安科瑞 宣依依

　　摘要：隨著經濟的發(fā)展和科學技術的不斷進步,，在實際生產和生活中LED燈及LED屏等非線性負載被廣泛應用，此類設備會產生3N次諧波從而導致N線電流過大,，通過在末端配置SNP中線安防保護器進行N線治理?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)SNP設備數量較多，巡檢人員需逐一排查,，運維效率較低,。當存在N線過流或其他故障時，不能得到及時反饋,，最終導致模塊損壞而造成經濟損失,。本文提出一種基于SNP中線安防保護器的N線過流保護與檢測方法并通過內部硬件電路實現(xiàn)，當N相的電流值超過設定值時,，內部繼電器發(fā)出干接點信號用于控制SNP設備關機和報警,，同時用戶可通過WIFI模塊和網絡通訊電路進行數據監(jiān)測和控制運行。最后通過實驗驗證了該方法的實用性和安全性,，具有及時反饋信息,、保護設備安全和方便運維等優(yōu)點。

　　關鍵詞： 3N次諧波,；中性線電流,；N線電流治理；SNP中線安防保護器,；過流保護與檢測

　　1 引言

　　社會經濟和科技的發(fā)展推動著通信技術,、計算機技術、光電技術等的不斷進步,，在實際生產和生活中現(xiàn)代電力電子非線性負載設備等被廣泛應用,，此設備產生3N次諧波以及三相不平衡等問題的存在會導致中性線電流過大，造成N線絕緣層老化起火從而引發(fā)火災的發(fā)生,。SNP設備數量多,，導致數據量大，日常的運行維護工作比較傳統(tǒng),，普遍存在以下痛點：運維效率低,、響應慢、運維過程不規(guī)范,、巡檢過程難以監(jiān)管,、運行大數據缺少分析等,。當SNP設備N線過流或出現(xiàn)其他故障時,通常在其觸摸屏上顯示故障報警信息，故障信息不能得到及時反饋,，導致模塊損壞,，造成不必要的經濟損失。

　　針對N相電流的治理方法,，市場上存在一些無源的零序濾波器或在N線中串聯(lián)三次諧波濾波器來阻斷三次諧波的通路等無源的方式,，缺少相應的保護機制。通過研究載波移相前后中性線對地電位變化規(guī)律,，提出一種變頻器通道內各相依次載波移相的中性線環(huán)流抑制方法,。文針對電網自適應保護和保護優(yōu)化進行深入研究，提出一種新型聚類概念的自適應保護實現(xiàn)方法,。設計三相四線制諧波監(jiān)測式電氣火災監(jiān)控系統(tǒng),。采用加漢寧窗插值處理的快速傅里葉變換算法分析N相中的諧波成分并進行反饋。文獻[7]提出了兩種三相四線制零線斷線檢測及保護裝置的思路,。文獻[8]以中性線電流為過程監(jiān)測量,，采用有功調配與無功補償相結合策略。文獻[9]以TEF抑制率和抑制效率為優(yōu)化目標,以直流電網中接地阻抗參數取值,、接地點為優(yōu)化變量,同時考慮了中性線電抗和故障點的影響,。文獻[10]提出了一種基于分布式測量的中性線斷線故障識別與定位方法。文獻[11]設計了智能繼電器,實現(xiàn)了對電源通道的控制,。針對電源通道過電流保護的要求,采用了選擇性過載保護,、瞬動保護和后備保險絲三種保護方法,達到了對多種過電流情況的保護功能。

　　本文提出一種基于SNP中線安防保護器的N線過流保護與檢測方法,，并通過設置硬件電路實現(xiàn),，相較于傳統(tǒng)的方法和軟件保護來說，其優(yōu)點在于響應速度快,、可靠性高,、對電磁干擾、電源波動等抗干擾能力強,、實時性好可以及時反饋信息和切斷設備以保護設備和安全,，同時成本較低。

　　2 N線過流保護與檢測設計流程

　　2.1 N線電流產生的原因

　　在存在大量LED熒光燈/泛光燈和LED大屏等負載的現(xiàn)場,，就會容易出現(xiàn)N線帶電的情況,，其負荷類型為開關電源型，開關電源型負荷有2大特點：

