电子互感器的数据还原技术研究

张俊祥，刘立明，尹 明，张 普

（1.吉林省长春电力勘测设计院有限公司，吉林 长春 130062；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

专论

电子互感器的数据还原技术研究

张俊祥1，刘立明1，尹 明2，张 普2

（1.吉林省长春电力勘测设计院有限公司，吉林 长春 130062；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

基于罗氏线圈的电子式电流互感器与基于阻容分压原理的电子式电压互感器在智能变电站得到了广泛应用，这两种互感器都需要在外部做积分还原处理，才能获得被测信号，因此又称为外积分型互感器。积分形式有模拟积分与数字积分两种，其中模拟积分暂态性能好，但由于电子元器件的影响，测量精度受温度影响大；而数字积分不受温度影响，但对故障的暂态波形还原效果差。通过双积分采集回路处理和量程识别自动切换的方法，同时满足了故障时暂态性能及正常负荷时测量精度要求，避免了模拟与数字方法各自的缺点，提高了电子互感器的准确性与可靠性。

外积分；数据还原；模拟积分；数字积分；暂态性能

电子式互感器中，电流测量多采用罗氏线圈原理，电压测量多采用阻容分压原理。基于罗氏线圈原理的电流互感器与基于阻容分压原理的电压互感器的原理如图1所示。

对于基于罗氏线圈原理的电流互感器，当一次电流为交流时，一次电流在缠绕线圈的磁通会产生感应电动势，其大小为

图1 罗氏线圈与阻容分压原理

测量电压主要有电阻分压与阻容分压型，而阻容分压型具有绝缘结构简单、体积小以及暂态性能好的优点，因此得到更广泛的应用。阻容分压原理的电压互感器模型如图1所示，经过改进后，可得到输出电压正比于输入电压的变化率［1］。其传递函数为

由此可见，不论电子式电流互感器还是电压互感器，其传感头输出信号均为源信号的微分，需采用外积分电路，又称为外积分工作状态，必须用外积分电路对其进行积分还原。

在目前智能变电站尚未普及的情况下，有关电子式互感器在实际中的应用还受到一些质疑，特别是电子器件寿命、抗干扰等可靠性方面，使电子互感器尚未充分发挥抗饱和等性能优点。本文即以模拟积分与数字积分相结合的方法，对外积分型电子互感器做数据还原处理，提高测量的准确度以及保护动作的可靠性。

1 基于模拟积分的还原方法

对于基于罗氏线圈原理的电子式电流互感器，以及基于阻容分压原理的电子式电压互感器，其外部积分环节可以处于高压侧，也可以处于低压侧。处于高压侧由于“等势腔”的原理可以避免拉合隔离开关的影响，缺点是供电困难；处于低压侧容易解决供电问题，但易受外部电磁场变化的影响［2－5］。

1.1 模拟积分方法原理

理想积分器由于运算放大器非理想器件，存在偏置电压，时间长会导致积分电容饱和，因此工程上应用积分器时，在积分电容上并联1个电阻，用以给电容提供放电回路［6－8］。图2是已成功应用于现场的模拟积分器模型。

图2 工程用模拟积分模型

其频响函数为

由式（2）可知，这实质是一阶低通滤波器的“惯性环节”，近似地实现理想积分。

1.2 模拟积分的特点

1.2.1 暂态性能好

目前采用的模拟积分虽然都为惯性环节，即在理想积分的电容两端并联反馈电阻，用以消除理想积分的不收敛特性，但其无论对一次故障衰减常数的恢复，还是对不同故障起始角的故障波形恢复，都可以满足保护的需要。模拟积分相对数字积分，其对一次故障的还原效果较好。

1.2.2 准确度受温度影响大

外积分型电子互感器目前多采用模拟积分回路做数据还原。模拟积分器处于户外安装，环境温度一般在－40～70℃，在实际工程中，Rf一般取10 MΩ以上电阻，由式（3）可知，较大的环境温度变化引起电阻Rf及积分电容C的泄漏电流较大变化，从而导致模拟积分器的幅频特性和相频特性发生变化，最终使电子互感器的比差、相差精度变差。

由图3可知，模拟积分器的比差、相差在整个工作温度范围发生较大变化，甚至有的样本准确度超过规定范围；并且样本之间无明显规律，也并非固定的线性变化。

图3 模拟积分样本误差随温度的变化关系

2 基于数字积分的还原方法

本文所述数字积分方法是将模拟积分的传递函数，离散化后以数值形式通过算法实现。至于通过理想积分模型导出的数字积分方法，传递函数存在不收敛、发散的缺点，不在本文讨论范围内。

因为去掉了模拟积分部分，故消除了温度变化导致的运放漂移，以及积分电容的泄漏电流影响。随着电子互感器的普及应用，数字积分的研究得到愈来愈多的关注。

2.1 数字积分方法原理

数字积分与模拟积分是一种转换的两种表达方式，数字积分源自模拟积分，是模拟积分的数字化表示［9］。

将其代入到H（s）中有：

其中：

2.2 数字积分的特点

2.2.1 数字积分不受温度影响

由于数字积分环节除了AD必须的低通滤波外，没有其他的模拟器件。积分算法不受温度影响，故可以在全温度范围保持较高的采样精度。

2.2.2 数字积分采样点数对暂态影响

当电力系统发生故障或负荷突变等暂态过程时，一次电流频率发生剧变。对传统电磁式电流互感器只需考虑电流过载倍数，而对罗氏线圈和数字积分而言，不仅要考虑过载，还要考虑采样间隔的影响。

