限压器单元的电压的第一分压器、限压器测量箱和多个用于采集限压器单元的泄漏电流的微电流互感器；所述限压器测量箱包括电磁屏蔽壳体和设置在电磁屏蔽壳体中的数据采集板卡；所述地面监控平台包括数据处理单元；多个微电流互感器的信号采集端分别与多组限压器单元的电流信号输出端相连接，多个微电流互感器的信号输出端均与数据采集板卡的信号输入端相连接；第一分压器的信号采集端分别与多组限压器单元的电压信号输出端相连接，第一分压器的信号输出端与数据采集板卡的信号输入端相连接。

进一步地每组限压器单元中的两柱限压器通过铝排并联在一起，铝排的两端分别连接在两柱限压器的底板上。

进一步地每组限压器单元中的任一一柱限压器的底板上引出一段连接线连接到低压母排上，微电流互感器的信号采集端与该连接线相连接，每组限压器单元中两柱限压器的高压接线端均连接在高压母线上。

进一步地所述光纤信号传输单元包括光纤柱和分别设置在光纤柱两端的两个光电转换模块，两个光电转换模块分别与数据采集板卡和数据处理单元的信号传输接口相连接。

进一步地还包括第二分压器，第二分压器的高压接线端和低压接线端分别连接在高压母线和低压母排上，第二分压器的电压输出端分别与微电流互感器的电压输入端和数据采集板卡的电压输入端相连接，用于给数据采集单元微电流互感器和数据采集板卡提供直流电源。

进一步地所述数据采集板卡的电压输入端设置有用于防止浪涌电流破坏数据采集板卡的限流限压保护模块。

进一步地还包括使用上述超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：微电流互感器和第一分压器分别采集限压器单元的泄漏电流和电压，并将采集到的信号传输到数据采集板卡；

步骤B：数据采集板卡将采集到的泄漏电流信号和电压信号经过光纤信号传输单元传输到数据处理单元；

步骤C：数据处理单元对泄漏电流信号和电压信号进行分析处理，具体包括步骤C1-C3：

步骤C1：数据处理单元将采集到的限压器单元的泄漏电流信号和电压信号应用基于布莱克曼-哈里斯窗的快速傅里叶变换和双峰插值算法进行计算；

布莱克曼-哈里斯窗的余弦窗一般表达式为：

a_k为余弦窗的项数，N为采样点数，K＝3，a₀＝0.35875，a₁＝0.48829，a₂＝14128，a₃＝0.01168；

计算基波与三次谐波分量参数，将限压器单元的漏泄电流信号进行双峰差值运算，计算完毕后即可得到基波电流幅值I₁，基波电流相位θ_i1，三次谐波电流幅值I₃，三次谐波电流相位θ_i3；全电流幅值I可通过各次谐波幅值平方和计算得出。

对第一分压器测量得到电压信号进行双峰差值运算得到基波相位θ_u1，可求出基波阻性电流I_r1：

I_r1＝I₁cos(θ_u1-θ_i1)

阻性电流三次谐波分量与阻性电流基波分量反相，阻性电流三次谐波分量幅值I_r3计算公式为：

I_r3＝I₃cos(θ_u1+180°-θ_i3)

步骤C2：运用谐波分析法，即通过基波阻性电流I_r1及阻性电流三次谐波分量幅值I_r3的变化来对多组限压器单元的运行状况进行判别：当限压器阀片老化时，阻性电流三次谐波分量幅值I_r3会显著增加；当限压器内部受潮时，基波阻性电流I_r1显著增加；

步骤C3：对多组限压器单元的泄漏电流信号分别进行差分对比并定位故障限压器单元；由于多组限压器单元同时出现问题概率较低，若某限压器单元出现故障，其泄漏电流参量超过设定阈值或和其它组限压器单元的测量数据存在较大差异时，监测系统即定位为故障限压器单元，启动故障告警，提醒工作人员及时维修。

本发明通过每组限压器单元包括两柱限压器，两柱限压器以并联方式设置在高压母线和低压母排之间；通过第一分压器采集限压器单元的电压信号，通过微电流互感器采集限压器单元的泄漏电流信号，然后将采集到的电压信号和漏泄电流信号传输到地面监控平台中的数据处理单元进行处理，这样一台微电流互感器可同时测量两柱限压器并联时的泄漏电流，由于一组限压器单元中两柱限压器并联，两柱限压器并联后的电阻为单柱限压器电阻的一半，微电流互感器测得的漏泄电流翻倍，微电流互感器在监测限压器单元的漏泄电流时更加的灵敏，既减少了微电流互感器数量的个数，又保证了传感器监测精度，另外通过采集限压器单元的电压信号进行计算分析，提高了监测系统的准确率。

