本發(fā)明涉及電能質(zhì)量檢測管理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)化的發(fā)展，電能質(zhì)量問題越來越受人們關(guān)注。近20年來，使用晶閘管控制電抗器與固定電容器(fc)或機械投切電容器(msc)混合使用的無功補償裝置是常用低成本的一種無功補償裝置。

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是電流通過某些絕緣介質(zhì)所產(chǎn)生的瞬間火花。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，生活用電量增加迅速，配電系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。由于配電線路空間有限，配電箱中許多導(dǎo)線捆綁一起，當(dāng)用電處于過負(fù)荷狀態(tài)時會使得電纜絕緣受到損害，進(jìn)而產(chǎn)生故障電弧引發(fā)電氣火災(zāi)。另外，當(dāng)線路與線路之間接觸不良或環(huán)境因數(shù)的影響，出現(xiàn)用電通斷情況時，連接點處會產(chǎn)生故障電弧進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。由于故障電弧的電壓有效值與非故障時電壓有效值接近，當(dāng)發(fā)生故障電弧時，保護(hù)裝置將很難發(fā)現(xiàn)。

然而，由于無功補償裝置的安裝，電流中的高頻諧波分量有可能被濾除導(dǎo)致原有故障電弧檢測設(shè)備無法正常檢測到故障電弧，影響故障電弧檢測設(shè)備的正常工作。

同時，電容、電感、晶閘管等非線性負(fù)載的使用，會引起電路中的電流諧波，也會使常規(guī)的故障電弧檢測方法出現(xiàn)漏判、誤判。而如果利用諧波含有率的變化率可以排除非線性負(fù)載的干擾，用這種方法，重點比較其變化率，若是電路中接入非線性負(fù)載，引發(fā)諧波含有率增加超限，但其變化率不會超限。只有發(fā)生故障電弧時，諧波含有率會劇烈變化，相鄰兩周期間諧波含有率的變化率會超限，從而判定為故障電弧。目前，還沒有這種利用諧波含有率的變化率對故障電弧進(jìn)行判定的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所述問題，本發(fā)明提供一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置及方法，所述裝置將故障電弧的電流檢測與無功補償?shù)碾娏鳈z測部分進(jìn)行共享，采用同一檢測信號，使用共同的主控制單元同時進(jìn)行故障電弧分析和功率因數(shù)計算，使裝置能夠在故障電弧特征電流被補償?shù)羟氨徊蓸映鰜恚ＷC故障電弧的準(zhǔn)確檢測。其中的故障電弧檢測方法利用電流差異參數(shù)的判定結(jié)果作為前提，采用諧波含有率變化率對故障電弧進(jìn)行判斷，可以有效排除非線性負(fù)載的干擾，同時采用四種判斷手段進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確檢測出故障電弧。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置，包括電壓傳感器、電流傳感器、采樣電路、信號處理電路、主控mcu、電弧故障報警電路、開關(guān)量隔離輸出電路、晶閘管驅(qū)動電路和電容投切補償主電路。

所述的主控mcu通過信號處理電路和采樣電路連接電壓傳感器和電流傳感器，主控mcu將同一電壓和電流采樣信號分別經(jīng)過故障電弧分析和功率因數(shù)計算后，分別進(jìn)行故障電弧報警輸出和電容投切輸出；使裝置能夠在故障電弧特征電流被補償?shù)羟氨徊蓸映鰜?，保證故障電弧的準(zhǔn)確檢測。

所述的主控mcu在輸出故障電弧報警的同時還通過開關(guān)量隔離輸出電路控制電源斷路器的斷開，故障時切斷電源。

所述的電容投切補償主回路包括連接于三相電源上的多組由晶閘管開關(guān)控制的電容器，所述的主控mcu通過晶閘管驅(qū)動電路控制晶閘管開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而通過晶閘管開關(guān)控制主回路中電容器的投切。

一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、系統(tǒng)初始化，裝置上電；

步驟二、采集系統(tǒng)三相電壓和三相電流，并將信號送至信號調(diào)制處理電路；

步驟三、信號調(diào)制處理電路分別對電壓和電流信號進(jìn)行調(diào)制處理，并將調(diào)制過后的信號送至主控mcu單元；

步驟四、主控mcu單元由采樣電流、電壓參數(shù)計算出系統(tǒng)的功率因數(shù)值；同時，對電流信號處理，提取電弧電流特征值；

步驟五、主控mcu單元根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行判斷，根據(jù)用戶設(shè)定的功率因數(shù)范圍進(jìn)行電容投切控制，若功率因數(shù)大于設(shè)定范圍則切除電容器，若功率因數(shù)位于功率因數(shù)設(shè)置范圍內(nèi)則不動作，若功率因數(shù)小于設(shè)定范圍則準(zhǔn)備進(jìn)行電容器投入；

