专利名称：一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法及其无功补偿控制器的制作方法
一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法及其无功补偿控制器技术领域：
本发明涉及一种应用于电力系统中的检测与控制方法及其检测 仪器，更具体地说是涉及一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方 法及其控制器。背景技术：
电力系统的无功功率必须平衡，亦即电力系统发出的无功功率 必须等于负荷无功功率与变压器、电力线路消耗的无功功率之和。电力系统中无功功率造成的损耗相当大， 一般约占系统总损耗的50%。 这些损耗的很大部分是由于无功功率在变压器和电力线路传输过程 中造成的，因此减少无功功率的传输，实现无功功率的就地平衡是减 少电力系统损耗的一个重要方法。为实现无功功率就地平衡，现在普 遍采用的是并联电容器就地补偿。使用电容器能补偿负荷感性无功功 率以提高功率因数，故又称移相电容器，它常并联接于输配电线路或 配电装置的母线上，故又称并联电容器。由于电容器可分散安装，越 靠近负荷集中处安装，就越会获得理想的技术经济效果。然而，目前使用电容器进行无功补偿的无功补偿控制器,不能够 在线检测电容器工作的状况及性能参数,因此，当运行中电容器三相 电容值及差值或介损损耗增加而不能正常工作的时候，不能检测到是哪一组的电容器出现了问题，使电容器长期带病运行，降低了补偿效 果，严重时不仅没有降低损耗，反而增加了损耗。如果定期停电逐组检测，不仅工作量大，还及其不方便。鉴于此 问题本发明人设计出本发明。
发明内容为解决现有技术的不足，本发明提供了一种能够检测出每一组并 联电容器工作状况及性能参数的方法，本发明也同时提供了一种无功 补偿控制器。本方法和无功补偿控制器能检测到是哪一组的电容器出 现了问题，避免电容器长期带病运行，增强补偿效果。本发明是这样实现的 一种能在线检测与控制无功补偿电容器的 方法，该方法通过顺次连接的外部电参量引入电路、交流转换电路、采样保持电路、多路开关、A/D转换电路、CPU、存储器，以及与 CPU相连的显示报警电路和开关电路执行在线检测与控制无功补偿 电容器，其特征在于该方法包含以下步骤a、 外部电参量弓I入电路引入电源侧交流电压和交流电流以及无 功补偿电容器侧的交流线电流，然后将这些较高的电压、电流传给交 流转换电路；b、 交流转换电路将步骤a中较高的交流电压、电流转换成较低 的交流电压、电流传给采样保持电路；c、 通过采样保持电路将较低的交流电压、电流在每周期内采样 N次，每次采样后保持在保持电路中，然后通过多路开关依次传给 A/D转换电路d、 A/D转换电路将步骤c中釆样的模拟量转换成数字值，在CPU 的控制下录入到存储器中；e、 CPU根据录入到存储器中的数据计算出电源侧的总功率因数 以及每组电容器工作状况及性能参数；f、 CPU将功率因数与投入门限比较，比较结果低于投入门限， 则CPU控制开关电路增投一组电容器；比较结果高于切除门限则 CPU控制开关电路切除一组电容器，完成无功补偿控制功能；g、 将电容器组工作状况及性能参数与预先给定的正常工作值或 范围进行比较，若比较结果在允许值内，则不报警；比较结果不在允 许值内，CPU控制显示报警电路进行报警，此时CPU控制开关电路 切断此组电容器组；如上所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法，其特征在于CPU5从存储器中取电压&m数字值和电源侧一相电流h/数字 值，计算出功率因数与设定值比较；低于投入门限则C:PU5控制开关 电路8增投一组电容器，高于切除门限则CPU5控制开关电路8切除 