　　1）負載電流進行有效值分解后,，諧波電流以3次諧波電流為主，電流畸變率THDi一般在70%-120%之間,。

　　2）開關電源的無功本身屬于容性無功,，如果主動投入電容器的話,，反而會使系統(tǒng)無功功率增加，出現(xiàn)功率因數快速降低的現(xiàn)象,。

　　理論上N線產生電流的原因主要有兩方面：

　　1）A/B/C三相電流不平衡導致N線上有零序電流的存在[12],；

　　2）A/B/C三相電流中3N次諧波電流（零序電流）在N線上線性疊加[13]。

　　2.2 N線電流治理的基本原理

　　針對N線存在電流過大的問題,，可以通過SNP中線安防保護器進行治理,，其基本工作原理為通過互感器的電流檢測環(huán)節(jié)并采集系統(tǒng)N線上過電流信息，經內部DSP和FPGA控制芯片快速計算并提取A/B/C每相各次諧波電流的含量,，產生諧波電流指令,，驅動功率執(zhí)行器件IGBT逆變電路產生與過電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入N線,，從而消除N線中過大的電流[14],。其工作機理如圖1所示。

圖1  SNP工作機理圖

　　2.3 N線過流保護與檢測設計流程

　　SNP設備在現(xiàn)場運行中總出現(xiàn)負載N線電流過大超過本身容量導致設備過補償,，而影響到SNP設備使用壽命的情況,。為了及時反饋設備的告警信息和保護設備安全，現(xiàn)提出了一種N相過流保護與檢測系統(tǒng)的方法,，其保護與檢測設計流程如下：

　　N相過流保護與檢測方法基于硬件電路實現(xiàn),，系統(tǒng)整體包括觸摸屏、繼電器RL,、N相過流硬件保護電路,、WIFI通訊模塊、網絡通訊電路和通訊管理機等,，其中觸摸屏,、WIFI通訊模塊和網絡通訊電路等作為設備運行數據傳輸和N相過流情況的反饋的媒介；N相過流硬件保護電路作為過流保護工作的核心,；繼電器RL作為連接外部斷路器或者報警系統(tǒng),。N相過流保護與檢測系統(tǒng)控制流程如圖2所示，具體步驟如下,。

　　步驟一,，觸摸屏的人機交互頁面上設有N線電流過流設定值，在不超過N線電流治理裕量的情況下可隨意進行數值的設定,。

　　步驟二,，DSP和FPGA芯片采集提取A/B/C三相電流數據并計算出N相上3N次諧波電流值，并將其與N線電流設定值進行比較,。

　　步驟三,，若檢測到N相上3N次諧波電流值超過N線電流的設定值時，內部N相過流保護電路開始動作,， FPGA發(fā)出信號,，控制繼電器RL吸合,。若外接斷路器或者報警系統(tǒng)（報警燈或者蜂鳴器等），繼電器RL發(fā)出干接點信號,，用于外接控制SNP運行電路的斷路器和報警系統(tǒng),。

　　步驟四， N線過流報警信息可通過觸摸屏進行查閱,，用戶還通過WIFI模塊和網絡通訊電路對SNP設備進行數據監(jiān)測和控制運行?，F(xiàn)場巡檢人員通過網絡信號直接在手機端或者電腦端隨時隨地監(jiān)測SNP的數據和運行情況，方便運維和管理,。

圖2  N相過流保護與檢測系統(tǒng)控制流程

　　3 WIFI和網絡通訊系統(tǒng)結構

　　SNP設備的運行數據和N線過流的情況,，一方面通過485總線傳輸到觸摸屏，另一方面通過WIFI模塊和網絡通訊電路進行手機端或者電腦端的檢查,，具體的通訊實施過程如下：

　　FPGA和DSP芯片內部計算過程中,，DSP芯片負責數據的核心運算，F(xiàn)PGA負責數據的輔助運算,。

　　圖3中DSP和FPGA芯片之間經過串行外設接口SPI進行通訊,，F(xiàn)PGA的GPIO口（經過轉換電路）連接繼電器RL。采集提取和計算出來的N相上3N次諧波電流值暫放于FPGA內部寄存器中,，當N相上3N次諧波電流值超過觸摸屏中的N相電流設定值時,，F(xiàn)PGA發(fā)出信號至繼電器RL。網絡通訊電路包括串行通訊的485總線1和485總線2,，SNP設備的數據通過FPGA芯片傳輸至485總線1上,，設備內部的WIFI模塊分別連接485總線1和485總線2，通訊管理機和觸摸顯示屏也分別連接485總線2實現(xiàn)通訊,。

　　SNP設備運行數據和N線過流情況通過485收發(fā)器芯片傳遞給串行通訊的485總線1上,，WIFI模塊也通過485芯片傳輸或者接收總線上的數據，因此可對內部WIFI芯片的模式進行相應設置,，一方面可以創(chuàng)建自己的局域網絡,，另一方面也可加入現(xiàn)場現(xiàn)有的網絡，通過手機APP端或電腦PC端監(jiān)測運行數據,。內部的WIFI模塊收發(fā)端口再輸出信號通過485芯片傳遞給串行通訊的485總線2上,，485總線2的數據通過RJ45接口接入通訊管理機，即可在電腦PC端監(jiān)測設備的運行數據,，其中觸摸屏的通訊也是通過485總線2,。

