1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展推動(dòng)著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)等的不斷進(jìn)步，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中現(xiàn)代電力電子非線性負(fù)載設(shè)備等被廣泛應(yīng)用，此設(shè)備產(chǎn)生3N次諧波以及三相不平衡等問(wèn)題的存在會(huì)導(dǎo)致中性線電流過(guò)大，造成N線絕緣層老化起火從而引發(fā)火災(zāi)的發(fā)生[1-2]。SNP設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大，日常的運(yùn)行維護(hù)工作比較傳統(tǒng)，普遍存在以下痛點(diǎn)：運(yùn)維效率低、響應(yīng)慢、運(yùn)維過(guò)程不規(guī)范、巡檢過(guò)程難以監(jiān)管、運(yùn)行大數(shù)據(jù)缺少分析等。當(dāng)SNP設(shè)備N線過(guò)流或出現(xiàn)其他故障時(shí),通常在其觸摸屏上顯示故障報(bào)警信息，故障信息不能得到及時(shí)反饋，導(dǎo)致模塊損壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)N相電流的治理方法，市場(chǎng)上存在一些無(wú)源的零序濾波器或在N線中串聯(lián)三次諧波濾波器來(lái)阻斷三次諧波的通路等無(wú)源的方式，缺少相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制[3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)研究載波移相前后中性線對(duì)地電位變化規(guī)律，提出一種變頻器通道內(nèi)各相依次載波移相的中性線環(huán)流抑制方法。文獻(xiàn)[5]針對(duì)電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)和保護(hù)優(yōu)化進(jìn)行深入研究，提出一種新型聚類概念的自適應(yīng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)三相四線制諧波監(jiān)測(cè)式電氣火災(zāi)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(jìn)行反饋。文獻(xiàn)[7]提出了兩種三相四線制零線斷線檢測(cè)及保護(hù)裝置的思路。文獻(xiàn)[8]以中性線電流為過(guò)程監(jiān)測(cè)量，采用有功調(diào)配與無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合策略。文獻(xiàn)[9]以TEF抑制率和抑制效率為優(yōu)化目標(biāo),以直流電網(wǎng)中接地阻抗參數(shù)取值、接地點(diǎn)為優(yōu)化變量,同時(shí)考慮了中性線電抗和故障點(diǎn)的影響。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于分布式測(cè)量的中性線斷線故障識(shí)別與定位方法。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了智能繼電器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源通道的控制。針對(duì)電源通道過(guò)電流保護(hù)的要求,采用了選擇性過(guò)載保護(hù)、瞬動(dòng)保護(hù)和后備保險(xiǎn)絲三種保護(hù)方法,達(dá)到了對(duì)多種過(guò)電流情況的保護(hù)功能。

本文提出一種基于SNP中線安防保護(hù)器的N線過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)方法，并通過(guò)設(shè)置硬件電路實(shí)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的方法和軟件保護(hù)來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快、可靠性高、對(duì)電磁干擾、電源波動(dòng)等抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好可以及時(shí)反饋信息和切斷設(shè)備以保護(hù)設(shè)備和安全，同時(shí)成本較低。

2 N線過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)設(shè)計(jì)流程

2.1 N線電流產(chǎn)生的原因

在存在大量LED熒光燈/泛光燈和LED大屏等負(fù)載的現(xiàn)場(chǎng)，就會(huì)容易出現(xiàn)N線帶電的情況，其負(fù)荷類型為開(kāi)關(guān)電源型，開(kāi)關(guān)電源型負(fù)荷有2大特點(diǎn)：

1）負(fù)載電流進(jìn)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(kāi)關(guān)電源的無(wú)功本身屬于容性無(wú)功，如果主動(dòng)投入電容器的話，反而會(huì)使系統(tǒng)無(wú)功功率增加，出現(xiàn)功率因數(shù)快速降低的現(xiàn)象。

理論上N線產(chǎn)生電流的原因主要有兩方面：

1）A/B/C三相電流不平衡導(dǎo)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(duì)N線存在電流過(guò)大的問(wèn)題，可以通過(guò)SNP中線安防保護(hù)器進(jìn)行治理，其基本工作原理為通過(guò)互感器的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)并采集系統(tǒng)N線上過(guò)電流信息，經(jīng)內(nèi)部DSP和FPGA控制芯片快速計(jì)算并提取A/B/C每相各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，驅(qū)動(dòng)功率執(zhí)行器件IGBT逆變電路產(chǎn)生與過(guò)電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入N線，從而消除N線中過(guò)大的電流[14]。其工作機(jī)理如圖1所示。