一组电容器；如上所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法，其特 征在于CPU根据测得的电容器组线电流值h、〗,、〗e，求出第一组各相电容器相电流值〗"、k、》a的有效值，根据公式C=I/ (2兀/U) 可以求出第一组各相电容器的电容值CAB产lW(2:rt/UAB)、 CBa=lBc/(2jt/Ubc)、 Cca1=Ica/ (2兀/Uca);根据公式Q二2JifCUj可求出额定 电压时的电容器容量，如果电容器电容值或三相电容差值或电容器容量超过允许值，则显示报警电路进行报警，CPU控制幵关电路，使 该组电容器退出运行，如在允许值内则不报警，电容器组正常运行； 以后再投入新电容器组，求出各相的总电容值，各相总电容值减去前 以投入运行的电容器组各相电容值则等于新投入电容器组各相电容 器的电容值；如上所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法，其特征在于CPU根据测出的电容器的线电流值h、 h^&^ ^求出第一 组电容器的有功损耗P产j/必Xh—^x》c，将&必、j&的相位前移卯。得&"，、 ^c',则第一组电容器的无功功率Q产j/朋'X乙一 〗e，第一组电容器的介质损耗角正切值tg卜-P,/ Q1;如果电容器 介质损耗角正切值超过允许值，则显示报警电路报警，并退出该组电 容器运行；如在允许值内则不报瞀，报警发光二极管不亮，电容器组 正常运行；以后再投入新电容器组，求出总有功损耗和总无功功率， 由于电容器是并联的，总有功损耗减去以前投入运行的电容器组有功 损耗则等于新投入电容器组有功损耗；总无功功率减去以前投入运行 的电容器组无功功率则等于新投入电容器组无功功率，从而可求出新 投入电容器组的介质损耗角正切值，并与其允许值比较，判断是否报 警和退出运行；如上所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法，其特 征在于开始时投入第一组电容器，测得的电流即为第一组电容器三相 线电流，以后每投入一组都减去投入前的电流，得到新投入电容器组 的三相线电流，并判断三相线电流不平衡率是否超过允许值，超过则报警和退出运行。一种能在线检测与控制无功补偿电容器的无功补偿控制器，其特 征在于包括顺次连接的外部电参量引入电路、交流转换电路、采样保持电路、多路开关、A/D转换电路、CPU、存储器以及与CPU相连 的显示报警电路和开关电路，外部电参量引入电路与母线及电容器相 连。本发明的有益效果是不仅能实现无功补偿的控制，还可实现以下 功能(1)、可以在线检测出每一组电容的每一相电容值及其差值， 判断其是否在允许的范围内；(2)、可以在线检测出每一组电容器的 有功损耗或介质损耗角正切值。判断其是否在允许的范围内；(3)、 可以在线检测出每一组电容器三相线电流及三相电流差值。判断其是 否在允许的范围内。(4)、当上述比较超出允许值时，则发出超值电 容器报警信号和退出运行(也可以选择由人工控制退出其运行并闭 锁)，从而保证补偿效果，达到降损节能的目的。同时还可以大大减 少定期停电逐组检测的工作量，方便了运行维护管理。
图1是本发明的在线检测与控制无功补偿电容器的方法流程图； 图2是本发明的在线检测与控制无功补偿电容器的无功补偿控制器电路方框图；图3是本发明的在线检测与控制无功补偿电容器的无功补偿控制器外部模拟电参量引入和内部电路模块及控制多组A形接线的并联电容器示意图。
具体实施方式下面结合附图及其具体实施方式
