電子互感器的數(shù)據(jù)還原技術(shù)研究

張俊祥，劉立明，尹 明，張 普

（1.吉林省長(zhǎng)春電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

專論

電子互感器的數(shù)據(jù)還原技術(shù)研究

張俊祥1，劉立明1，尹 明2，張 普2

（1.吉林省長(zhǎng)春電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.許繼集團(tuán)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(yīng)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(cè)信號(hào)，因此又稱為外積分型互感器。積分形式有模擬積分與數(shù)字積分兩種，其中模擬積分暫態(tài)性能好，但由于電子元器件的影響，測(cè)量精度受溫度影響大；而數(shù)字積分不受溫度影響，但對(duì)故障的暫態(tài)波形還原效果差。通過(guò)雙積分采集回路處理和量程識(shí)別自動(dòng)切換的方法，同時(shí)滿足了故障時(shí)暫態(tài)性能及正常負(fù)荷時(shí)測(cè)量精度要求，避免了模擬與數(shù)字方法各自的缺點(diǎn)，提高了電子互感器的準(zhǔn)確性與可靠性。

外積分；數(shù)據(jù)還原；模擬積分；數(shù)字積分；暫態(tài)性能

電子式互感器中，電流測(cè)量多采用羅氏線圈原理，電壓測(cè)量多采用阻容分壓原理?；诹_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(duì)于基于羅氏線圈原理的電流互感器，當(dāng)一次電流為交流時(shí)，一次電流在纏繞線圈的磁通會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小為

圖1 羅氏線圈與阻容分壓原理

測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及暫態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此得到更廣泛的應(yīng)用。阻容分壓原理的電壓互感器模型如圖1所示，經(jīng)過(guò)改進(jìn)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(shù)為

由此可見(jiàn)，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(hào)均為源信號(hào)的微分，需采用外積分電路，又稱為外積分工作狀態(tài)，必須用外積分電路對(duì)其進(jìn)行積分還原。

在目前智能變電站尚未普及的情況下，有關(guān)電子式互感器在實(shí)際中的應(yīng)用還受到一些質(zhì)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(fā)揮抗飽和等性能優(yōu)點(diǎn)。本文即以模擬積分與數(shù)字積分相結(jié)合的方法，對(duì)外積分型電子互感器做數(shù)據(jù)還原處理，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度以及保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

1 基于模擬積分的還原方法

對(duì)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(huán)節(jié)可以處于高壓側(cè)，也可以處于低壓側(cè)。處于高壓側(cè)由于“等勢(shì)腔”的原理可以避免拉合隔離開(kāi)關(guān)的影響，缺點(diǎn)是供電困難；處于低壓側(cè)容易解決供電問(wèn)題，但易受外部電磁場(chǎng)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(yùn)算放大器非理想器件，存在偏置電壓，時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致積分電容飽和，因此工程上應(yīng)用積分器時(shí)，在積分電容上并聯(lián)1個(gè)電阻，用以給電容提供放電回路［6－8］。圖2是已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的模擬積分器模型。

圖2 工程用模擬積分模型

其頻響函數(shù)為

由式（2）可知，這實(shí)質(zhì)是一階低通濾波器的“慣性環(huán)節(jié)”，近似地實(shí)現(xiàn)理想積分。

1.2 模擬積分的特點(diǎn)

1.2.1 暫態(tài)性能好

目前采用的模擬積分雖然都為慣性環(huán)節(jié)，即在理想積分的電容兩端并聯(lián)反饋電阻，用以消除理想積分的不收斂特性，但其無(wú)論對(duì)一次故障衰減常數(shù)的恢復(fù)，還是對(duì)不同故障起始角的故障波形恢復(fù)，都可以滿足保護(hù)的需要。模擬積分相對(duì)數(shù)字積分，其對(duì)一次故障的還原效果較好。