圖1 SNP工作機(jī)理圖

2.3 N線過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)設(shè)計(jì)流程

SNP設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中總出現(xiàn)負(fù)載N線電流過(guò)大超過(guò)本身容量導(dǎo)致設(shè)備過(guò)補(bǔ)償，而影響到SNP設(shè)備使用壽命的情況。為了及時(shí)反饋設(shè)備的告警信息和保護(hù)設(shè)備安全，現(xiàn)提出了一種N相過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)系統(tǒng)的方法，其保護(hù)與檢測(cè)設(shè)計(jì)流程如下：

N相過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)方法基于硬件電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)整體包括觸摸屏、繼電器RL、N相過(guò)流硬件保護(hù)電路、WIFI通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊電路和通訊管理機(jī)等，其中觸摸屏、WIFI通訊模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路等作為設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸和N相過(guò)流情況的反饋的媒介；N相過(guò)流硬件保護(hù)電路作為過(guò)流保護(hù)工作的核心；繼電器RL作為連接外部斷路器或者報(bào)警系統(tǒng)。N相過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)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(jī)交互頁(yè)面上設(shè)有N線電流過(guò)流設(shè)定值，在不超過(guò)N線電流治理裕量的情況下可隨意進(jìn)行數(shù)值的設(shè)定。

步驟二，DSP和FPGA芯片采集提取A/B/C三相電流數(shù)據(jù)并計(jì)算出N相上3N次諧波電流值，并將其與N線電流設(shè)定值進(jìn)行比較。

步驟三，若檢測(cè)到N相上3N次諧波電流值超過(guò)N線電流的設(shè)定值時(shí)，內(nèi)部N相過(guò)流保護(hù)電路開(kāi)始動(dòng)作， FPGA發(fā)出信號(hào)，控制繼電器RL吸合。若外接斷路器或者報(bào)警系統(tǒng)（報(bào)警燈或者蜂鳴器等），繼電器RL發(fā)出干接點(diǎn)信號(hào)，用于外接控制SNP運(yùn)行電路的斷路器和報(bào)警系統(tǒng)。

步驟四， N線過(guò)流報(bào)警信息可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行查閱，用戶還通過(guò)WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路對(duì)SNP設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)巡檢人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)直接在手機(jī)端或者電腦端隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)SNP的數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況，方便運(yùn)維和管理。

圖2 N相過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)系統(tǒng)控制流程

3 WIFI和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SNP設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和N線過(guò)流的情況，一方面通過(guò)485總線傳輸?shù)接|摸屏，另一方面通過(guò)WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路進(jìn)行手機(jī)端或者電腦端的檢查，具體的通訊實(shí)施過(guò)程如下：

FPGA和DSP芯片內(nèi)部計(jì)算過(guò)程中，DSP芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的核心運(yùn)算，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輔助運(yùn)算。

圖3中DSP和FPGA芯片之間經(jīng)過(guò)串行外設(shè)接口SPI進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA的GPIO口（經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路）連接繼電器RL。采集提取和計(jì)算出來(lái)的N相上3N次諧波電流值暫放于FPGA內(nèi)部寄存器中，當(dāng)N相上3N次諧波電流值超過(guò)觸摸屏中的N相電流設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)出信號(hào)至繼電器RL。網(wǎng)絡(luò)通訊電路包括串行通訊的485總線1和485總線2，SNP設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA芯片傳輸至485總線1上，設(shè)備內(nèi)部的WIFI模塊分別連接485總線1和485總線2，通訊管理機(jī)和觸摸顯示屏也分別連接485總線2實(shí)現(xiàn)通訊。

