電子互感器的數據還原技術研究

張俊祥，劉立明，尹 明，張 普

（1.吉林省長春電力勘測設計院有限公司，吉林 長春 130062；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

專論

電子互感器的數據還原技術研究

張俊祥1，劉立明1，尹 明2，張 普2

（1.吉林省長春電力勘測設計院有限公司，吉林 長春 130062；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

基于羅氏線圈的電子式電流互感器與基于阻容分壓原理的電子式電壓互感器在智能變電站得到了廣泛應用，這兩種互感器都需要在外部做積分還原處理，才能獲得被測信號，因此又稱為外積分型互感器。積分形式有模擬積分與數字積分兩種，其中模擬積分暫態性能好，但由于電子元器件的影響，測量精度受溫度影響大；而數字積分不受溫度影響，但對故障的暫態波形還原效果差。通過雙積分采集回路處理和量程識別自動切換的方法，同時滿足了故障時暫態性能及正常負荷時測量精度要求，避免了模擬與數字方法各自的缺點，提高了電子互感器的準確性與可靠性。

外積分；數據還原；模擬積分；數字積分；暫態性能

電子式互感器中，電流測量多采用羅氏線圈原理，電壓測量多采用阻容分壓原理。基于羅氏線圈原理的電流互感器與基于阻容分壓原理的電壓互感器的原理如圖1所示。

對于基于羅氏線圈原理的電流互感器，當一次電流為交流時，一次電流在纏繞線圈的磁通會產生感應電動勢，其大小為

圖1 羅氏線圈與阻容分壓原理

測量電壓主要有電阻分壓與阻容分壓型，而阻容分壓型具有絕緣結構簡單、體積小以及暫態性能好的優點，因此得到更廣泛的應用。阻容分壓原理的電壓互感器模型如圖1所示，經過改進后，可得到輸出電壓正比于輸入電壓的變化率［1］。其傳遞函數為

由此可見，不論電子式電流互感器還是電壓互感器，其傳感頭輸出信號均為源信號的微分，需采用外積分電路，又稱為外積分工作狀態，必須用外積分電路對其進行積分還原。

在目前智能變電站尚未普及的情況下，有關電子式互感器在實際中的應用還受到一些質疑，特別是電子器件壽命、抗干擾等可靠性方面，使電子互感器尚未充分發揮抗飽和等性能優點。本文即以模擬積分與數字積分相結合的方法，對外積分型電子互感器做數據還原處理，提高測量的準確度以及保護動作的可靠性。

1 基于模擬積分的還原方法

對于基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器，以及基于阻容分壓原理的電子式電壓互感器，其外部積分環節可以處于高壓側，也可以處于低壓側。處于高壓側由于“等勢腔”的原理可以避免拉合隔離開關的影響，缺點是供電困難；處于低壓側容易解決供電問題，但易受外部電磁場變化的影響［2－5］。

1.1 模擬積分方法原理

理想積分器由于運算放大器非理想器件，存在偏置電壓，時間長會導致積分電容飽和，因此工程上應用積分器時，在積分電容上并聯1個電阻，用以給電容提供放電回路［6－8］。圖2是已成功應用于現場的模擬積分器模型。

圖2 工程用模擬積分模型

其頻響函數為

由式（2）可知，這實質是一階低通濾波器的“慣性環節”，近似地實現理想積分。

1.2 模擬積分的特點

1.2.1 暫態性能好

目前采用的模擬積分雖然都為慣性環節，即在理想積分的電容兩端并聯反饋電阻，用以消除理想積分的不收斂特性，但其無論對一次故障衰減常數的恢復，還是對不同故障起始角的故障波形恢復，都可以滿足保護的需要。模擬積分相對數字積分，其對一次故障的還原效果較好。