1.2.2 準(zhǔn)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(shù)據(jù)還原。模擬積分器處于戶外安裝，環(huán)境溫度一般在－40～70℃，在實(shí)際工程中，Rf一般取10 MΩ以上電阻，由式（3）可知，較大的環(huán)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(dǎo)致模擬積分器的幅頻特性和相頻特性發(fā)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(gè)工作溫度范圍發(fā)生較大變化，甚至有的樣本準(zhǔn)確度超過(guò)規(guī)定范圍；并且樣本之間無(wú)明顯規(guī)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(guān)系

2 基于數(shù)字積分的還原方法

本文所述數(shù)字積分方法是將模擬積分的傳遞函數(shù)，離散化后以數(shù)值形式通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)。至于通過(guò)理想積分模型導(dǎo)出的數(shù)字積分方法，傳遞函數(shù)存在不收斂、發(fā)散的缺點(diǎn)，不在本文討論范圍內(nèi)。

因?yàn)槿サ袅四M積分部分，故消除了溫度變化導(dǎo)致的運(yùn)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(yīng)用，數(shù)字積分的研究得到愈來(lái)愈多的關(guān)注。

2.1 數(shù)字積分方法原理

數(shù)字積分與模擬積分是一種轉(zhuǎn)換的兩種表達(dá)方式，數(shù)字積分源自模擬積分，是模擬積分的數(shù)字化表示［9］。

將其代入到H（s）中有：

其中：

2.2 數(shù)字積分的特點(diǎn)

2.2.1 數(shù)字積分不受溫度影響

由于數(shù)字積分環(huán)節(jié)除了AD必須的低通濾波外，沒(méi)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(shù)字積分采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)暫態(tài)影響

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或負(fù)荷突變等暫態(tài)過(guò)程時(shí)，一次電流頻率發(fā)生劇變。對(duì)傳統(tǒng)電磁式電流互感器只需考慮電流過(guò)載倍數(shù)，而對(duì)羅氏線圈和數(shù)字積分而言，不僅要考慮過(guò)載，還要考慮采樣間隔的影響。

在電力系統(tǒng)負(fù)荷突變或發(fā)生故障時(shí)，一次電流很可能發(fā)生相位突變，那么經(jīng)過(guò)羅氏線圈微分后，會(huì)形成一個(gè)尖峰，該處頻率往往高達(dá)幾千Hz；如果采樣點(diǎn)數(shù)低的話，算法的帶寬能力達(dá)不到被分析信號(hào)的帶寬，也就無(wú)法準(zhǔn)確還原一次電流。

根據(jù)數(shù)字信號(hào)原理，模擬信號(hào)頻率與數(shù)字頻率之間有如下關(guān)系：

式中：w為數(shù)字頻率；f為被分析信號(hào)的模擬頻率。

3 模擬積分與數(shù)字積分結(jié)合的數(shù)據(jù)還原方法

3.1 雙積分回路設(shè)計(jì)

模擬積分與數(shù)字積分相結(jié)合的雙采集回路設(shè)計(jì)，是在模擬積分的基礎(chǔ)上另加1路電子互感器輸出的采樣，經(jīng)過(guò)儀表運(yùn)放及低通濾波后進(jìn)入CPU做數(shù)字積分算法，得到還原的一次電流值。儀表運(yùn)放特點(diǎn)是高共模抑制比、高輸入阻抗、低線性誤差及低失調(diào)電壓漂移等優(yōu)點(diǎn)。

圖4中R1、R2為匹配電阻，用于匹配無(wú)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(guò)載時(shí)模擬積分器正常工作。

該路信號(hào)的特點(diǎn)為受溫度影響較小，但暫態(tài)性能不好，可做正常負(fù)荷時(shí)的模擬積分采樣值參考。

圖4 采集回路設(shè)計(jì)原理圖

3.2 量程自動(dòng)識(shí)別的的數(shù)據(jù)還原方法

以模擬積分器為主工作回路，以數(shù)字積分回路為間斷式工作回路。

從波形系數(shù)方程計(jì)算的數(shù)值可判斷差動(dòng)元件中各相差流非工頻量含量的大小，如非工頻量數(shù)值超出系統(tǒng)本身含有量則可判斷是互感器異常所導(dǎo)致，選取設(shè)定的閥值門檻立即閉鎖差動(dòng)保護(hù)。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(shù)字積分得到的還原電流瞬時(shí)值。I1為模擬積分環(huán)節(jié)1得到的還原電流有效值；I2為模擬積分環(huán)節(jié)2得到的還原電流有效值。

