費(fèi)曉峰

（日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司，江蘇 無(wú)錫 214112）

在電力行業(yè)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的過(guò)程中，并聯(lián)電容器的監(jiān)測(cè)手段卻并沒(méi)有得到與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)一種適用于并聯(lián)補(bǔ)償電容器的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既有必要性又有緊迫性。在設(shè)計(jì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，可以參考現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定，以334 kvar及以上的電容器為例，當(dāng)實(shí)際電容量低于標(biāo)準(zhǔn)電容量的3%時(shí)，應(yīng)開(kāi)展檢查；當(dāng)實(shí)際電容量低于標(biāo)準(zhǔn)電容量的5%時(shí)，應(yīng)退出運(yùn)行。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)原理為：利用前端傳感器實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)每一臺(tái)并聯(lián)電容器的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過(guò)處理后與標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行對(duì)比，如果超出允許范圍，則認(rèn)定存在故障，然后進(jìn)行報(bào)警并提醒設(shè)備管理人員展開(kāi)維修，從而實(shí)現(xiàn)超前預(yù)警、及時(shí)處理。

1 并聯(lián)電容器智能監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)思路為：將監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的每一臺(tái)電容器并聯(lián)電流傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器運(yùn)行狀態(tài)下電流信息的實(shí)時(shí)采集；同時(shí)，使用無(wú)線傳輸模塊將電流信號(hào)傳輸至中心站控制端，利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的前端電流信息進(jìn)行處理、計(jì)算，得出電流有效值，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)并聯(lián)電容器運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

2 電流信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇不同型號(hào)、使用不同安裝方式的電容器，其允許的電流范圍也表現(xiàn)出明顯差異。這里以某變電站使用的35 kV“12并4串”電容器組為例，采用星形連接方式，在正常工況下允許的電流閾值為30～60 A。根據(jù)設(shè)備管理要求，用于采集并聯(lián)電容器電流信號(hào)的傳感器，精度必須小于3%，再加上并聯(lián)電容器組中電容器的布置密度較大，因此對(duì)智能監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)中電流信號(hào)采集模塊的綜合性能提出了較為嚴(yán)格的要求。在電流信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)中，電流傳感器的科學(xué)選型至關(guān)重要。

2.1 電流互感器型傳感器

此類型的電流傳感器采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，主邊匝數(shù)較少，通常為一匝或幾匝；副邊匝數(shù)較多，可以達(dá)到幾百甚至上千匝。使用該傳感器監(jiān)測(cè)電容器電流時(shí)，只需要將電容器的引出導(dǎo)線穿過(guò)環(huán)形結(jié)構(gòu)即可。為了提高電流監(jiān)測(cè)的精度，傳感器的磁芯材料應(yīng)選擇具有高磁導(dǎo)率的坡莫合金，理論上來(lái)說(shuō)磁導(dǎo)率需要達(dá)到105級(jí)別。這樣測(cè)得的諧波電流數(shù)值較小，精度也會(huì)有明顯提升。另外，還可以采取增大鐵芯界面的方式控制測(cè)量誤差。如果需要測(cè)量脈沖電流，需要將傳感器的鐵芯材料替換為鐵氧體，測(cè)量頻帶范圍可以升高至600 kHz～1 MHz。電流傳感器的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 電流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

結(jié)合圖2，電流信號(hào)I1與次級(jí)線圈上的感應(yīng)電壓E2之間存在以下關(guān)系

式中：N2表示副邊線圈匝數(shù)；S表示線圈橫截面積；l表示磁路長(zhǎng)度；μ表示磁通量。由式（1）可得，如果待測(cè)電流升高，則電壓輸出信號(hào)也會(huì)相應(yīng)增加，兩者之間為正相關(guān)。這樣就可以根據(jù)輸出電壓信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器電流信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 磁敏型傳感器

此類型的傳感器是基于半導(dǎo)體的磁敏特性，測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，然后求得被監(jiān)測(cè)電容器的電流值。該設(shè)備的核心部件是霍爾元件，當(dāng)霍爾元件周邊有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，使用導(dǎo)線連接霍爾元件的左側(cè)，并通入電流Is，此時(shí)在右側(cè)會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH。根據(jù)UH的變化，也能夠反推出并聯(lián)電容器的電流?；诨魻栯娏鞯膫鞲衅鬟\(yùn)行原理如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償式霍爾電流傳感器原理圖