1.2.2 準確度受溫度影響大

外積分型電子互感器目前多采用模擬積分回路做數據還原。模擬積分器處于戶外安裝，環境溫度一般在－40～70℃，在實際工程中，Rf一般取10 MΩ以上電阻，由式（3）可知，較大的環境溫度變化引起電阻Rf及積分電容C的泄漏電流較大變化，從而導致模擬積分器的幅頻特性和相頻特性發生變化，最終使電子互感器的比差、相差精度變差。

由圖3可知，模擬積分器的比差、相差在整個工作溫度范圍發生較大變化，甚至有的樣本準確度超過規定范圍；并且樣本之間無明顯規律，也并非固定的線性變化。

圖3 模擬積分樣本誤差隨溫度的變化關系

2 基于數字積分的還原方法

本文所述數字積分方法是將模擬積分的傳遞函數，離散化后以數值形式通過算法實現。至于通過理想積分模型導出的數字積分方法，傳遞函數存在不收斂、發散的缺點，不在本文討論范圍內。

因為去掉了模擬積分部分，故消除了溫度變化導致的運放漂移，以及積分電容的泄漏電流影響。隨著電子互感器的普及應用，數字積分的研究得到愈來愈多的關注。

2.1 數字積分方法原理

數字積分與模擬積分是一種轉換的兩種表達方式，數字積分源自模擬積分，是模擬積分的數字化表示［9］。

將其代入到H（s）中有：

其中：

2.2 數字積分的特點

2.2.1 數字積分不受溫度影響

由于數字積分環節除了AD必須的低通濾波外，沒有其他的模擬器件。積分算法不受溫度影響，故可以在全溫度范圍保持較高的采樣精度。

2.2.2 數字積分采樣點數對暫態影響

當電力系統發生故障或負荷突變等暫態過程時，一次電流頻率發生劇變。對傳統電磁式電流互感器只需考慮電流過載倍數，而對羅氏線圈和數字積分而言，不僅要考慮過載，還要考慮采樣間隔的影響。

在電力系統負荷突變或發生故障時，一次電流很可能發生相位突變，那么經過羅氏線圈微分后，會形成一個尖峰，該處頻率往往高達幾千Hz；如果采樣點數低的話，算法的帶寬能力達不到被分析信號的帶寬，也就無法準確還原一次電流。

根據數字信號原理，模擬信號頻率與數字頻率之間有如下關系：

式中：w為數字頻率；f為被分析信號的模擬頻率。

3 模擬積分與數字積分結合的數據還原方法

3.1 雙積分回路設計

模擬積分與數字積分相結合的雙采集回路設計，是在模擬積分的基礎上另加1路電子互感器輸出的采樣，經過儀表運放及低通濾波后進入CPU做數字積分算法，得到還原的一次電流值。儀表運放特點是高共模抑制比、高輸入阻抗、低線性誤差及低失調電壓漂移等優點。

圖4中R1、R2為匹配電阻，用于匹配無源的電子互感器傳感頭輸出阻抗。且R2為分壓電阻，保證50In過載時模擬積分器正常工作。

該路信號的特點為受溫度影響較小，但暫態性能不好，可做正常負荷時的模擬積分采樣值參考。

圖4 采集回路設計原理圖

3.2 量程自動識別的的數據還原方法

以模擬積分器為主工作回路，以數字積分回路為間斷式工作回路。

從波形系數方程計算的數值可判斷差動元件中各相差流非工頻量含量的大小，如非工頻量數值超出系統本身含有量則可判斷是互感器異常所導致，選取設定的閥值門檻立即閉鎖差動保護。邏輯框圖如圖5所示。

圖5 模擬積分的修正方法

圖5中CIi為數字積分得到的還原電流瞬時值。I1為模擬積分環節1得到的還原電流有效值；I2為模擬積分環節2得到的還原電流有效值。

修正模擬積分環節的限定條件為：在I1／CI及I2／CI在一定范圍內，一般取K1為0.8；取K2為1.2。在此范圍內，需要對模擬積分的結果進行修正。并且在CIi的瞬時值超過0.8In時，意味著可能一次電流發生故障，此時立即閉鎖修正邏輯，由模擬積分原始采樣輸出。

