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费晓峰
（日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡 214112）
在电力行业向自动化、智能化发展的过程中，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334 kvar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。
该系统硬件部分的设计思路为：将监测范围内的每一台电容器并联电流传感器，从而实现对电容器运行状态下电流信息的实时采集；
同时，使用无线传输模块将电流信号传输至中心站控制端，利用计算机对采集到的前端电流信息进行处理、计算，得出电流有效值，这样就实现了对并联电容器运行工况的动态监测，系统组成如图1所示。
图1 智能监测硬件系统的结构组成
选择不同型号、使用不同安装方式的电容器，其允许的电流范围也表现出明显差异。这里以某变电站使用的35 kV“12并4串”电容器组为例，采用星形连接方式，在正常工况下允许的电流阈值为30～60 A。根据设备管理要求，用于采集并联电容器电流信号的传感器，精度必须小于3%，再加上并联电容器组中电容器的布置密度较大，因此对智能监测硬件系统中电流信号采集模块的综合性能提出了较为严格的要求。在电流信号采集模块设计中，电流传感器的科学选型至关重要。
2.1 电流互感器型传感器
此类型的电流传感器采用环形结构，主边匝数较少，通常为一匝或几匝；
副边匝数较多，可以达到几百甚至上千匝。使用该传感器监测电容器电流时，只需要将电容器的引出导线穿过环形结构即可。为了提高电流监测的精度，传感器的磁芯材料应选择具有高磁导率的坡莫合金，理论上来说磁导率需要达到105级别。这样测得的谐波电流数值较小，精度也会有明显提升。另外，还可以采取增大铁芯界面的方式控制测量误差。如果需要测量脉冲电流，需要将传感器的铁芯材料替换为铁氧体，测量频带范围可以升高至600 kHz～1 MHz。电流传感器的结构组成如图2所示。
图2 电流传感器结构原理图
结合图2，电流信号I1与次级线圈上的感应电压E2之间存在以下关系
式中：N2表示副边线圈匝数；
S表示线圈横截面积；
l表示磁路长度；
μ表示磁通量。由式（1）可得，如果待测电流升高，则电压输出信号也会相应增加，两者之间为正相关。这样就可以根据输出电压信号的变化，实现对并联电容器电流信号的实时监测。
2.2 磁敏型传感器
此类型的传感器是基于半导体的磁敏特性，测量磁感应强度，然后求得被监测电容器的电流值。该设备的核心部件是霍尔元件，当霍尔元件周边有一定强度的磁场时，使用导线连接霍尔元件的左侧，并通入电流Is，此时在右侧会产生霍尔电势UH。根据UH的变化，也能够反推出并联电容器的电流。基于霍尔电流的传感器运行原理如图3所示。
图3 补偿式霍尔电流传感器原理图
假设并联电容器在正常运行情况下内部电流（即待测电流）为I1，将其置于环形铁芯中，利用铁芯产生的环形闭合磁场提高电流监测的灵敏度。在I1产生的磁场影响下，霍尔元件输出电压信号经过A进行放大，然后进入补偿线圈。在电磁感应作用下，补偿线圈同时产生磁场，并且该磁场的方向与电流产生磁场的方向完全相反。如果此时存在“I1N1=I2N2”，则磁芯中磁通量等于0，则待测电流I1的表示式为
式中：N1和N2分别表示初级绕组与补偿绕组的匝数；
I2表示补偿绕组中的电流。从实际应用效果来看，霍尔电流传感器具有响应时间短、监测范围广和适用性好等一系列优点。例如，其铁芯体积较小，既能做贯穿式结构，也可以做成钳式结构；
可监测的电流最高能达到500 A。当然，霍尔电流传感器也有自身的缺陷，例如监测精度易受外界环境温度的影响。因此在并联电容器的智能检测中，需要将霍尔电流传感器与相连电路制作成集成板，从而提高其抗干扰能力。
“12并4串”电容器组采用上下层结构，每1串即为1层，每个串段共有12个电容器并联。4个串段的电位不同，因此在实际监测时需要为每1台电容器分别配备1台电流传感器，以便于精准获取监测范围内任意一台电容器的电流。为了实现对电容器运行工况的全程监测，要求对电容器的电流波形进行连续采集，然后利用无线通信系统将采集到的信息发送给中心站，由中心站计算机计算电流有效值，进而掌握电容器的实时工况。需要注意的是，由于并联电容器数量较多，为提高采集数据的精确性，要求各个通道必须同步采集数据，尽可能地减小采样时间差，这也是提高监测结果可靠性的一种有效举措。本系统功能的顺利实现，主要依赖于3个核心部分，即数据采集模块、中心站处理模块和无线传输网络。
3.1 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（如电流信号、电容信号等），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。其中，无线传送模块的结构组成和运行原理如图4所示。
图4 无线采集发送模块原理图
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12.8 kHz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±15 V。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2 W，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。
3.2 中心站处理模块
该模块主要负责处理前端传送的数据，其核心组成有计算机、通信模块和控制设备等。计算机除了完成采集数据的处理外，还会根据数据计算结果和控制程序，自动生成或者由用户自定义控制指令，并利用中心通信模块将该指令下达至前端的控制单元。控制设备根据指令完成相应的动作，从而实现智能监测系统的闭环运行。另外，考虑到监测范围内并联电容器的数量较多，并且与中心站计算机之间的距离较远，为保证通信效率和提高响应速度，在通信模式上可以选择RS-232接口，连接串口服务器，可以有效避免多台电容器的监测传感器同步反馈信息时出现信道堵塞的问题。
3.3 无线传输模块
本系统的无线传输模块具备2项基本功能，即下达中心计算机发布的调控指令，以及上传前端采集到的数据。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好的时间点同步发送至中心站计算机。
在“12并4串”的电容器组中，由于电流传感器、数据采集模块在运行中产生的功耗较高，为保证其可靠运行需要安装在高电位。同时，为了避免串扰情况，还必须在相邻的2台电容器之间采取绝缘保护措施。在设计智能监控系统的功能单元时，可供选择的供能方式有3种，分别是一次侧的大电流供能、激光供能和太阳能与蓄电池联合供能。对比这3种供能方式，激光供能本身成本偏高，加上并联电容器数量较多，将会大幅度增加系统运行成本，因此不宜选择；
太阳能与蓄电池联合供能的成本较低，但是受到天气的影响较大，并且在没有稳流器的情况下，电压波动明显，也难以保证系统运行的可靠性。因此，综合对比来看，本系统的供能单元选择基于电磁耦合的方式，利用一次侧大电流供能。
另外，考虑到现场电容器组的布置较为紧密，因此用于监测的电流传感器和功能线圈也需要优化设计，以满足现场安装需要。为了节约空间，本文采取了电流传感器与供能线圈的一体化设计，将电流传感器与功能线圈的一体化装置安装在电容器套管的底部，通过现场测量和验算，该一体化装置安装后爬电距离为40 m，按比距为2.5 cm/kV来计算，能够达到Ⅲ级污秽要求。
并联补偿电容器作为现代电力系统中常见的一种器件，在减损升压、保障正常供电等方面发挥了重要作用。但是由于运行环境比较恶劣，加上投入运行年限的增加，并联电容器及其连接线路不可避免地会出现材料老化、绝缘失效等一系列问题。而传统的检修模式侧重于事故后的处理，经常会出现设备停运、电力中断的情况，带来严重的经济损失。在建设“智能电网”的背景下，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乃至整个电力系统的运行安全。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。
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