对本发明进行详细描述 如图1、图2所示，一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法 通过顺次连接的外部电参量引入电路(1)、交流转换电路(2)、采样 保持电路(3)、多路开关(3a)、 A/D转换电路(4)、 CPU (5)、存 储器(6)，以及与CPU (5)相连的显示报警电路(7)和开关电路 (8)执行在线检测与控制无功补偿电容器,该方法包含以下步骤(a) 外部电参量引入电路1从母线到无功补偿电容器的总连线 上通过熔断器FU1、 FU2、 FU3引入三相交流电压，从母线电源侧通 过电流互感器Dll引入一相总交流电流，从母线到无功补偿电容器 的总连线上通过电流互感器D13、 D15引入无功补偿电容器二相交流 线电流，然后将这些较高的电压、电流传给交流转换电路2;(b) 交流转换电路2将步骤a中较高的交流电压、电流转换成 较低的交流电压、电流传给采样保持电路3;(c) 通过采样保持电路3将较低的交流电压、电流在每周期内 采样N次，每次采样后保持在保持电路中，然后通过多路开关3a依 次传给A/D转换电路4;(d) A/D转换电路4将步骤c中采样的模拟量转换成数字值， 在CPU5的控制下录入到存储器6中；(e) CPU5根据录入到存储器6中的数据计算出电源侧的总功 率因数以及每组电容器工作状况及性能参数；(f) CPU5将功率因数与投入门限比较，比较结果低于投入门限，则CPU 5控制开关电路8增投一组电容器；比较结果高于切除 门限，则CPU5控制开关电路8切除一组电容器，完成无功补偿控制 功能。(g)将电容器组工作状况及性能参数与预先给定的正常工作值 或范围进行比较，若比较结果在允许值内，则不报警；比较结果不在 允许值内，CPU5控制显示报警电路7进行报警，此时CPU5控制开 关电路切断此组电容器组。如图2所示，一种能在线检测与控制无功补偿电容器的无功补偿 控制器，包括顺次连接的外部电参量引入电路1、交流转换电路2、 采样保持电路3、多路开关3a、 A/D转换电路4、 CPU5、存储器6 以及与CPU相连的显示报警电路7和开关电路8，外部电参量引入 电路1与母线及电容器组相连。实施例l:如图所示，外部电参量引入电路1包括有电压互感器T1、 T2， 电流互感器Dll、 D12、 D13、 D14、 D15、 D16，电压互感器T1的一 个输入端通过熔断器FU1接在母线到无功补偿电容器组C1、 C2…… Cn的总连线的A相上，另一个输入端通过熔断器FU2接在母线到无 功补偿电容器组Cl、 C2……Cn的总连线的B相上，电压互感器Tl 的一个输出端接在交流转换电路上，电压互感器T1的另一个输出端 接地；电压互感器T2的一个输入端通过熔断器FU2接在母线到无功 补偿电容器组C1、 C2……CN的总连线的B相上，另一个输入通过熔 断器FU3接在母线到无功补偿电容器组Cl、 C2……Cn的总连线的C相上，电压互感器T2的一个输出端接地，另一个输出端接在交流转 换电路上；电压互感器Tl、 T2可以从母线到无功补偿电容器的总连线上引入电源侧三相交流电压f^、 &,、 j/e，获得两个交流电压j;^、 i&， 然后传给交流转换电路；电流互感器Dll输入端串接在母线电源侧C相上，电流互感器 Dll的两个输出端接在电流互感器D12的两个输入端，电流互感器 D12的两个输出端与交流转换电路相连，电流互感器DU可以从母线C相上引入电源侧交流相电流y，经过电流互感器D12的变换传给交电流互感器D13输入端串接在母线到无功补偿电容器组Cl、 C2……Cn的总连线的A相上，电流互感器D13的两个输出端接在电 流互感器D14的两个输入端，电流互感器D14的两个输出端与交流转换电路相连，电流互感器D13可以引入电容器A相总电流^，经过电 流互感器D14的变换传给交流转换电路；电流互感器D15输入端串接在母线到无功补偿电容器组Cl、C2……Cn的总连线的C相上，电流互感器D15的两个输出端接在电流互感器D16的两个输入端，电流互感器D16的两个输出端与交流转换电路相连，电流互感器D15可以引入电容器C相总电流〗e，经过电 流互感器D16的变换传给交流转换电路。