以模擬積分環節1為例，令Iv為模擬積分被修正后的采樣點，Ii為模擬積分環節1的原始采樣點。則：

充分利用數字積分不受溫度影響的特點，實現了對模擬積分環節采樣點的修正，同時，在一次電流故障時退出修正邏輯，避免了數字積分暫態特性不好的缺點。

4 模擬積分與數字積分相結合的數據還原方法性能試驗

4.1 暫態性能試驗

以一次智能變電站現場電子互感器異常時保護裝置錄取的數據波形說明本文算法實現過程。具體如圖6所示，在智能變電站運行過程中發生了B相電流突然增大，最終導致差動保護誤動作造成停電事故。

圖6是根據量程自動識別數據還原方法采集的故障波形。由圖6可見，在正常負荷時，采用數字積分，還原波形與原始波形角度與幅值均相符；在故障時，算法切換為模擬積分，在角度與幅值方面都還原了真實波形。

圖6 量程自動識別方法采集的故障波形

4.2 溫度特性試驗

對模擬積分與數字積分相結合的雙積分冗余采集回路，在－40～70℃全溫度范圍做了精度測量試驗。試驗結果如圖7所示。

圖7 雙積分冗余回路的樣本誤差隨溫度的變化關系

由圖7可知，相對于單純模擬積分回路，雙積分冗余采集回路的采集精度較高，在全溫度范圍內達到0.2級的精度。原因在于該采集回路以穩定低漂移的數字積分回路做基準，對模擬積分回路做動態補償，消除了模擬積分回路中反饋電阻及積分電容受溫度影響大的缺點。

5 結論

電子互感器相對于傳統互感器，具有不含鐵芯、無磁飽和、頻帶寬、動態測量范圍大等優點。隨著智能變電站的逐漸推廣，電子互感器的應用越來越廣泛。但是，其技術成熟度及可靠性還有待提高。模擬積分器是電子互感器采集系統中的一個重要器件，其相頻特性和幅頻特性易受溫度影響，從而影響電子互感器輸出信號的角差、比差精度［10－11］。

經本文分析，工程中使用的模擬積分與數字積分模型，均為積分電容并聯電阻的近似理想積分，而數字積分算法與采樣點數有關，通常所用的每周波80點不足以準確還原一次故障電流。但數字積分在正常負荷時在全溫度范圍內具有較高的準確度。因此，本文結合模擬積分與數字積分各自的優點，設計了雙積分冗余回路，并以模擬積分器為主要工作回路，數字積分器為間斷工作回路，通過量程識別自動切換的方法，同時滿足了故障時暫態性能及正常負荷時測量精度要求。

暫態特性及溫度特性試驗結果證實，該方法可在一次電流故障時正確還原一次故障電流，在正常負荷時全溫度范圍保持較高精度。

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Study on Data Reconstruction Technology for Electronic Transformer

ZHANG Junxiang1，LIU Liming1，YIN Ming2，ZHANG Pu2
（1.Changchun Electric Power Survey＆Design Institute，Changchun，Jilin 130062，China；2.XJ Group Corporation，Xuchang，Henan 461000，China）

Electronic voltage transformer，weather based on Rogowski coil or resistive?capacitive divider，has been extensively accepted and applied in smart substation.However，in order to obtain measured signal，its output must be integral before used，so is also known as integral type transformer.Integrator can be divided into analog and digital.Due to the effect of temperature on the compo?nents，Analog integrator has an excellent transient performance.Digital integrator unaffected by temperature，but the reduction of tran?sient waveform fault of poor results.By double integral collection processing，with the method of a range to identify automatically switc?hing method.To avoid the disadvantages of analog and digital methods，accuracy requirements and the fault transient performance re?duction are satisfied，accuracy and reliability of electronic transformer are improved.

external integral；data reconstruction；analog integrator；digital integrator；transient performances

TM45

A

1004－7913（2016）10－0001－04

張俊祥（1963），男，學士，從事智能變電站設計研究管理工作。

2016－07－22）