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摘 要：本文研究了电流型EVT的自适应积分电路，介绍了电流型EVT对信号积分的要求，基于系统状态的自适应积分电路等内容。
关键词：EVT；自适应；积分电路
电流型EVT的电容传感头处在微分工作状态，电容电流与被测一次高压的微分成正比，因此必须对其进行积分处理，形成正确反映被测电压大小和相位的二次电压信号。信号积分电路的工作特性决定了信号的频谱范围和暂态响应时间，直接影响着EVT的稳态及暂态性能。目前在电子式互感器的实用化设计中，有很多关于信号积分电路的研究，大多数是针对应用于Rogowski线圈ECT中的积分电路，但由于EVT和ECT标准和性能要求有较大区别，适用于ECT的积分器不一定能够满足EVT的要求。现有关于EVT用的积分电路的研究主要针对积分电路自身的频率特性，未分析积分电路和传感头构成的整体系统的综合频率特性，而且对积分电路在电力系统暂态变化过程中暂态响应特性的研究相对较少。因此有必要对适用于电流型EVT的积分电路展开进一步研究。
1.电流型EVT对信号积分的要求
从测量、计量、继电保护和谐波分析的用途考虑，应用于电流型EVT的信号积分应同时满足以下几方面的性能要求：
（1）良好的工频频率特性
根据IEC标准的要求，EVT应在工频频率范围内具有一定的测量精度。对于O.2级测量用EVT，在49.5Hz～50.5Hz频率范围内应满足比值误差小于0.2%，相角误差小于10’；对于3P级保护用EVT，在48Hz～51Hz频率范围内应满足比值误差小于3%，相角误差小于120’。因此电流型EVT的信号积分电路在标准规定的工频范围内应具有较高的积分精度。
（2）带宽满足谐波测量新用途的要求
随着电力电子设备的增多，考虑到电能质量检测分析的需求，理想的EVT应具有较高的谐波测量精度。在IEC60044.8电子式互感器标准的附录D：“电子式电流和电压互感器的频率响应和谐波准确度要求”中，包含如下规定：用于谐波测量的电子式互感器应能正确反应高达50次谐波的幅值和相角，3～50次谐波测量的比值误差百分数应低于5%，相角误差小于50。
电流型EVT的带宽和频率响应特性主要由信号积分电路决定，因此积分电路应具有反映50次谐波信号的频带宽度。
（3）暂态性能满足要求
EVT的暂态特性包括暂态响应特性和铁磁谐振性能，电流型EVT不存在铁磁谐振问题，但是包含电容储能元件，其最突出的暂态问题是一次短路和线路带滞留电荷重合闸引起的暂态过程。根据IEC标准要求，在高压端子与接地低压端子之间的电压短路之后，EVT的二次输出电压应在额定频率的一个周波内下降到短路前峰值的10%以下。而在线路带滞留电荷重合闸时，EVT的暂态电压误差需满足在2～3工频周波内小于10%，在3～4.5工频周波内小于5%。在这两种暂态情况下，电容电流在极短的时间内快速跟随一次电压的变化，因此电流型EVT的暂态性能主要由信号积分电路的暂态性能决定。
根据电流型EVT对信号积分的上述要求，可以采用模拟积分电路实现信号积分，有源型EVT中也多采用模拟积分电路。常用的模拟积分电路包括：带惯性环节的有损积分器、T型积分器以及基于低通滤波器原理的积分器（低通滤波型积分器）等。有损积分器结构最为简单，其积分频带宽度和暂态特性与积分器时间常数有关，积分时间常数较短时，暂态响应速度快，但积分频带窄；积分时间常数较长时，积分频带宽，但暂态过程长，因此很难同时实现宽频带和快速暂态响应性能。T型积分器的频率特性在低频段存在尖峰频率，具有受低频干扰信号影响的风险。低通滤波型积分器只能对设定的中心频率附近频段的信号进行积分，频带有限，而且同样存在频带宽度和暂态响应速度矛盾的问题。