进一步地通过铝排将每组限压器单元中的两柱限压器并联在一起，铝排拆卸方便，易于更换，当某限压器单元出现故障时，可将铝排拆下对两柱限压器分别进行测试，确认故障后只需更换故障限压器即可。

进一步地光纤信号传输单元包括光纤柱和分别设置在光纤柱两端的两个光电转换模块，两个光电转换模块分别与数据采集板卡和数据处理单元的信号传输接口相连接，通过光纤信号传输单元对采集到的信号进行转换和传输，抗干扰性能强，能够有效的隔离来自电源以及高压平台的电磁干扰，有效解决了电磁干扰对测量精度的影响。

进一步地数据采集板卡的电压输入端设置有限流限压保护模块，可以防止浪涌电流对数据采集板卡造成破坏，增强系统的稳定性。

更进一步地通过设计在地面监控平台上实现的监测方法，对采集到的限压器单元的泄漏电流信号和电压信号进行基于布莱克曼-哈里斯窗的快速傅里叶变换和双峰插值算法进行计算，并对计算得到的参数进行分析和预警，提高了对限压器单元监测的准确度，增强了超、特高压系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的组成原理图；

图2为本发明所述的限压器单元的连接示意图；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

一种适用于超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，如图1和图2所示，本实施例采用一种优化的限压器连接方案，无需与超、特高压电网中的地线相连接；超、特高压电网中包含由二十柱限压器构成的多柱限压器阵列，多柱限压器阵列处于串补平台，与线路电压处于同一等级；相邻两柱限压器的底板202之间通过铝排201相连接，构成一组并联的限压器单元104；即现场二十柱限压器共组成十组并联的限压器单元104；每一组限压器单元104中任一一柱限压器的底板202上引出一段铝绞线204连接到低压母排205上，限压器单元104中两柱限压器的高压接线端均连接在高压母线203上。

所述的监测系统包括用于采集超、特高压电网中多组限压器单元104的泄漏电流和电压的数据采集单元101、用于对采集到的泄漏电流和电压信号进行分析诊断和故障报警的地面监控平台111以及用于将数据采集单元101采集到的信号传输到地面监控平台111的光纤信号传输单元102。

所述数据采集单元101包括用于采集限压器单元104的电压信号的第一分压器106a、限压器测量箱109和多个用于采集限压器单元104的泄漏电流的微电流互感器105；所述限压器测量箱109与低压母排205等电位，置于限压器单元104旁侧，限压器测量箱109包括电磁屏蔽壳体和设置在电磁屏蔽壳体中的数据采集板卡107，数据采集板卡107的电压输入端设置有限流限压保护模块，防止浪涌电流破坏采集板；微电流互感器105为零磁通电流互感器，穿心式结构，利用补偿绕组消除励磁电流对互感器测量精度的影响，使传感器线圈始终工作在零负载状态下，其精度满足限压器单元104中200μA～10mA泄漏电流测量；微电流互感器105内置运算放大电路，将±10mA的电流转换为±5V可以被采集卡采集处理的电压信号；多个微电流互感器105分别安装在多组限压器单元104的底板202与低压母排205之间，多个微电流互感器105分别穿过多组限压器单元104的底板202与低压母排205之间连接的铝绞线204，来实现电流信号输出端与限压器单元104的信号输出端相连接；多个微电流互感器105的信号输出端均与数据采集板卡107的信号输入端相连接，用于将采集到的限压器单元104的泄漏电流传输给数据采集板卡107，这样与上述优化的限压器连接方案结合后，一台微电流互感器105可同时测量两柱限压器并联时的泄漏电流，由于一组限压器单元104中两柱限压器并联，两柱限压器并联后的电阻为单柱限压器电阻的一半，微电流互感器105测得的漏泄电流翻倍，微电流互感器105在监测限压器单元104的漏泄电流时更加的灵敏，既减少了微电流互感器105数量的个数，又保证了传感器监测精度；铝排201拆卸方便，易于更换，当某限压器单元104出现故障时，可将铝排201拆下对两柱限压器分别进行测试，确认故障后只需更换故障限压器即可。

所述第一分压器106a安装在限压器测量箱109上面，第一分压器106a的信号采集端和信号输出端分别与限压器单元104的电压信号输出端和数据采集板卡107的信号输入端相连接，用于采集限压器单元104的电压并将采集到的电压信息传输至数据采集板卡107，由于多组限压器单元104并联在高压母线203和低压母排205之间，多组限压器单元104两端的电压相同，因此只需将第一分压器106a的高压接线端和低压接线端分别连接在高压母线203和低压母排205上来实现电压信号采集，将信号输出端和数据采集板卡107的信号输入端相连接即可；限压器测量箱109上还设置有第二分压器106b,第二分压器106b的高压接线端和低压接线端也分别连接在高压母线203和低压母排205上，第二分压器106b的电压输出端分别与微电流互感器105的电压输入端和数据采集板卡107的电压输入端相连接，用于给微电流互感器105和数据采集板卡107提供12V直流电源。