假設(shè)并聯(lián)電容器在正常運(yùn)行情況下內(nèi)部電流（即待測(cè)電流）為I1，將其置于環(huán)形鐵芯中，利用鐵芯產(chǎn)生的環(huán)形閉合磁場(chǎng)提高電流監(jiān)測(cè)的靈敏度。在I1產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響下，霍爾元件輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A進(jìn)行放大，然后進(jìn)入補(bǔ)償線圈。在電磁感應(yīng)作用下，補(bǔ)償線圈同時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且該磁場(chǎng)的方向與電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向完全相反。如果此時(shí)存在“I1N1=I2N2”，則磁芯中磁通量等于0，則待測(cè)電流I1的表示式為

式中：N1和N2分別表示初級(jí)繞組與補(bǔ)償繞組的匝數(shù)；I2表示補(bǔ)償繞組中的電流。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，霍爾電流傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短、監(jiān)測(cè)范圍廣和適用性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。例如，其鐵芯體積較小，既能做貫穿式結(jié)構(gòu)，也可以做成鉗式結(jié)構(gòu)；可監(jiān)測(cè)的電流最高能達(dá)到500 A。當(dāng)然，霍爾電流傳感器也有自身的缺陷，例如監(jiān)測(cè)精度易受外界環(huán)境溫度的影響。因此在并聯(lián)電容器的智能檢測(cè)中，需要將霍爾電流傳感器與相連電路制作成集成板，從而提高其抗干擾能力。

3 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“12并4串”電容器組采用上下層結(jié)構(gòu)，每1串即為1層，每個(gè)串段共有12個(gè)電容器并聯(lián)。4個(gè)串段的電位不同，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)需要為每1臺(tái)電容器分別配備1臺(tái)電流傳感器，以便于精準(zhǔn)獲取監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)任意一臺(tái)電容器的電流。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器運(yùn)行工況的全程監(jiān)測(cè)，要求對(duì)電容器的電流波形進(jìn)行連續(xù)采集，然后利用無(wú)線通信系統(tǒng)將采集到的信息發(fā)送給中心站，由中心站計(jì)算機(jī)計(jì)算電流有效值，進(jìn)而掌握電容器的實(shí)時(shí)工況。需要注意的是，由于并聯(lián)電容器數(shù)量較多，為提高采集數(shù)據(jù)的精確性，要求各個(gè)通道必須同步采集數(shù)據(jù)，盡可能地減小采樣時(shí)間差，這也是提高監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性的一種有效舉措。本系統(tǒng)功能的順利實(shí)現(xiàn)，主要依賴于3個(gè)核心部分，即數(shù)據(jù)采集模塊、中心站處理模塊和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

核心組成有2部分，即前端數(shù)據(jù)采集單元和無(wú)線通信單元。前者收集所得的數(shù)據(jù)（如電流信號(hào)、電容信號(hào)等），經(jīng)過(guò)降噪、濾波、放大等預(yù)處理程序后，再通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。其中，無(wú)線傳送模塊的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行原理如圖4所示。

圖4 無(wú)線采集發(fā)送模塊原理圖

在該模塊中，A/D轉(zhuǎn)換器與ARM器件的數(shù)據(jù)傳輸速率均可滿足12.8 kHz采樣頻率要求。支持該模塊運(yùn)行的電能由供能單元提供，電壓為±15 V。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將電源部分設(shè)計(jì)成獨(dú)立的電源板，這樣可以提高與CPU板的兼容性，同時(shí)進(jìn)一步壓縮體積，減少空間占用。該模塊的運(yùn)行功率為2 W，CPU與通信模塊均采用“睡眠”方式，即需要接收指令或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行；空閑狀態(tài)下待機(jī)，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

3.2 中心站處理模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)處理前端傳送的數(shù)據(jù)，其核心組成有計(jì)算機(jī)、通信模塊和控制設(shè)備等。計(jì)算機(jī)除了完成采集數(shù)據(jù)的處理外，還會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果和控制程序，自動(dòng)生成或者由用戶自定義控制指令，并利用中心通信模塊將該指令下達(dá)至前端的控制單元?？刂圃O(shè)備根據(jù)指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)行。另外，考慮到監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)并聯(lián)電容器的數(shù)量較多，并且與中心站計(jì)算機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)，為保證通信效率和提高響應(yīng)速度，在通信模式上可以選擇RS-232接口，連接串口服務(wù)器，可以有效避免多臺(tái)電容器的監(jiān)測(cè)傳感器同步反饋信息時(shí)出現(xiàn)信道堵塞的問(wèn)題。