总之，常用的几种模拟积分器各自存在一定的局限性，采用单一的某一种积分器和固定的参数设计很难同时满足电流型EVT对信号积分工频特性、谐波测量和暂态性能的要求，因此应研究新的组合型积分电路。
2. 基于系统状态的自适应积分电路
本文提出了一种基于系统状态的自适应积分电路，其基本思想是：快速识别系统处于稳态或暂态情况，并基于系统状态识别结果自动控制两种不同性能的积分器的投入以及电压输出，当系统处于稳态时，由频带宽的稳态积分器工作产生积分输出信号；当系统处于暂态时，由暂态响应速度快的暂态积分器产生输出，从而可以保证自适应积分电路在稳态下具有很宽的频带（超过测量50次谐波的带宽），而且暂态过程很短（各种暂态情况下的响应时间均小于40ms），满足电流型EVT的要求。
2.1 自适应积分电路的构成原理
自适应积分电路的构成，由暂态积分器、反相电路、稳态积分器、系统状态识别及自适应积分控制模块、比较器、模拟开关及多路开关等组成。暂态积分器的特点是暂态特性好，但频带窄，不适应高频信号的积分，利用暂态积分器识别输入电压的过零点。暂态积分器采用低通滤波型积分器，通过选择合适的参数使其具有良好的暂态特性。由于低通滤波型积分器采用正相端输入，因此其输出电压与一次电压相位相反，需要在积分器后连接反相电路，以还原电压信号的相位。稳态积分器采用长时间常数有损积分器，其特点是积分频带宽，但暂态特性差。系统状态识别及自适应积分控制模块的作用是：根据输入信号的特点，识别系统处于稳态还是暂态，并自动切换多路开关，控制稳态积分器或者暂态积分器输出信号的接通；并实现稳态积分器的输入信号接入及初始化控制。比较器为电压过零比较器，检测暂态积分器输出电压的过零点，为模拟开关接通和多路开关切换提供控制参考点。
自适应积分电路的工作原理及自适应积分控制原理如下：
系统上电后，输入信号Uo接入，暂态积分器立即工作，对Uo进行积分，其输出通过多路开关输出到下一级。同时暂态积分器的输出通过过零比较器检测积分信号的过零点，并输入自适应积分控制模块。自适应积分控制模块检测到过零脉冲后，对稳态积分器进行初始化。并在连续检测到2—3次过零点后，控制模拟开关接通，将Uo信号输入稳态积分器，同时控制多路开关切换，断开暂态积分器的输出连接，将稳态积分器的输出接通至积分电路输出端。从而利用稳态积分器对稳态信号进行宽频带的积分，满足工频信号测量以及谐波测量的带宽要求。
当由于一次线路断开导致输入信号‰突变为零时，两个积分器的暂态表现完全不同，暂态积分器的输出可在一个半周波内衰减到零，暂态特性好；而稳态积分器输出的暂态分量衰减很慢，在较长的一段时间内都会有一定的暂态分量叠加在正常输出信号上。系统状态识别及自适应积分控制模块在连续21ms内未检测到过零点脉冲时，自动控制多路开关切换至暂态积分器输出，从而使积分电路的暂态输出很快衰减到零。
线路带滞留电荷重合闸及手动合闸情况下，自适应积分电路的工作过程与系统上电时类似。
2.2 自适应积分控制模块原理及关键技术
实现自适应积分的关键是通过稳态和暂态识别，在适当的时刻自动控制积分电路的输出在稳态分器和暂态积分器之间相互切换，从而使系统输出在稳态过程中具有良好的宽频带特性，在暂态过程中具有良好的暂态响应特性。这一功能由自适应积分的核心构件：系统状态识别及自适应积分控制模块完成。
系统未上电时，一次高压信号为零，暂态积分器的输出UJ1为零，单稳触发器的输出为零。计数器的输出清零，自保持电路的输出为零。从而稳态积分器的初始化控制输出为1，对稳态积分器的积分电容进行放电初始化；多路开关控制输出为0，将暂态积分器接到输出端；模拟开关截止，停止向稳态积分器输入信号。