交流转换电路可以将两个交流电压^^、 f&，母线电源侧交流C 相电流〗e'，电容器总交流电流h、》e转换成较低的交流值，然后传给与其连接的采样保持电路3 ，采样保持电路在每工频周期内采样N次(如 N=64)，每次采样后保持在保持电路中，然后通过多路开关3a依次传给A/D转换电路4， A/D转换电路将两个交流模拟电压^^、 f&， 电源侧交流模拟相电流〗e'，电容器侧交流模拟线电流L、〗e,转换成 相应的数字值，然后CPU5对这些数字值进行处理，CPU5将^ 、 的数字值相加后取反得到&^将h、 ^的数字值相加后取反得到h， 然后CPU5控制将&m、 &、 j^、 h、〗e、 h、 ^'的数字值，存入到 与CPU5连接的存储器中。CPU5与包括输出扩展端口、输出继电器、 接触器K1、 K2-"Kn的开关电路8连接，接触器K1、 K2~~Kn设置 在三相母线和每组电容器之间的导线上，CPU5可以控制开关电路8 来控制每一组电容器的投入或断开。显示报警电路7也与CPU5连接， 显示报警电路7包括显示屏和发光二极管，显示屏可以显示电容器的 工作状况及性能参数，发光二极管可以对工作状况及性能参数异常 的电容器进行报警。CPU5可以调用这些值进行如下的操作，来计算在线检测无功补 偿电容器的工作状况及性能参数-(1)无功补偿控制CPU5从存储器6中取电压&^数字值和电源侧相电流W数字值，计算出功率因数与设定值比较，低于投入门 限则CPU5控制开关电路8增投一组电容器，高于切除门限则CPU5控制开关电路8切除一组电容器，从而实现并联电容器的自动投切功能，还有其他如过电压保护等功能，这些都是现有无功补偿控制器具有的功能；(2) 在线检测出每一组电容每一相电容值或额定电压时容量设开始只投第一组电容器，CPU5根据测得的电容器组线电流值L、h、〗e和电容器组A形接线的特点，可以求出第一组各相电容器相电流值hu、 Lk:、 )c4的有效值，根据公式C=I/ (2兀/U)可以求出第一 组各相电容器的电容值cab产IW (2ot/Uab)、 CBC1=IBC/ (2ji/Ubc)、CCA1=ICA/(2 n /Uca)。如果电容器电容值比额定值下降超过允许值(如10%)或三相电容差值超过允许值(如5%)，则显示报警电路7进行报警，显示报警电路7中的与第一组电容器对应的发光二极管闪光，CPU5控制开关电路8，使该组电容器退出运行(也可以选择由人工控制退出并闭锁)。如在允许值内则不报警，报警发光二极管不亮，电容器组正常运行。以后再投入新电容器组，同理可求出各相的总电容值，由于每一相电容器是并联的，任选一相，如AB相总电容值减去以前投入运行的电容器组AB相电容值则等于新投入电容器组AB相电容器的电容值。同理可求出新投入电容器组其他相电容器的电容值和三相电容差值。并与其允许值比较，判断是否报警和退出运行。以此类推，每投入一次都进行一次检测、计算和比较，实现电容值的在线检测、报警和退出超值电容器组运行的功能。上述已求出各相电容C，根据公式Q=2 fCU/可求出额定电压时的电容器容量。设定额定电压时的电容器容量变化允许值，同样可以实现额定电压时的电容器容量和三相差值的在线检测、报警和退出超值的电容器组运行的功能。(3) 在线检测出每一组电容器介质损耗角正切值设开始只投第一组电容器，CPU5根据测出的电容器的线电流值h、》c^^/m、 f/w可以求出第一组电容器的有功损耗P产&必X"—^^X》c，将j;必、^的相位前移90°得&J、 &e'，则第一组电容器的无功功率Q产j/朋' Xh—^c'XL，第一组电容器的介质损耗角正切值tgS,二P，/ Q"如果电容器介质损耗角正切值超过允许值(如0.3%)，则显示报警电 路7中的与第一组电容器对应的发光二极管闪亮，并退出该组电容器 运行(同样可选由人工退出并闭锁)。