并联电容器智能监测硬件系统设计

朱华昌

吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江宁波，315300

摘要：在城市发展自动化、智能化的进程中，并联电容器的监测手段却并没有得到与时俱进的创新，设计一种适用于并联补偿电容器的智能监测系统既有必要性又有紧迫性。在设计智能监测系统时，可以参考现行有关规定，以334kvar及以上的电容器为例，当实际电容量低于标准电容量的3%时，应开展检查；当实际电容量低于标准电容量的5%时，应退出运行。智能监测系统的功能实现原理为：利用前端传感器实时采集监测范围内每一台并联电容器的实时运行参数，经过处理后与标准工况进行对比，如果超出允许范围，则认定存在故障，然后进行报警并提醒设备管理人员展开维修，从而实现超前预警、及时处理。基于此，本篇文章对并联电容器智能监测硬件系统设计进行研究，以供参考。

关键词：并联电容器；智能监测；硬件系统设计

引言

用于控制的PLC（可编程逻辑控制器）系统虽然可靠性高，但长时间运行控制后性能也会下降，变得不稳定。对于控制设备运行状态的获取，现今只能通过人工方式检查指示灯来判断控制系统运行状况。当面对检查数量多、站场地处偏远地区的状况时，传统的由工程师到现场对控制系统进行诊断的方式已经不符合现代站场管理方式，且传统的维护过程是典型的有故障才有反应的过程，这样的故障维护只能在设备故障停机后才能起到作用，影响了生产过程的持续性。故对于控制系统远程诊断的研究在实际生产过程中具有迫切的需求和重要的意义。

1并联电容器的特点

并联电容器是工业行业中使用最多的一个无功功率补偿装置，目前中国国内工业行业中90%的劳而无功补偿装置均为并联电容器。其在实际应用中具备了如下优点，由于电容器为静止装置，运行与维修简便，且在应用过程中没有产生噪声，能量消耗较少，效率高。现代电容器的能量损耗也只是本身容量的0.02%以下。同时，也是最经济的装置。其一次性投入和运行费用都相当低廉，而且安装调试简便，所以，在实际工作中，得到了普遍应用。

2高压并联电容器的接线方式

对于高压并联电容器接线方式的选择应当建立科学性的基础上，全面考虑诸多因素，以此来保障接线方式的合理性与可行性。例如综合考虑单台电容器容量、中性点接地方式、电容器额定电压、容量等诸多因素。当前应用最为广泛的接线方式主要为三角形接线和星形接线。其中，三角形接线更适合在小容量的电容器组中应用，且常用于工业企业中。三角形接线方式具有消除3倍次谐波电流造成的影响等优势，但也存在电容器组全击穿短路会引发故障电流能量较大、电容器油箱爆裂甚至是更大危害等缺陷。星形接线方式与之不同的是，在同样情况下，故障电流并不会大于额定电流3倍，所以故障电流产生的能量也就相对更小，能有效控制安全事故。基于此可知，星形接线可靠性更强，所以这一接线方式得到了更为广泛的应用。针对10~35kV非直接接地系统来说，中性点不接地接线方式更为适用。另外，若电容器组容量偏大，双星形接线方式则更为使用。因为双星形接线方式应用下，每段并联电容器数量更少，事故发生率也会显著降低。

3高压并联电容器补偿装置存在的问题

3.1过电压跳闸

某厂应用的国产高压电容器补偿装置在使用过程中常出现过电压动作。根据厂家提供的信息可知，该厂使用的高压母线电压为6200V，且高压电容器补偿装置应用的是DJ121型号的电压继电器进行过电压保护，整定值为110V，时间为240s。因此DJ121这一型号的电压继电器返回系数为0.8，在高压电容器补偿装置正常使用情况下其受到的加压约为102~104V之间。因该厂所采用的断路器为真空断路器，非常容易受到人为操作以及电网异常的影响而出现短暂过电压，也就是单次电压大于6600V，此时电压继电器启动，而当电压恢复至正常水平时，电压继电器无法正常返回，从而出现过电压动作。