3.3 無(wú)線傳輸模塊

本系統(tǒng)的無(wú)線傳輸模塊具備2項(xiàng)基本功能，即下達(dá)中心計(jì)算機(jī)發(fā)布的調(diào)控指令，以及上傳前端采集到的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選擇2.4G無(wú)線模塊來(lái)滿足通信需求。由于變電站多臺(tái)電容器被分布在不同位置，使得不同電容器之間在數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行方面會(huì)存在時(shí)間差，難以保持完全同步。為解決這一問(wèn)題，本文提出了以下優(yōu)化方法：一種是增加天線高度，提高天線信號(hào)的覆蓋范圍；另一種則是安裝接力路由，在電容器與中心站的通信路線上每隔一定距離布置1臺(tái)路由器，采用接力路由的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳送和指令的同步下達(dá)。

本文在設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)用了ZigBee技術(shù)，作為一種短距離、低功耗、低成本和高穩(wěn)定性的無(wú)線通信技術(shù)，基于ZigBee進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，可以支持2種傳輸方式：如果通信距離較遠(yuǎn)，并且電容器的分布比較密集，這種情況下必須加裝中繼無(wú)線通信模塊，在解決通信延時(shí)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提高采集數(shù)據(jù)的同步性。一般來(lái)說(shuō)，加一級(jí)中繼組網(wǎng)即可滿足絕大多數(shù)情況下的無(wú)線傳輸需要；如果通信距離較近，但是電容器的分布零散，可以在整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)靈活布置幾個(gè)采樣點(diǎn)。首先由采樣點(diǎn)就近收集電容器的電流信號(hào)，然后再將各個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)按照設(shè)定好的時(shí)間點(diǎn)同步發(fā)送至中心站計(jì)算機(jī)。

4 供能單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在“12并4串”的電容器組中，由于電流傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊在運(yùn)行中產(chǎn)生的功耗較高，為保證其可靠運(yùn)行需要安裝在高電位。同時(shí)，為了避免串?dāng)_情況，還必須在相鄰的2臺(tái)電容器之間采取絕緣保護(hù)措施。在設(shè)計(jì)智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能單元時(shí)，可供選擇的供能方式有3種，分別是一次側(cè)的大電流供能、激光供能和太陽(yáng)能與蓄電池聯(lián)合供能。對(duì)比這3種供能方式，激光供能本身成本偏高，加上并聯(lián)電容器數(shù)量較多，將會(huì)大幅度增加系統(tǒng)運(yùn)行成本，因此不宜選擇；太陽(yáng)能與蓄電池聯(lián)合供能的成本較低，但是受到天氣的影響較大，并且在沒(méi)有穩(wěn)流器的情況下，電壓波動(dòng)明顯，也難以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此，綜合對(duì)比來(lái)看，本系統(tǒng)的供能單元選擇基于電磁耦合的方式，利用一次側(cè)大電流供能。

另外，考慮到現(xiàn)場(chǎng)電容器組的布置較為緊密，因此用于監(jiān)測(cè)的電流傳感器和功能線圈也需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝需要。為了節(jié)約空間，本文采取了電流傳感器與供能線圈的一體化設(shè)計(jì)，將電流傳感器與功能線圈的一體化裝置安裝在電容器套管的底部，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和驗(yàn)算，該一體化裝置安裝后爬電距離為40 m，按比距為2.5 cm/kV來(lái)計(jì)算，能夠達(dá)到Ⅲ級(jí)污穢要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

并聯(lián)補(bǔ)償電容器作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種器件，在減損升壓、保障正常供電等方面發(fā)揮了重要作用。但是由于運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，加上投入運(yùn)行年限的增加，并聯(lián)電容器及其連接線路不可避免地會(huì)出現(xiàn)材料老化、絕緣失效等一系列問(wèn)題。而傳統(tǒng)的檢修模式側(cè)重于事故后的處理，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備停運(yùn)、電力中斷的情況，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在建設(shè)“智能電網(wǎng)”的背景下，本文設(shè)計(jì)的一種并聯(lián)電容器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，涵蓋了用于收集電流數(shù)據(jù)的傳感器、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K及用于數(shù)據(jù)處理的中心站計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)電容器實(shí)時(shí)運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、智能分析，做到了潛在運(yùn)行故障的超前識(shí)別，為故障處理提供了依據(jù)，切實(shí)保障了并聯(lián)電容器乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。下一步，還要繼續(xù)開(kāi)展并聯(lián)電容器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)應(yīng)用，以期實(shí)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的盡快普及。