所述光纤信号传输单元102包括光纤柱110和分别设置在光纤柱110两端的两个光电转换模块108，两个光电转换模块108分别与数据采集板卡107和数据处理单元103的信号传输接口相连接；由于高压串补平台上电源获取比较困难，需要将各组数据传输到地面进行处理，光纤传输系统传输速率高，通信容量大，抗干扰性能强，能够有效的隔离来自电源以及高压平台的电磁干扰，有效解决了电磁干扰对测量精度的影响，本实施例选用光纤通信实现串补平台与地面的信号传输；在超、特高压电网运行过程中，光电转换模块108将采集到的电参量转换为光信号，并通过光纤柱110将多路信号同步传输到地面监控平台111，实现了多路信号的实时同步传输。

所述地面监控平台111包括数据处理单元103；地面监控平台111为基于IEC61850协议实现的状态监测平台，该平台采用C/S架构，负责串补装置的接入和管理，以及整个在线监测系统的运动控制。

如图3所示，在地面监控平台111上实现的监测方法包括如下步骤：

步骤A：微电流互感器105和第一分压器106a分别采集多组限压器单元104的泄漏电流和电压，并将采集到的信号传输到数据采集板卡107；

步骤B：数据采集板卡107将采集到的泄漏电流信号和电压信号经过光纤信号传输单元102传输到数据处理单元103；

步骤C：数据处理单元103对泄漏电流信号和电压信号进行分析处理，具体包括步骤C1-C3：

步骤C1：数据处理单元103将采集到的限压器单元104的泄漏电流信号和电压信号应用基于布莱克曼-哈里斯窗的快速傅里叶变换和双峰插值算法进行计算；

布莱克曼-哈里斯窗的余弦窗一般表达式为：

a_k为余弦窗的项数，N为采样点数；

不同K的值和系数a_k决定了不同的窗：K＝0时,就是矩形窗；K＝1时，a₀＝0.54，a₁＝0.46，为哈明窗，a₀＝a₁＝0.5为海宁窗；K＝3，取a₀＝0.35875,a₁＝0.48829,a₂＝14128,a₃＝0.01168时为布莱克曼-哈里斯窗；

计算基波与三次谐波分量参数，将限压器单元104的漏泄电流信号进行中心频率为50Hz与150Hz的两次双峰差值运算，其他频率的分量因占比较少予以忽略；计算完毕后即可得到基波电流幅值I₁，基波电流相位θ_i1，三次谐波电流幅值I₃，三次谐波电流相位θ_i3；全电流幅值I可通过各次谐波幅值平方和计算得出。

对第一分压器106a测量得到电压信号进行双峰差值运算得到基波相位θ_u1，可求出基波阻性电流I_r1：

I_r1＝I₁cos(θ_u1-θ_i1)

阻性电流三次谐波分量与阻性电流基波分量反相，阻性电流三次谐波分量幅值I_r3计算公式为：

I_r3＝I₃cos(θ_u1+180°-θ_i3)

步骤C2：运用谐波分析法，即通过基波阻性电流I_r1及阻性电流三次谐波分量幅值I_r3的变化来对多组限压器单元104的运行状况进行判别：当限压器阀片老化时，阻性电流三次谐波分量幅值I_r3会显著增加；当限压器内部受潮时，基波阻性电流I_r1显著增加；运用谐波分析法的同时也可与电容电流补偿法等方法结合使用。

步骤C3：对多组限压器单元104的泄漏电流信号分别进行差分对比并定位故障限压器单元104；对多组限压器单元104的泄漏电流信号分别进行差分对比用于消除环境电磁干扰和温漂影响，提高测量精度，由于多组限压器单元104同时出现问题概率较低，若某限压器单元104出现故障，其泄漏电流参量超过设定阈值或和其它组限压器单元104的测量数据存在较大差异时，监测系统即定位为故障限压器单元104，启动故障告警，提醒工作人员及时维修，如基波阻性电流I_r1等泄漏电流参量超过设定阈值；如果为了进一步提高故障告警的准确性，在对故障限压器单元104进行定位后，将定位的限压器单元104与数据库中的限压器单元104的历史记录和环境参数进行分析对比，进行故障分析与故障评估，然后再确定是否启动故障告警。