SNP設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和N線過(guò)流情況通過(guò)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(guò)485芯片傳輸或者接收總線上的數(shù)據(jù)，因此可對(duì)內(nèi)部WIFI芯片的模式進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，一方面可以創(chuàng)建自己的局域網(wǎng)絡(luò)，另一方面也可加入現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)手機(jī)APP端或電腦PC端監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)。內(nèi)部的WIFI模塊收發(fā)端口再輸出信號(hào)通過(guò)485芯片傳遞給串行通訊的485總線2上，485總線2的數(shù)據(jù)通過(guò)RJ45接口接入通訊管理機(jī)，即可在電腦PC端監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中觸摸屏的通訊也是通過(guò)485總線2。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4為N相過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)系統(tǒng)的WIFI和網(wǎng)絡(luò)通訊原理圖，SNP設(shè)備的內(nèi)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(hào)在兩個(gè)方向上傳輸。當(dāng)WIFI模塊為主設(shè)備時(shí)，F(xiàn)PGA和DSP芯片則為從設(shè)備；當(dāng)觸摸屏為主設(shè)備時(shí)，WIFI模塊則識(shí)別自身為從設(shè)備；若遇到多個(gè)主設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)， WIFI模塊會(huì)自動(dòng)將接收到的多個(gè)主設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)處理，并將數(shù)據(jù)暫存于WIFI模塊內(nèi)部，等待其他主設(shè)備完成操作后，WIFI模塊繼任主設(shè)備。

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

圖4 WIFI和網(wǎng)絡(luò)通訊原理圖

4 N相過(guò)流保護(hù)硬件電路

上一節(jié)主要敘述了針對(duì)SNP的數(shù)據(jù)和N線過(guò)流情況的WIFI和網(wǎng)絡(luò)通訊的具體邏輯實(shí)現(xiàn)過(guò)程，由于本文提出的N線過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)方法是基于硬件電路實(shí)現(xiàn)的，因此本節(jié)具體描述和分析硬件電路保護(hù)的原理過(guò)程。

圖5為N相過(guò)流保護(hù)硬件電路原理圖。SNP設(shè)備內(nèi)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(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)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(guò)流保護(hù)電路原理主要為：

1）當(dāng)DSP和FPGA提取并計(jì)算出負(fù)載N相中的3N次諧波電流低于N相電流設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)PGA的73號(hào)引腳會(huì)輸出高電平信號(hào)，光耦合器P1內(nèi)部二極管不導(dǎo)通，中線安防保護(hù)器(SNP)正常運(yùn)行；

2）當(dāng)DSP和FPGA計(jì)算出的3N次諧波電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)PGA的73號(hào)引腳發(fā)出一個(gè)低電平的信號(hào)，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片U2將光信號(hào)輸入至光耦合器P1，光信號(hào)使光耦合器P1內(nèi)的三極管導(dǎo)通并輸出電信號(hào)，電阻R1通過(guò)將電信號(hào)限流后，通過(guò)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(nèi)部線圈兩端存在24v電壓差，繼電器RL的3和4兩端導(dǎo)通，繼而連接至外部數(shù)據(jù)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(kāi)關(guān)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(nèi)部器件輸出功率，電平轉(zhuǎn)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(dāng)繼電器關(guān)斷時(shí)為其內(nèi)部的線圈進(jìn)行續(xù)流工作。

N相過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)系統(tǒng)中的觸摸屏作為SNP中線安防保護(hù)器N線過(guò)流報(bào)警信息顯示的同時(shí)，又增加了繼電器RL干接點(diǎn)輸出信號(hào)，該信號(hào)可以用于外接可控?cái)嗦菲骱蛨?bào)警裝置，當(dāng)發(fā)生N線過(guò)流情況時(shí)，能及時(shí)斷開(kāi)SNP中線安放保護(hù)器以免出現(xiàn)設(shè)備損壞或者發(fā)出警報(bào)聲提醒用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文所提出的基于硬件電路的N相過(guò)流保護(hù)及檢測(cè)方法已應(yīng)用于SNP中線安防保護(hù)器產(chǎn)品中，下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況分析其功能的優(yōu)越性和實(shí)用性。

本次N相過(guò)流保護(hù)及檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是在測(cè)試N相電流補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的，并且以SNP中線安防保護(hù)器設(shè)備為主要測(cè)試對(duì)象，觸摸屏控制器作為數(shù)據(jù)設(shè)置和顯示媒介。具體測(cè)試流程如下：

1）設(shè)置諧波發(fā)生源的參數(shù)，讓其只發(fā)出3次諧波電流并記錄N線的電流大??；

2）通過(guò)SNP設(shè)備觸摸屏設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)，并設(shè)置N線的過(guò)流值。