在電容器準(zhǔn)備投入時，需要在交流電源的電壓波形周期內(nèi)，進(jìn)行系統(tǒng)電壓與電容器殘壓的判斷，尋找二者相等的交流電源電壓周期時刻投入電容器；

同時，主控mcu單元根據(jù)經(jīng)過邏輯計算，對提取電弧電流特征值進(jìn)行分析判斷，如符合故障電弧信號，則向故障電弧預(yù)警模塊發(fā)出指令，并通過輸出信號切斷電源斷路器，切斷故障電??；如不符合則不發(fā)出指令，并返回步驟二；

步驟六、驅(qū)動電路由步驟五接收到主控mcu單元的投切指令，向晶閘管發(fā)出投切指令，同時向主控mcu單元反饋電容器的投入狀態(tài)。

一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置中的故障電弧檢測方法，采用四種條件共同判斷，并且其中一種判定條件利用電流差異參數(shù)的判定結(jié)果作為前提，采用諧波含有率變化率對故障電弧進(jìn)行判斷，能夠在復(fù)雜情況下有效檢測出故障電弧，包括如下步驟：

步驟1：持續(xù)對電流進(jìn)行采樣(根據(jù)實際硬件情況，每周期采64或128個點)；

步驟2：電流的采樣值為128點每周期或64點每周期。以64點為例，將電流采樣值記為i0、i1、……、i63，正常周期電流記為in0、in1、……、in63(采樣值和正常值均為標(biāo)幺值)。計算當(dāng)前的采樣周期電流與正常周期電流的差異參數(shù)：

將iper與閾值s1比較，若iper≤s1，則將采樣電流值幅給正常周期電流值，更新正常周期電流值；若iper＞s1，則進(jìn)行進(jìn)一步的分析計算來判斷是否由故障電弧發(fā)生；

步驟3：計算電流的平均值：

用電流的平均值來判斷電流的正負(fù)半周是否對稱。若iave大于給定閾值s2，則認(rèn)為波形對稱性不滿足要求，為波形對稱指示參數(shù)m1賦值1，否則為m1賦值0；

步驟4：計算采樣電流相鄰兩個采樣值的差值：

δik＝ik+1-ik(k＝0,1,2……62)(3)

用該差值的最大值kv＝max[δi0，δi1，...，δi62]來表示電流的最大變化率。若kv大于閾值s3，則認(rèn)為電流變化率過大，為電流變化率參數(shù)m2賦值1，否則m2賦值為零；

步驟5：計算電流的波型參數(shù)：

其中，α根據(jù)實際電流進(jìn)行設(shè)置，一般取正常電流峰值。用電流的波型參數(shù)可以表示出電流是否含有平肩部。若kp大于閾值s4，則認(rèn)為電流含有平肩部，為平肩部指示參數(shù)m3賦值1，否則m3賦值為零；

步驟6：用fft檢測采樣電流諧波，計算采樣電流高次諧波(此處計算第3、5、7、9次諧波)含有率變化率δpn，若δpn大于閾值s4，則認(rèn)為采樣電流諧波含量不正常，為諧波指示參數(shù)m4賦值為1，否則賦值為0；

步驟7：計算上述步驟3～步驟6中四個指示參數(shù)的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障電弧周波數(shù)指示參數(shù)sum＝sum+1，若sum>＝6，則觸發(fā)報警信號；若sum<6，則返回步驟2繼續(xù)判別；若m<2,則認(rèn)為沒有故障電弧發(fā)生，為sum賦值0，并將正常電流更新為此時的采樣電流。

步驟6的具體步驟如下：

步驟601.計算出采樣周期奇次諧波含有率變化率δpn和設(shè)定閾值δpth比較；諧波含有率定義為其中i1為基波電流，ih為第h次諧波電流的均方根值，xh1為第h次諧波電流采樣值，m為采樣點數(shù)，本例中取3、5、7、9次諧波，計算奇次諧波含有率為