修正模擬積分環(huán)節(jié)的限定條件為：在I1／CI及I2／CI在一定范圍內(nèi)，一般取K1為0.8；取K2為1.2。在此范圍內(nèi)，需要對(duì)模擬積分的結(jié)果進(jìn)行修正。并且在CIi的瞬時(shí)值超過(guò)0.8In時(shí)，意味著可能一次電流發(fā)生故障，此時(shí)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(huán)節(jié)1為例，令I(lǐng)v為模擬積分被修正后的采樣點(diǎn)，Ii為模擬積分環(huán)節(jié)1的原始采樣點(diǎn)。則：

充分利用數(shù)字積分不受溫度影響的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬積分環(huán)節(jié)采樣點(diǎn)的修正，同時(shí)，在一次電流故障時(shí)退出修正邏輯，避免了數(shù)字積分暫態(tài)特性不好的缺點(diǎn)。

4 模擬積分與數(shù)字積分相結(jié)合的數(shù)據(jù)還原方法性能試驗(yàn)

4.1 暫態(tài)性能試驗(yàn)

以一次智能變電站現(xiàn)場(chǎng)電子互感器異常時(shí)保護(hù)裝置錄取的數(shù)據(jù)波形說(shuō)明本文算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程。具體如圖6所示，在智能變電站運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了B相電流突然增大，最終導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作造成停電事故。

圖6是根據(jù)量程自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)還原方法采集的故障波形。由圖6可見(jiàn)，在正常負(fù)荷時(shí)，采用數(shù)字積分，還原波形與原始波形角度與幅值均相符；在故障時(shí)，算法切換為模擬積分，在角度與幅值方面都還原了真實(shí)波形。

圖6 量程自動(dòng)識(shí)別方法采集的故障波形

4.2 溫度特性試驗(yàn)

對(duì)模擬積分與數(shù)字積分相結(jié)合的雙積分冗余采集回路，在－40～70℃全溫度范圍做了精度測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(guān)系

由圖7可知，相對(duì)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(nèi)達(dá)到0.2級(jí)的精度。原因在于該采集回路以穩(wěn)定低漂移的數(shù)字積分回路做基準(zhǔn)，對(duì)模擬積分回路做動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(diǎn)。

5 結(jié)論

電子互感器相對(duì)于傳統(tǒng)互感器，具有不含鐵芯、無(wú)磁飽和、頻帶寬、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。隨著智能變電站的逐漸推廣，電子互感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是，其技術(shù)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(tǒng)中的一個(gè)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(hào)的角差、比差精度［10－11］。

經(jīng)本文分析，工程中使用的模擬積分與數(shù)字積分模型，均為積分電容并聯(lián)電阻的近似理想積分，而數(shù)字積分算法與采樣點(diǎn)數(shù)有關(guān)，通常所用的每周波80點(diǎn)不足以準(zhǔn)確還原一次故障電流。但數(shù)字積分在正常負(fù)荷時(shí)在全溫度范圍內(nèi)具有較高的準(zhǔn)確度。因此，本文結(jié)合模擬積分與數(shù)字積分各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙積分冗余回路，并以模擬積分器為主要工作回路，數(shù)字積分器為間斷工作回路，通過(guò)量程識(shí)別自動(dòng)切換的方法，同時(shí)滿足了故障時(shí)暫態(tài)性能及正常負(fù)荷時(shí)測(cè)量精度要求。

暫態(tài)特性及溫度特性試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該方法可在一次電流故障時(shí)正確還原一次故障電流，在正常負(fù)荷時(shí)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(xué)士，從事智能變電站設(shè)計(jì)研究管理工作。

2016－07－22）