同时，该地面监控平台111拥有前端设置功能，可通过前端设定在线监测检验单元采集周期、报警阈值设置等。

上述方法对采集到的限压器单元104的泄漏电流信号和电压信号进行基于布莱克曼-哈里斯窗的快速傅里叶变换和双峰插值算法进行计算，并对计算得到的参数进行分析和预警，提高了对限压器监测的准确度，增强了超、特高压电网系统的稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，其特征在于：包括用于采集超、特高压电网中多组限压器单元的泄漏电流和电压的数据采集单元、用于对采集信号进行分析诊断和故障报警的地面监控平台以及用于将数据采集单元采集到的信号传输到地面监控平台的光纤信号传输单元；多组限压器单元均包括两柱限压器，两柱限压器并联在高压母线和低压母排之间；所述数据采集单元包括用于采集限压器单元的电压的第一分压器、限压器测量箱和多个用于采集限压器单元的泄漏电流的微电流互感器；所述限压器测量箱包括电磁屏蔽壳体和设置在电磁屏蔽壳体中的数据采集板卡；所述地面监控平台包括数据处理单元；多个微电流互感器的信号采集端分别与多组限压器单元的电流信号输出端相连接，多个微电流互感器的信号输出端均与数据采集板卡的信号输入端相连接；第一分压器的信号采集端分别与多组限压器单元的电压信号输出端相连接，第一分压器的信号输出端与数据采集板卡的信号输入端相连接。

2.如权利要求1所述的超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，其特征在于：每组限压器单元中的两柱限压器通过铝排并联在一起，铝排的两端分别连接在两柱限压器的底板上。

3.如权利要求2所述的超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，其特征在于：每组限压器单元中的任一一柱限压器的底板上引出一段连接线连接到低压母排上，微电流互感器的信号采集端与该连接线相连接，每组限压器单元中两柱限压器的高压接线端均连接在高压母线上。

4.如权利要求1-3任一所述的超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，其特征在于：所述光纤信号传输单元包括光纤柱和分别设置在光纤柱两端的两个光电转换模块，两个光电转换模块分别与数据采集板卡和数据处理单元的信号传输接口相连接。

5.如权利要求4所述的超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，其特征在于：还包括第二分压器，第二分压器的高压接线端和低压接线端分别连接在高压母线和低压母排上，第二分压器的电压输出端分别与微电流互感器的电压输入端和数据采集板卡的电压输入端相连接，用于给数据采集单元微电流互感器和数据采集板卡提供直流电源。

6.如权利要求5所述的超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统，其特征在于：所述数据采集板卡的电压输入端设置有用于防止浪涌电流破坏数据采集板卡的限流限压保护模块。

7.使用权利要求1-6任一项所述的超、特高压串补装置中限压器的状态监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：微电流互感器和第一分压器分别采集限压器单元的泄漏电流和电压，并将采集到的信号传输到数据采集板卡；

步骤B：数据采集板卡将采集到的泄漏电流信号和电压信号经过光纤信号传输单元传输到数据处理单元；

步骤C：数据处理单元对泄漏电流信号和电压信号进行分析处理，具体包括步骤C1-C3：

步骤C1：数据处理单元将采集到的限压器单元的泄漏电流信号和电压信号应用基于布莱克曼-哈里斯窗的快速傅里叶变换和双峰插值算法进行计算；

布莱克曼-哈里斯窗的余弦窗一般表达式为：

a_k为余弦窗的项数，N为采样点数，K＝3，a₀＝0.35875，a₁＝0.48829，a₂＝14128，a₃＝0.01168；

计算基波与三次谐波分量参数，将限压器单元的漏泄电流信号进行双峰差值运算，计算完毕后即可得到基波电流幅值I₁，基波电流相位θ_i1，三次谐波电流幅值I₃，三次谐波电流相位θ_i3；全电流幅值I可通过各次谐波幅值平方和计算得出；

对第一分压器测量得到电压信号进行双峰差值运算得到基波相位θ_u1，可求出基波阻性电流I_r1：

I_r1＝I₁cos(θ_u1-θ_i1)

阻性电流三次谐波分量与阻性电流基波分量反相，阻性电流三次谐波分量幅值I_r3计算公式为：

I_r3＝I₃cos(θ_u1+180°-θ_i3)

步骤C2：运用谐波分析法，即通过基波阻性电流I_r1及阻性电流三次谐波分量幅值I_r3的变化来对多组限压器单元的运行状况进行判别：当限压器阀片老化时，阻性电流三次谐波分量幅值I_r3会显著增加；当限压器内部受潮时，基波阻性电流I_r1显著增加；

步骤C3：对多组限压器单元的泄漏电流信号分别进行差分对比并定位故障限压器单元；由于多组限压器单元同时出现问题概率较低，若某限压器单元出现故障，其泄漏电流参量超过设定阈值或和其它组限压器单元的测量数据存在较大差异时，监测系统即定位为故障限压器单元，启动故障告警，提醒工作人员及时维修。

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