由于考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)試的便捷性，現(xiàn)采用發(fā)光二極管對(duì)N線過(guò)流進(jìn)行反饋，發(fā)光二極管安裝在外部數(shù)據(jù)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(guò)電流輸出繼電器干接點(diǎn)信號(hào)口OUT1/OUT2連接的信號(hào)端子。

3）調(diào)節(jié)諧波源發(fā)生裝置，設(shè)置3次諧波電流為10 A，開(kāi)機(jī)啟動(dòng)SNP設(shè)備，將中線電流反饋功能打開(kāi)，同時(shí)設(shè)置N線過(guò)流值為50A。

4）調(diào)節(jié)諧波源發(fā)生裝置，設(shè)置3次諧波電流為20 A，N線電流設(shè)定值仍然為50A。

圖5 N相過(guò)流保護(hù)硬件電路原理圖

圖6 RL-OUT1和RL-OUT2反饋端子

具體試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 SNP設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)

3次諧波設(shè)置10A時(shí)，設(shè)備采集到N線電流30A左右低于設(shè)定值， N線電流未反饋，發(fā)光二極管不亮。3次諧波設(shè)置20A時(shí)但，設(shè)備采集到N線電流60A左右高于設(shè)定值，N線電流出現(xiàn)過(guò)流反饋，發(fā)光二極管開(kāi)始亮起，具體測(cè)試照片見(jiàn)圖7和圖8。

（a）SNP設(shè)備補(bǔ)償

（b）中線電流反饋

（c）N線電流設(shè)置

（d）反饋端子接二極管

圖7 N相電流未超過(guò)設(shè)定值

（e）SNP設(shè)備補(bǔ)償

（f）反饋端子接二極管

圖8 N相電流超過(guò)設(shè)定值

結(jié)合圖7、圖8和表1的結(jié)果，可觀察到N相設(shè)定值為50A，分別設(shè)置3次諧波負(fù)載源10A和20A，由于SNP設(shè)備本身存在零漂和測(cè)量裝置的精確度問(wèn)題，N線采集到的電流分別為28.5A和56.7A。當(dāng)采集計(jì)算到的負(fù)載N線中的電流超過(guò)觸摸屏中的N線電流設(shè)定值時(shí)，反饋端子上的二極管點(diǎn)亮，并顯示報(bào)警信號(hào)，若未超過(guò)設(shè)定值時(shí)則不亮，設(shè)備正常補(bǔ)償運(yùn)行。從互感器采集負(fù)載電流，到內(nèi)部FPGA芯片計(jì)算分析，至最終的繼電器動(dòng)作并發(fā)出干接點(diǎn)信號(hào)，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間控制在毫秒級(jí)以內(nèi)，響應(yīng)迅速。同時(shí)為了方便現(xiàn)場(chǎng)用戶更加及時(shí)觀察到SNP設(shè)備補(bǔ)償報(bào)警情況，可增加蜂鳴器設(shè)備。

N線過(guò)流保護(hù)與檢測(cè)是在設(shè)計(jì)內(nèi)部硬件電路保護(hù)上實(shí)現(xiàn)的，為了與和軟件過(guò)流保護(hù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)前期也進(jìn)行了軟件保護(hù)試驗(yàn)，其流程為：1）采樣三相輸出電流Ia、Ib和Ic，并計(jì)算In；2）計(jì)算各相RMS值，若任一相電流超過(guò)150%額定值且持續(xù)5ms，觸發(fā)保護(hù)；3）關(guān)閉PWM，觸發(fā)撬棒電路吸收能量，記錄故障代碼“OCP-PhaseX”。試驗(yàn)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(shù)配置和計(jì)算精度上誤差較大，因此在本文中不過(guò)多討論。

6 結(jié)論

本文提出的N相過(guò)流保護(hù)及檢測(cè)方法是基于硬件保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)SNP設(shè)備內(nèi)部FPGA和DSP芯片采集計(jì)算，并與N相電流設(shè)定值進(jìn)行比較，從而觸發(fā)內(nèi)部繼電器動(dòng)作并斷開(kāi)設(shè)備或報(bào)警。通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)和軟件保護(hù)測(cè)試分析，驗(yàn)證了此過(guò)流保護(hù)及檢測(cè)方法具備穩(wěn)定可靠性、響應(yīng)速度快和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的保護(hù)機(jī)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(shè)備過(guò)流保護(hù)提供了參考依據(jù)。

審核編輯 黃宇