如在允许值内则不报警，报警 发光二极管不亮，电容器组正常运行。以后再投入新电容器组，同理 可求出总有功损耗和总无功功率，由于电容器是并联的，总有功损耗 减去以前投入运行的电容器组有功损耗，则等于新投入电容器组有功 损耗。总无功功率减去以前投入运行的电容器组无功功率，则等于新 投入电容器组无功功率。从而可求出新投入电容器组的介质损耗角正 切值。并与其允许值比较，判断是否报警和退出运行。以此类推，每 投入一次都进行一次检测、计算并比较，实现电容器的介质损耗角正 切值的在线检测，报警、退出超值的电容器组运行功能。上述分析中已求出电容器组的有功损耗，所以，也可以设定有 功损耗的允许值，判断电容器组是否退出运行和发出报警。(4)在线检测每一组电容器三相线电流和上述类似，假设开 始时投入第一组电容器，测得的电流即为第一组电容器三相线电流， 以后每投入一组都减去投入前的电流，得到新投入电容器组的三相线电流，并判断三相线电流不平衡率是否超过允许值(如5%)，超过则报警和退出运行。(5)检测量和补偿后的功率因数的显示上述检测得的电容值、 额定电压时电容器容量、电容器的介质损耗角正切值、电容器组的有 功损耗、电容器三相线电流等都可以通过轮显的方式显示出来。功率 因数是常显示。电容器组的投切状态和报警用发光二极管显示。上述是以检测控制A形接线电容器组为例介绍的。若电容器组是 Y形接线中性点不接地的电容器组，则先视为厶形接线，求出电容值 后，再根据Y —A变换公式，求出Y形接线实际的每相电容器电容值。 若为Y形接线中性点接地的电容器组，则各相可视为单相电容器，三 相线电压检测改为相电压检测，无需Y—A变换，根据测得的三相相 电压和线电流直接计算就可得上述类似数值，并进行判断、报警和退出运行控制。由于此方式不能直接测得线电压&^，则由每次采样的i^ 减^^得到^w。本发明的无功补偿控制器还可以包括有485通信接口、键盘,485 通信接口、键盘与CPU5连接，485通信接口可以接入外设的通信设 备进行向外界或CPU 5双向通信，而键盘可以向CPU 5录入一些信 息(如设定参数或允许值等)。
权利要求
1. 一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法，该方法通过顺次连接的外部电参量引入电路(1)、交流转换电路(2)、采样保持电路(3)、多路开关(3a)、A/D转换电路(4)、CPU(5)、存储器(6)，以及与CPU(5)相连的显示报警电路(7)和开关电路(8)执行在线检测与控制无功补偿电容器，其特征在于该方法包含以下步骤(a)外部电参量引入电路(1)引入电源侧交流电压和交流电流以及无功补偿电容器侧的交流线电流，然后将这些较高的电压、电流传给交流转换电路(2)；(b)交流转换电路(2)将步骤(a)中较高的交流电压、电流转换成较低的交流电压、电流传给采样保持电路(3)；(c)通过采样保持电路(3)将较低的交流电压、电流在每周期内采样N次，每次采样后保持在保持电路中，然后通过多路开关(3a)依次传给A/D转换电路(4)；(d)A/D转换电路(4)将步骤(c)中采样的模拟量转换成数字值，在CPU(5)的控制下录入到存储器(6)中；(e)CPU(5)根据录入到存储器(6)中的数据计算出电源侧的总功率因数以及每组电容器工作状况及性能参数；(f)CPU(5)将功率因数与投入门限比较，比较结果低于投入门限，则CPU(5)控制开关电路(8)增投一组电容器；比较结果高于切除门限，则CPU(5)控制开关电路(8)切除一组电容器，完成无功补偿控制功能；(g)将电容器组工作状况及性能参数与预先给定的正常工作值或范围进行比较，若比较结果在允许值内，则不报警；比较结果不在允许值内，CPU(5)控制显示报警电路(7)进行报警，此时CPU(5)控制开关电路切断此组电容器组。