在电力系统负荷突变或发生故障时，一次电流很可能发生相位突变，那么经过罗氏线圈微分后，会形成一个尖峰，该处频率往往高达几千Hz；如果采样点数低的话，算法的带宽能力达不到被分析信号的带宽，也就无法准确还原一次电流。

根据数字信号原理，模拟信号频率与数字频率之间有如下关系：

式中：w为数字频率；f为被分析信号的模拟频率。

3 模拟积分与数字积分结合的数据还原方法

3.1 双积分回路设计

模拟积分与数字积分相结合的双采集回路设计，是在模拟积分的基础上另加1路电子互感器输出的采样，经过仪表运放及低通滤波后进入CPU做数字积分算法，得到还原的一次电流值。仪表运放特点是高共模抑制比、高输入阻抗、低线性误差及低失调电压漂移等优点。

图4中R1、R2为匹配电阻，用于匹配无源的电子互感器传感头输出阻抗。且R2为分压电阻，保证50In过载时模拟积分器正常工作。

该路信号的特点为受温度影响较小，但暂态性能不好，可做正常负荷时的模拟积分采样值参考。

图4 采集回路设计原理图

3.2 量程自动识别的的数据还原方法

以模拟积分器为主工作回路，以数字积分回路为间断式工作回路。

从波形系数方程计算的数值可判断差动元件中各相差流非工频量含量的大小，如非工频量数值超出系统本身含有量则可判断是互感器异常所导致，选取设定的阀值门槛立即闭锁差动保护。逻辑框图如图5所示。

图5 模拟积分的修正方法

图5中CIi为数字积分得到的还原电流瞬时值。I1为模拟积分环节1得到的还原电流有效值；I2为模拟积分环节2得到的还原电流有效值。

修正模拟积分环节的限定条件为：在I1／CI及I2／CI在一定范围内，一般取K1为0.8；取K2为1.2。在此范围内，需要对模拟积分的结果进行修正。并且在CIi的瞬时值超过0.8In时，意味着可能一次电流发生故障，此时立即闭锁修正逻辑，由模拟积分原始采样输出。

以模拟积分环节1为例，令Iv为模拟积分被修正后的采样点，Ii为模拟积分环节1的原始采样点。则：

充分利用数字积分不受温度影响的特点，实现了对模拟积分环节采样点的修正，同时，在一次电流故障时退出修正逻辑，避免了数字积分暂态特性不好的缺点。

4 模拟积分与数字积分相结合的数据还原方法性能试验

4.1 暂态性能试验

以一次智能变电站现场电子互感器异常时保护装置录取的数据波形说明本文算法实现过程。具体如图6所示，在智能变电站运行过程中发生了B相电流突然增大，最终导致差动保护误动作造成停电事故。

图6是根据量程自动识别数据还原方法采集的故障波形。由图6可见，在正常负荷时，采用数字积分，还原波形与原始波形角度与幅值均相符；在故障时，算法切换为模拟积分，在角度与幅值方面都还原了真实波形。

图6 量程自动识别方法采集的故障波形

4.2 温度特性试验

对模拟积分与数字积分相结合的双积分冗余采集回路，在－40～70℃全温度范围做了精度测量试验。试验结果如图7所示。

图7 双积分冗余回路的样本误差随温度的变化关系

由图7可知，相对于单纯模拟积分回路，双积分冗余采集回路的采集精度较高，在全温度范围内达到0.2级的精度。原因在于该采集回路以稳定低漂移的数字积分回路做基准，对模拟积分回路做动态补偿，消除了模拟积分回路中反馈电阻及积分电容受温度影响大的缺点。

5 结论

电子互感器相对于传统互感器，具有不含铁芯、无磁饱和、频带宽、动态测量范围大等优点。随着智能变电站的逐渐推广，电子互感器的应用越来越广泛。但是，其技术成熟度及可靠性还有待提高。模拟积分器是电子互感器采集系统中的一个重要器件，其相频特性和幅频特性易受温度影响，从而影响电子互感器输出信号的角差、比差精度［10－11］。

经本文分析，工程中使用的模拟积分与数字积分模型，均为积分电容并联电阻的近似理想积分，而数字积分算法与采样点数有关，通常所用的每周波80点不足以准确还原一次故障电流。但数字积分在正常负荷时在全温度范围内具有较高的准确度。因此，本文结合模拟积分与数字积分各自的优点，设计了双积分冗余回路，并以模拟积分器为主要工作回路，数字积分器为间断工作回路，通过量程识别自动切换的方法，同时满足了故障时暂态性能及正常负荷时测量精度要求。

暂态特性及温度特性试验结果证实，该方法可在一次电流故障时正确还原一次故障电流，在正常负荷时全温度范围保持较高精度。

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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

张俊祥（1963），男，学士，从事智能变电站设计研究管理工作。

2016－07－22）