圖3  系統(tǒng)結構圖

　　圖4為N相過流保護與檢測系統(tǒng)的WIFI和網絡通訊原理圖，SNP設備的內部的485總線1和485總線2接口均為半雙工通信接口（Half-duplex）[15],，允許信號在兩個方向上傳輸,。當WIFI模塊為主設備時，F(xiàn)PGA和DSP芯片則為從設備；當觸摸屏為主設備時,，WIFI模塊則識別自身為從設備,；若遇到多個主設備的數據時， WIFI模塊會自動將接收到的多個主設備的數據進行排隊處理,，并將數據暫存于WIFI模塊內部，等待其他主設備完成操作后,，WIFI模塊繼任主設備,。

　　當SNP模塊工作時， WIFI模塊首先判斷自身是否為主設備,，如果不是主設備,，則將自身運行模式設置為從設備，等待其他主設備完成操作后,，繼任主設備,；如果是主設備，則將自身運行模式設置為主設備,。

圖4  WIFI和網絡通訊原理圖

　　4  N相過流保護硬件電路

　　上一節(jié)主要敘述了針對SNP的數據和N線過流情況的WIFI和網絡通訊的具體邏輯實現(xiàn)過程,，由于本文提出的N線過流保護與檢測方法是基于硬件電路實現(xiàn)的，因此本節(jié)具體描述和分析硬件電路保護的原理過程,。

　　圖5為N相過流保護硬件電路原理圖,。SNP設備內部的FPGA芯片與繼電器RL的連接電路包括：

　　1）FPGA芯片輸出的信號通過電平轉換芯片U2連接至光耦合器P1；

　　2）光耦合器P1連接電阻R1并接地,，然后依次連接電阻R2,、電阻R3、并聯(lián)的NMOS管Q1和NMOS管Q2,、濾波電容C1至繼電器RL的線圈,；

　　3）繼電器RL的線圈兩端連接二極管D1；電阻R3一端連接NMOS管的柵極,，另一端連接漏極并接地,；

　　N相過流保護電路原理主要為：

　　1）當DSP和FPGA提取并計算出負載N相中的3N次諧波電流低于N相電流設定值時，F(xiàn)PGA的73號引腳會輸出高電平信號,，光耦合器P1內部二極管不導通,，中線安防保護器(SNP)正常運行；

　　2）當DSP和FPGA計算出的3N次諧波電流超過設定值時,，F(xiàn)PGA的73號引腳發(fā)出一個低電平的信號,，通過電平轉換芯片U2將光信號輸入至光耦合器P1，光信號使光耦合器P1內的三極管導通并輸出電信號,，電阻R1通過將電信號限流后,，通過電阻R3在NMOS管Q1和Q2柵極和源極之間形成電壓，使DO2拉低至低電位，使繼電器RL內部線圈兩端存在24v電壓差,，繼電器RL的3和4兩端導通,，繼而連接至外部數據線端子5和6；

　　3）濾波電容C1與NMOS管Q1和Q2并聯(lián),，其目的用于濾除開關電源輸出24v的紋波和尖峰脈沖等,；

　　4）NMOS管Q1和Q2的作用是為了增大內部器件輸出功率，電平轉換芯片U2的作用是為了芯片端電平和外部電平兼容,，二極管D1用于當繼電器關斷時為其內部的線圈進行續(xù)流工作,。

　　N相過流保護與檢測系統(tǒng)中的觸摸屏作為SNP中線安防保護器N線過流報警信息顯示的同時，又增加了繼電器RL干接點輸出信號,，該信號可以用于外接可控斷路器和報警裝置,，當發(fā)生N線過流情況時，能及時斷開SNP中線安放保護器以免出現(xiàn)設備損壞或者發(fā)出警報聲提醒用戶及時發(fā)現(xiàn)設備問題,。

　　5  實驗測試

　　本文所提出的基于硬件電路的N相過流保護及檢測方法已應用于SNP中線安防保護器產品中,，下面結合實驗測試情況分析其功能的實用性。

　　本次N相過流保護及檢測實驗是在測試N相電流補償實驗中進行的,，并且以SNP中線安防保護器設備為主要測試對象,，觸摸屏控制器作為數據設置和顯示媒介。具體測試流程如下：