2、 根据权利要求1所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容 器的方法，其特征在于CPU (5)从存储器(6)中取电压&^数字值和电源侧一相电流〗e'数字值，计算出功率因数与设定值比较，低于投 入门限则CPU (5)控制开关电路(8)增投一组电容器，高于切除门限则CPU (5)控制开关电路(8)切除一组电容器。
3、 根据权利要求1所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法，其特征在于CPU(5)根据测得的电容器组线电流值h、 ^、〗e，求出第一组各相电容器相电流值L^、〗m、》^的有效值，根据公 式C-I/ (2兀/U)可以求出第一组各相电容器的电容值CAB产IW (2h/Uab)、 CBc产Iec/ (2Jt/Ubc)、 CCm=ICa/ (2兀/Uca);根据公式Q=2 兀fCU 可求出额定电压时的电容器容量，如果电容器电容值或三相电 容差值或电容器容量超过允许值，则显示报警电路(7)进行报警， CPU (5)控制开关电路(8)，使该组电容器退出运行，如在允许值 内则不报警，电容器组正常运行；以后再投入新电容器组，求出各相的总电容值，各相总电容值减去前以投入运行的电容器组各相电容值 则等于新投入电容器组各相电容器的电容值。
4、 根据权利要求1所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容 器的方法，其特征在于CPU(5)根据测出的电容器的线电流值h、 ^和f/w、 ^c求出第一组电容器的有功损耗P「&MXh—^cX^，将 j/a、 f&的相位前移90°得j^'、 j^'，则第一组电容器的无功功率 Q产^/JXh—^^'X〗e，第一组电容器的介质损耗角正切值tgS1 = P"Q1;如果电容器介质损耗角正切值超过允许值，则显示报警电 路(7)报警，并退出该组电容器运行；如在允许值内则不报警,电容 器组正常运行；以后再投入新电容器组，求出总有功损耗和总无功功 率，由于电容器是并联的，总有功损耗减去以前投入运行的电容器组 有功损耗则等于新投入电容器组有功损耗；总无功功率减去以前投入 运行的电容器组无功功率则等于新投入电容器组无功功率，从而可求 出新投入电容器组的介质损耗角正切值，并与其允许值比较，判断是 否报警和退出运行。
5. 根据权利要求1所述的一种能在线检测与控制无功补偿电容 器的方法，其特征在于开始时投入第一组电容器，测得的电流即为第 一组电容器三相线电流，以后每投入一组都减去投入前的电流，得到 新投入电容器组的三相线电流，并判断三相线电流不平衡率是否超过 允许值，超过则报警和退出运行。
6. 一种能在线检测与控制无功补偿电容器的无功补偿控制器， 其特征在于包括顺次连接的外部电参量引入电路(l)、交流转换电路 (2)、采样保持电路(3)、多路开关(3a)、 A/D转换电路(4)、 CPU( 5)、 存储器(6)以及与CPU相连的显示报警电路(7)和开关电路(8)，外部电 参量引入电路(l )与母线及电容器组相连。
全文摘要
本发明公开了一种能在线检测与控制无功补偿电容器的方法及其无功补偿控制器，该方法通过顺次连接的外部电参量引入电路、交流转换电路、采样保持电路、多路开关、A/D转换电路、CPU、存储器，以及与CPU相连的显示报警电路和开关电路执行在线险测与控制无功补偿电容器，本发明能够在线检测电容器工作的状况及性能参数，当运行中电容器三相电容值及差值或介损损耗增加而不能正常工作的时候，能检测到是哪一组的电容器出现了问题，避免电容器长期带病运行，增强补偿效果。
文档编号G05F1/70GK101232188SQ200710026528
公开日2008年7月30日 申请日期2007年1月26日 优先权日2007年1月26日
发明者陈劲游 申请人:陈劲游