关键词：EVT；自适应；积分电路
电流型EVT的电容传感头处在微分工作状态，电容电流与被测一次高压的微分成正比，因此必须对其进行积分处理，形成正确反映被测电压大小和相位的二次电压信号。信号积分电路的工作特性决定了信号的频谱范围和暂态响应时间，直接影响着EVT的稳态及暂态性能。目前在电子式互感器的实用化设计中，有很多关于信号积分电路的研究，大多数是针对应用于Rogowski线圈ECT中的积分电路，但由于EVT和ECT标准和性能要求有较大区别，适用于ECT的积分器不一定能够满足EVT的要求。现有关于EVT用的积分电路的研究主要针对积分电路自身的频率特性，未分析积分电路和传感头构成的整体系统的综合频率特性，而且对积分电路在电力系统暂态变化过程中暂态响应特性的研究相对较少。因此有必要对适用于电流型EVT的积分电路展开进一步研究。
1.电流型EVT对信号积分的要求
从测量、计量、继电保护和谐波分析的用途考虑，应用于电流型EVT的信号积分应同时满足以下几方面的性能要求：
（1）良好的工频频率特性
根据IEC标准的要求，EVT应在工频频率范围内具有一定的测量精度。对于O.2级测量用EVT，在49.5Hz～50.5Hz频率范围内应满足比值误差小于0.2%，相角误差小于10’；对于3P级保护用EVT，在48Hz～51Hz频率范围内应满足比值误差小于3%，相角误差小于120’。因此电流型EVT的信号积分电路在标准规定的工频范围内应具有较高的积分精度。
（2）带宽满足谐波测量新用途的要求
随着电力电子设备的增多，考虑到电能质量检测分析的需求，理想的EVT应具有较高的谐波测量精度。在IEC60044.8电子式互感器标准的附录D：“电子式电流和电压互感器的频率响应和谐波准确度要求”中，包含如下规定：用于谐波测量的电子式互感器应能正确反应高达50次谐波的幅值和相角，3～50次谐波测量的比值误差百分数应低于5%，相角误差小于50。
电流型EVT的带宽和频率响应特性主要由信号积分电路决定，因此积分电路应具有反映50次谐波信号的频带宽度。
（3）暂态性能满足要求
EVT的暂态特性包括暂态响应特性和铁磁谐振性能，电流型EVT不存在铁磁谐振问题，但是包含电容储能元件，其最突出的暂态问题是一次短路和线路带滞留电荷重合闸引起的暂态过程。根据IEC标准要求，在高压端子与接地低压端子之间的电压短路之后，EVT的二次输出电压应在额定频率的一个周波内下降到短路前峰值的10%以下。而在线路带滞留电荷重合闸时，EVT的暂态电压误差需满足在2～3工频周波内小于10%，在3～4.5工频周波内小于5%。在这两种暂态情况下，电容电流在极短的时间内快速跟随一次电压的变化，因此电流型EVT的暂态性能主要由信号积分电路的暂态性能决定。
根据电流型EVT对信号积分的上述要求，可以采用模拟积分电路实现信号积分，有源型EVT中也多采用模拟积分电路。常用的模拟积分电路包括：带惯性环节的有损积分器、T型积分器以及基于低通滤波器原理的积分器（低通滤波型积分器）等。有损积分器结构最为简单，其积分频带宽度和暂态特性与积分器时间常数有关，积分时间常数较短时，暂态响应速度快，但积分频带窄；积分时间常数较长时，积分频带宽，但暂态过程长，因此很难同时实现宽频带和快速暂态响应性能。T型积分器的频率特性在低频段存在尖峰频率，具有受低频干扰信号影响的风险。低通滤波型积分器只能对设定的中心频率附近频段的信号进行积分，频带有限，而且同样存在频带宽度和暂态响应速度矛盾的问题。