步驟602.以步驟2判斷出的第1個正常工頻采樣周期電流奇次諧波含有率p為基礎(chǔ)值，計算相鄰兩個工頻采樣周期電流奇次諧波含有率變化率δpn，δpn＝pn-p，兩次采樣周期之間電流奇次諧波含有率之差為采樣周期奇次諧波含有率變化率δpn。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置，將故障電弧的電流檢測與無功補償?shù)碾娏鳈z測部分進(jìn)行共享，采用同一檢測信號，使裝置能夠在故障電弧特征電流被濾掉前被采樣出來，保證故障電弧的準(zhǔn)確檢測。

2、本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置及其控制方法，利用同一主控mcu對同一電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計算故障電弧特征值和功率因數(shù)，分別對故障電弧報警電路和無功補償?shù)木чl管驅(qū)動電路進(jìn)行控制，完美的實現(xiàn)了用單個設(shè)備實現(xiàn)兩種功能的同時兼顧使用，有效解決由于無功補償裝置的使用而造成故障電弧被漏判、誤判的問題。

3、本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的故障電弧檢測方法，利用電流差異參數(shù)的判定結(jié)果作為前提，采用諧波含有率變化率對故障電弧進(jìn)行判斷，可以有效排除非線性負(fù)載的干擾，同時采用四種判斷手段進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確檢測出故障電弧。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的主控mcu控制結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的電容投切主回路結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置中的故障電弧檢測方法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的具體實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置，包括電壓傳感器、電流傳感器、采樣電路、信號處理電路、主控mcu、電弧故障報警電路、開關(guān)量隔離輸出電路、晶閘管驅(qū)動電路和電容投切補償主電路。

如圖2所示，所述的主控mcu通過信號處理電路和采樣電路連接電壓傳感器和電流傳感器，主控mcu將同一電壓和電流采樣信號分別經(jīng)過故障電弧分析和功率因數(shù)計算后，分別進(jìn)行故障電弧報警輸出和電容投切輸出；使裝置能夠在故障電弧特征電流被補償?shù)羟氨徊蓸映鰜恚ＷC故障電弧的準(zhǔn)確檢測。

所述的主控mcu在輸出故障電弧報警的同時還通過開關(guān)量隔離輸出電路控制電源斷路器的斷開，故障時切斷電源。

如圖3所示，所述的電容投切補償主回路包括連接于三相電源上的多組由晶閘管開關(guān)控制的電容器，所述的主控mcu通過晶閘管驅(qū)動電路控制晶閘管開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而通過晶閘管開關(guān)控制主回路中電容器的投切。

一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、系統(tǒng)初始化，裝置上電；

步驟二、采集系統(tǒng)三相電壓和三相電流，并將信號送至信號調(diào)制處理電路；

步驟三、信號調(diào)制處理電路分別對電壓和電流信號進(jìn)行調(diào)制處理，并將調(diào)制過后的信號送至主控mcu單元；

步驟四、主控mcu單元由采樣電流、電壓參數(shù)計算出系統(tǒng)的功率因數(shù)值；同時，對電流信號處理，提取電弧電流特征值；

步驟五、主控mcu單元根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行判斷，根據(jù)用戶設(shè)定的功率因數(shù)范圍(例如0.9-0.99)進(jìn)行電容投切控制，若功率因數(shù)大于設(shè)定范圍(例如大于0.99)則切除電容器，若功率因數(shù)位于功率因數(shù)設(shè)置范圍內(nèi)則不動作，若功率因數(shù)小于設(shè)定范圍(例如小于0.9)則準(zhǔn)備進(jìn)行電容器投入；

在電容器準(zhǔn)備投入時，需要在交流電源的電壓波形周期內(nèi)，進(jìn)行系統(tǒng)電壓與電容器殘壓的判斷，尋找二者相等的交流電源電壓周期時刻投入電容器；

同時，主控mcu單元根據(jù)經(jīng)過邏輯計算，對提取電弧電流特征值進(jìn)行分析判斷，如符合故障電弧信號，則向故障電弧預(yù)警模塊發(fā)出指令，并通過輸出信號切斷電源斷路器，切斷故障電??；如不符合則不發(fā)出指令，并返回步驟二；

步驟六、驅(qū)動電路由步驟五接收到主控mcu單元的投切指令，向晶閘管發(fā)出投切指令，同時向主控mcu單元反饋電容器的投入狀態(tài)。

如圖4所示，一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置中的故障電弧檢測方法，采用四種條件共同判斷，并且其中一種判定條件利用電流差異參數(shù)的判定結(jié)果作為前提，采用諧波含有率變化率對故障電弧進(jìn)行判斷，能夠在復(fù)雜情況下有效檢測出故障電弧，包括如下步驟：