3.2谐振

高压配电室的无功率因数表仅有功率表、电压表、电流表几种，且功率因数的测定与计算的权限仅属于维护工作者，但维护人员却可能无法及时发现网络参数的变化。因高压电容器补偿装置的补偿操作主要是建立在高压电动机运行状态的基础上实现的，通过操作人员手动投入集中补偿本段高压电动机感性无功。因为在实际运行过程中经常出现在未通知值班人员的情况下切换高压电动机这一问题，所以非常容易引发网络参数的变化，进而出现谐振。

4并联电容器智能监测硬件系统设计

4.1数据采集模块

核心组成有2部分，即前端数据采集单元和无线通信单元。前者收集所得的数据，经过降噪、滤波、放大等预处理程序后，再通过内置的无线模块实现数据的传送。在该模块中，A/D转换器与ARM器件的数据传输速率均可满足12.8kHz采样频率要求。支持该模块运行的电能由供能单元提供，电压为±15V。为了简化系统结构，将电源部分设计成独立的电源板，这样可以提高与CPU板的兼容性，同时进一步压缩体积，减少空间占用。该模块的运行功率为2W，CPU与通信模块均采用“睡眠”方式，即需要接收指令或发送数据时，启动运行；空闲状态下待机，从而降低系统运行能耗。

4.2无线传输模块

本系统选择2.4G无线模块来满足通信需求。由于变电站多台电容器被分布在不同位置，使得不同电容器之间在数据采集和指令执行方面会存在时间差，难以保持完全同步。为解决这一问题，本文提出了以下优化方法：一种是增加天线高度，提高天线信号的覆盖范围；另一种则是安装接力路由，在电容器与中心站的通信路线上每隔一定距离布置1台路由器，采用接力路由的方式实现数据的同步传送和指令的同步下达。本文在设计无线网络时应用了ZigBee技术，作为一种短距离、低功耗、低成本和高稳定性的无线通信技术，基于ZigBee进行无线组网，可以支持2种传输方式：如果通信距离较远，并且电容器的分布比较密集，这种情况下必须加装中继无线通信模块，在解决通信延时问题的基础上，提高采集数据的同步性。一般来说，加一级中继组网即可满足绝大多数情况下的无线传输需要；如果通信距离较近，但是电容器的分布零散，可以在整个监测范围内灵活布置几个采样点。首先由采样点就近收集电容器的电流信号，然后再将各个采样点的信号按照设定的时间点同步发送至中心站计算机。

4.3硬件组态

在线监测系统硬件组态主要由底层传感器、设备层以及监测层共同构成。其中，底层传感器包含电机电压/电流传感器、液压传感器、霍尔传感器等多种数字传感器；设备层则包括PLC采集模块；监测层则主要包括上位机。系统硬件系统采用模块化设计，在硬件设备的基础上，利用组态软件构建监测对象模型。在运行中，设备层会接收底层传感器所反馈的各类数据信息，并对数据进行分析处理，处理后的数据结果在上位机中进行有效显示。PLC和上位机之间采用Modubus通讯协议，可通过一定的地址换算将关系映射到上位机，上位机中的组态软件对PLC所反馈的数据信息进行归纳汇总后，通过显示器进行精准显示。

结束语

本文设计的一种并联电容器智能监测系统，涵盖了用于收集电流数据的传感器、用于数据传输的通信模块及用于数据处理的中心站计算机，可以实现对被监测电容器实时运行工况的动态监测、智能分析，做到了潜在运行故障的超前识别，为故障处理提供了依据，切实保障了并联电容器的运行安全。下一步，还要继续开展并联电容器智能监测系统软件方面的设计，然后进行仿真验证和现场试点应用，以期实现该监测系统的尽快普及。

参考文献

[1]侯珏,王少荣,王文豪,郑超,李精松,尹婷,严飞,赵丹丹.用于特高压并联补偿电容器组状态监测的智能终端[J].电力系统保护与控制,2019,47(19):100-106.

[2]张鹏.10kV单星型并联电容器组早期故障预警研究与实践[D].上海交通大学,2019.003840.

[3]赵小娟.特高压并联电容器组监测系统研究[D].华中科技大学,2018.

[4]武敏.智能电容器DSP控制系统设计研究[D].安徽工业大学,2018.

[5]苏志明.电力电容器智能化监测与故障诊断系统研究[D].华北电力大学,2018.