　　1）設置諧波發(fā)生源的參數,，讓其只發(fā)出3次諧波電流并記錄N線的電流大?。?/p>

　　2）通過SNP設備觸摸屏設置補償參數,，并設置N線的過流值,。

　　由于考慮到實驗測試的便捷性，現(xiàn)采用發(fā)光二極管對N線過流進行反饋,，發(fā)光二極管安裝在外部數據線端子RL-OUT1和RL-OUT2處,，其照片如圖6所示，其中RL-OUT1和RL-OUT2為N線過電流輸出繼電器干接點信號口OUT1/OUT2連接的信號端子,。

　　3）調節(jié)諧波源發(fā)生裝置,，設置3次諧波電流為10 A，開機啟動SNP設備,，將中線電流反饋功能打開,，同時設置N線過流值為50A。

　　4）調節(jié)諧波源發(fā)生裝置,，設置3次諧波電流為20 A,，N線電流設定值仍然為50A。

圖5  N相過流保護硬件電路原理圖

圖6  RL-OUT1和RL-OUT2反饋端子

　　具體試驗測試數據見表1,。

　　表1  SNP設備測試數據

　　3次諧波設置10A時,，設備采集到N線電流30A左右低于設定值， N線電流未反饋，發(fā)光二極管不亮,。3次諧波設置20A時但,，設備采集到N線電流60A左右高于設定值，N線電流出現(xiàn)過流反饋,，發(fā)光二極管開始亮起,，具體測試照片見圖7和圖8。

（a）SNP設備補償

（b）中線電流反饋

（c）N線電流設置

（d）反饋端子接二極管

　　圖7  N相電流未超過設定值

（e）SNP設備補償

（f）反饋端子接二極管

　　圖8  N相電流超過設定值

　　結合圖7,、圖8和表1的結果,，可觀察到N相設定值為50A，分別設置3次諧波負載源10A和20A,，由于SNP設備本身存在零漂和測量裝置的精確度問題，N線采集到的電流分別為28.5A和56.7A,。當采集計算到的負載N線中的電流超過觸摸屏中的N線電流設定值時,，反饋端子上的二極管點亮，并顯示報警信號,，若未超過設定值時則不亮,，設備正常補償運行。從互感器采集負載電流,，到內部FPGA芯片計算分析,，至最終的繼電器動作并發(fā)出干接點信號，整個動作時間控制在毫秒級以內,，響應迅速,。同時為了方便現(xiàn)場用戶更加及時觀察到SNP設備補償報警情況，可增加蜂鳴器設備,。

　　N線過流保護與檢測是在設計內部硬件電路保護上實現(xiàn)的,，為了與和軟件過流保護進行對比，實驗前期也進行了軟件保護試驗,，其流程為：1）采樣三相輸出電流Ia,、Ib和Ic，并計算In,；2）計算各相RMS值,，若任一相電流超過150%額定值且持續(xù)5ms，觸發(fā)保護,；3）關閉PWM,，觸發(fā)撬棒電路吸收能量，記錄故障代碼“OCP-PhaseX",。試驗后發(fā)現(xiàn)易受ADC采樣噪聲,、程序跑飛、電磁干擾或通信干擾影響，可能誤判或漏判故障,，而且在參數配置和計算精度上誤差較大,，因此在本文中不過多討論。

　　6 結論

　　本文提出的N相過流保護及檢測方法是基于硬件保護電路實現(xiàn)的,，通過SNP設備內部FPGA和DSP芯片采集計算,，并與N相電流設定值進行比較，從而觸發(fā)內部繼電器動作并斷開設備或報警,。通過硬件實驗和軟件保護測試分析,，驗證了此過流保護及檢測方法具備穩(wěn)定可靠性、響應速度快和實時性好等優(yōu)點,，相對于傳統(tǒng)的保護機制,，成本較低效果好，為電力電子行業(yè)中逆變器/濾波器等設備過流保護提供了參考依據,。

　　參考文獻

　　[1]劉澤松,劉杰,劉建春,等.一種中線安防保護器用的N相過流保護與監(jiān)測系統(tǒng)[P].上海市,CN202211014221.5,2024-11-08.

　　[2] 馮振亮.典型電能質量問題的解決方案[C].中國電力技術市場協(xié)會.2024年電力行業(yè)技術監(jiān)督專業(yè)技術交流研討會優(yōu)秀論文集.國投(海南)新能源有限公司,2024:13.　　

[3] 黃春光,劉建春,武明科.一種逆變器的并網-諧波治理綜合控制方法[J].電氣技術,2024,25(11):30-36.

　　[4] 陳明泉,肖世挺,嚴昌華,等.廈門柔直工程高頻諧波保護方案分析與試驗[J].電氣技術,2023,24(10):79-84.