步驟1：持續(xù)對電流進(jìn)行采樣(根據(jù)實際硬件情況，每周期采64或128個點)；

步驟2：電流的采樣值為128點每周期或64點每周期。以64點為例，將電流采樣值記為i0、i1、……、i63，正常周期電流記為in0、in1、……、in63(采樣值和正常值均為標(biāo)幺值)。計算當(dāng)前的采樣周期電流與正常周期電流的差異參數(shù)：

將iper與閾值s1比較，若iper≤s1，則將采樣電流值幅給正常周期電流值，更新正常周期電流值；若iper＞s1，則進(jìn)行進(jìn)一步的分析計算來判斷是否由故障電弧發(fā)生；

步驟3：計算電流的平均值：

用電流的平均值來判斷電流的正負(fù)半周是否對稱。若iave大于給定閾值s2，則認(rèn)為波形對稱性不滿足要求，為波形對稱指示參數(shù)m1賦值1，否則為m1賦值0；

步驟4：計算采樣電流相鄰兩個采樣值的差值：

δik＝ik+1-ik(k＝0,1,2……62)(3)

用該差值的最大值kv＝max[δi0，δi1，...，δi62]來表示電流的最大變化率。若kv大于閾值s3，則認(rèn)為電流變化率過大，為電流變化率參數(shù)m2賦值1，否則m2賦值為零；

步驟5：計算電流的波型參數(shù)：

其中，α根據(jù)實際電流進(jìn)行設(shè)置，一般取正常電流峰值。用電流的波型參數(shù)可以表示出電流是否含有平肩部。若kp大于閾值s4，則認(rèn)為電流含有平肩部，為平肩部指示參數(shù)m3賦值1，否則m3賦值為零；

步驟6：用fft檢測采樣電流諧波，計算采樣電流高次諧波(此處計算第3、5、7、9次諧波)含有率變化率δpn，若δpn大于閾值s4，則認(rèn)為采樣電流諧波含量不正常，為諧波指示參數(shù)m4賦值為1，否則賦值為0；

步驟7：計算上述步驟3～步驟6中四個指示參數(shù)的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障電弧周波數(shù)指示參數(shù)sum＝sum+1，若sum>＝6，則觸發(fā)報警信號；若sum<6，則返回步驟2繼續(xù)判別；若m<2,則認(rèn)為沒有故障電弧發(fā)生，為sum賦值0，并將正常電流更新為此時的采樣電流。

步驟6的具體步驟如下：

步驟601.計算出采樣周期奇次諧波含有率變化率δpn和設(shè)定閾值δpth比較；諧波含有率定義為其中i1為基波電流，ih為第h次諧波電流的均方根值，xh1為第h次諧波電流采樣值，m為采樣點數(shù)，本例中取3、5、7、9次諧波，計算奇次諧波含有率為

步驟602.以步驟2判斷出的第1個正常工頻采樣周期電流奇次諧波含有率p為基礎(chǔ)值，計算相鄰兩個工頻采樣周期電流奇次諧波含有率變化率δpn，δpn＝pn-p，兩次采樣周期之間電流奇次諧波含有率之差為采樣周期奇次諧波含有率變化率δpn。

本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置，將故障電弧的電流檢測與無功補償?shù)碾娏鳈z測部分進(jìn)行共享，采用同一檢測信號，使裝置能夠在故障電弧特征電流被濾掉前被采樣出來，保證故障電弧的準(zhǔn)確檢測。

本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置及其控制方法，利用同一主控mcu對同一電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計算故障電弧特征值和功率因數(shù)含量，分別對故障電弧報警電路和濾波的晶閘管驅(qū)動電路進(jìn)行控制，完美的實現(xiàn)了用單個設(shè)備實現(xiàn)兩種功能的同時兼顧使用，有效解決由于無功補償裝置的使用而造成故障電弧被漏判、誤判的問題。

本發(fā)明的一種具有故障電弧檢測功能的無功補償裝置的故障電弧檢測方法，利用電流差異參數(shù)的判定結(jié)果作為前提，采用諧波含有率變化率對故障電弧進(jìn)行判斷，可以有效排除非線性負(fù)載的干擾，同時采用四種判斷手段進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確檢測出故障電弧。

以上實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述的實施例。上述實施例中所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法。