安科瑞 劉邁

　　摘要：隨著經濟的發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。現場發現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，當N相的電流值超過設定值時，內部繼電器發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火災的發生。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，普遍存在以下痛點：運維效率低、響應慢、運維過程不規范、巡檢過程難以監管、運行大數據缺少分析等。當SNP設備N線過流或出現其他故障時,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律，提出一種變頻器通道內各相依次載波移相的中性線環流抑制方法。文針對電網自適應保護和保護優化進行深入研究，提出一種新型聚類概念的自適應保護實現方法。設計三相四線制諧波監測式電氣火災監控系統。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化目標,以直流電網中接地阻抗參數取值、接地點為優化變量,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，相較于傳統的方法和軟件保護來說，其優點在于響應速度快、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大屏等負載的現場，就會容易出現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，反而會使系統無功功率增加，出現功率因數快速降低的現象。

　　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節并采集系統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設備在現場運行中總出現負載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，現提出了一種N相過流保護與檢測系統的方法，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，系統整體包括觸摸屏、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。N相過流保護與檢測系統控制流程如圖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發出信號，控制繼電器RL吸合。若外接斷路器或者報警系統（報警燈或者蜂鳴器等），繼電器RL發出干接點信號，用于外接控制SNP運行電路的斷路器和報警系統。

　　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設備進行數據監測和控制運行。現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控制流程

　　3 WIFI和網絡通訊系統結構

　　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，FPGA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，FPGA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，FPGA發出信號至繼電器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實現通訊。

　　SNP設備運行數據和N線過流情況通過485收發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，一方面可以創建自己的局域網絡，另一方面也可加入現場現有的網絡，通過手機APP端或電腦PC端監測運行數據。內部的WIFI模塊收發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  系統結構圖

　　圖4為N相過流保護與檢測系統的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，FPGA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的，因此本節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，FPGA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，FPGA的73號引腳發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，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流工作。

　　N相過流保護與檢測系統中的觸摸屏作為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設備損壞或者發出警報聲提醒用戶及時發現設備問題。

　　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）設置諧波發生源的參數，讓其只發出3次諧波電流并記錄N線的電流大小；

　　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，現采用發光二極管對N線過流進行反饋，發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）調節諧波源發生裝置，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）調節諧波源發生裝置，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線電流出現過流反饋，發光二極管開始亮起，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5ms，觸發保護；3）關閉PWM，觸發撬棒電路吸收能量，記錄故障代碼“OCP-PhaseX"。試驗后發現易受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定可靠性、響應速度快和實時性好等優點，相對于傳統的保護機制，成本較低效果好，為電力電子行業中逆變器/濾波器等設備過流保護提供了參考依據。

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