总之，常用的几种模拟积分器各自存在一定的局限性，采用单一的某一种积分器和固定的参数设计很难同时满足电流型EVT对信号积分工频特性、谐波测量和暂态性能的要求，因此应研究新的组合型积分电路。
2. 基于系统状态的自适应积分电路
本文提出了一种基于系统状态的自适应积分电路，其基本思想是：快速识别系统处于稳态或暂态情况，并基于系统状态识别结果自动控制两种不同性能的积分器的投入以及电压输出，当系统处于稳态时，由频带宽的稳态积分器工作产生积分输出信号；当系统处于暂态时，由暂态响应速度快的暂态积分器产生输出，从而可以保证自适应积分电路在稳态下具有很宽的频带（超过测量50次谐波的带宽），而且暂态过程很短（各种暂态情况下的响应时间均小于40ms），满足电流型EVT的要求。
2.1 自适应积分电路的构成原理
自适应积分电路的构成，由暂态积分器、反相电路、稳态积分器、系统状态识别及自适应积分控制模块、比较器、模拟开关及多路开关等组成。暂态积分器的特点是暂态特性好，但频带窄，不适应高频信号的积分，利用暂态积分器识别输入电压的过零点。暂态积分器采用低通滤波型积分器，通过选择合适的参数使其具有良好的暂态特性。由于低通滤波型积分器采用正相端输入，因此其输出电压与一次电压相位相反，需要在积分器后连接反相电路，以还原电压信号的相位。稳态积分器采用长时间常数有损积分器，其特点是积分频带宽，但暂态特性差。系统状态识别及自适应积分控制模块的作用是：根据输入信号的特点，识别系统处于稳态还是暂态，并自动切换多路开关，控制稳态积分器或者暂态积分器输出信号的接通；并实现稳态积分器的输入信号接入及初始化控制。比较器为电压过零比较器，检测暂态积分器输出电压的过零点，为模拟开关接通和多路开关切换提供控制参考点。
自适应积分电路的工作原理及自适应积分控制原理如下：
系统上电后，输入信号Uo接入，暂态积分器立即工作，对Uo进行积分，其输出通过多路开关输出到下一级。同时暂态积分器的输出通过过零比较器检测积分信号的过零点，并输入自适应积分控制模块。自适应积分控制模块检测到过零脉冲后，对稳态积分器进行初始化。并在连续检测到2—3次过零点后，控制模拟开关接通，将Uo信号输入稳态积分器，同时控制多路开关切换，断开暂态积分器的输出连接，将稳态积分器的输出接通至积分电路输出端。从而利用稳态积分器对稳态信号进行宽频带的积分，满足工频信号测量以及谐波测量的带宽要求。
当由于一次线路断开导致输入信号‰突变为零时，两个积分器的暂态表现完全不同，暂态积分器的输出可在一个半周波内衰减到零，暂态特性好；而稳态积分器输出的暂态分量衰减很慢，在较长的一段时间内都会有一定的暂态分量叠加在正常输出信号上。系统状态识别及自适应积分控制模块在连续21ms内未检测到过零点脉冲时，自动控制多路开关切换至暂态积分器输出，从而使积分电路的暂态输出很快衰减到零。
线路带滞留电荷重合闸及手动合闸情况下，自适应积分电路的工作过程与系统上电时类似。
2.2 自适应积分控制模块原理及关键技术
实现自适应积分的关键是通过稳态和暂态识别，在适当的时刻自动控制积分电路的输出在稳态分器和暂态积分器之间相互切换，从而使系统输出在稳态过程中具有良好的宽频带特性，在暂态过程中具有良好的暂态响应特性。这一功能由自适应积分的核心构件：系统状态识别及自适应积分控制模块完成。
系统未上电时，一次高压信号为零，暂态积分器的输出UJ1为零，单稳触发器的输出为零。计数器的输出清零，自保持电路的输出为零。从而稳态积分器的初始化控制输出为1，对稳态积分器的积分电容进行放电初始化；多路开关控制输出为0，将暂态积分器接到输出端；模拟开关截止，停止向稳态积分器输入信号。