安科瑞 劉秋霞

　　摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，在實際生產(chǎn)和生活中LED燈及LED屏等非線性負載被廣泛應(yīng)用，此類設(shè)備會產(chǎn)生3N次諧波從而導(dǎo)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(shè)備數(shù)量較多，巡檢人員需逐一排查，運維效率較低。當(dāng)存在N線過流或其他故障時，不能得到及時反饋，最終導(dǎo)致模塊損壞而造成經(jīng)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(nèi)部硬件電路實現(xiàn)，當(dāng)N相的電流值超過設(shè)定值時，內(nèi)部繼電器發(fā)出干接點信號用于控制SNP設(shè)備關(guān)機和報警，同時用戶可通過WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路進行數(shù)據(jù)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(shè)備安全和方便運維等優(yōu)點。

　　關(guān)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(jīng)濟和科技的發(fā)展推動著通信技術(shù)、計算機技術(shù)、光電技術(shù)等的不斷進步，在實際生產(chǎn)和生活中現(xiàn)代電力電子非線性負載設(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題的存在會導(dǎo)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(zāi)的發(fā)生。SNP設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(yīng)慢、運維過程不規(guī)范、巡檢過程難以監(jiān)管、運行大數(shù)據(jù)缺少分析等。當(dāng)SNP設(shè)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(dǎo)致模塊損壞，造成不必要的經(jīng)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(yīng)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(nèi)各相依次載波移相的中性線環(huán)流抑制方法。文針對電網(wǎng)自適應(yīng)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(yīng)保護實現(xiàn)方法。設(shè)計三相四線制諧波監(jiān)測式電氣火災(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(diào)配與無功補償相結(jié)合策略。文獻[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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)備以保護設(shè)備和安全，同時成本較低。

　　2 N線過流保護與檢測設(shè)計流程

　　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(guān)電源型，開關(guān)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(guān)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(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(jīng)內(nèi)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(chǎn)生諧波電流指令，驅(qū)動功率執(zhí)行器件IGBT逆變電路產(chǎn)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(shè)計流程

　　SNP設(shè)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(dǎo)致設(shè)備過補償，而影響到SNP設(shè)備使用壽命的情況。為了及時反饋設(shè)備的告警信息和保護設(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)通訊電路和通訊管理機等，其中觸摸屏、WIFI通訊模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路等作為設(shè)備運行數(shù)據(jù)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(shè)有N線電流過流設(shè)定值，在不超過N線電流治理裕量的情況下可隨意進行數(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(shè)定值時，內(nèi)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(wǎng)絡(luò)通訊電路對SNP設(shè)備進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制運行?，F(xiàn)場巡檢人員通過網(wǎng)絡(luò)信號直接在手機端或者電腦端隨時隨地監(jiān)測SNP的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　SNP設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和N線過流的情況，一方面通過485總線傳輸?shù)接|摸屏，另一方面通過WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部計算過程中，DSP芯片負責(zé)數(shù)據(jù)的核心運算，F(xiàn)PGA負責(zé)數(shù)據(jù)的輔助運算。

　　圖3中DSP和FPGA芯片之間經(jīng)過串行外設(shè)接口SPI進行通訊，F(xiàn)PGA的GPIO口（經(jīng)過轉(zhuǎn)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(nèi)部寄存器中，當(dāng)N相上3N次諧波電流值超過觸摸屏中的N相電流設(shè)定值時，F(xiàn)PGA發(fā)出信號至繼電器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，通訊管理機和觸摸顯示屏也分別連接485總線2實現(xiàn)通訊。

　　SNP設(shè)備運行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，因此可對內(nèi)部WIFI芯片的模式進行相應(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)場現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，通過手機APP端或電腦PC端監(jiān)測運行數(shù)據(jù)。內(nèi)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(shù)據(jù)通過RJ45接口接入通訊管理機，即可在電腦PC端監(jiān)測設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，其中觸摸屏的通訊也是通過485總線2。

圖3  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖4為N相過流保護與檢測系統(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]，允許信號在兩個方向上傳輸。當(dāng)WIFI模塊為主設(shè)備時，F(xiàn)PGA和DSP芯片則為從設(shè)備；當(dāng)觸摸屏為主設(shè)備時，WIFI模塊則識別自身為從設(shè)備；若遇到多個主設(shè)備的數(shù)據(jù)時， WIFI模塊會自動將接收到的多個主設(shè)備的數(shù)據(jù)進行排隊處理，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， 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相過流保護硬件電路

　　上一節(jié)主要敘述了針對SNP的數(shù)據(jù)和N線過流情況的WIFI和網(wǎng)絡(luò)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(shè)備內(nèi)部的FPGA芯片與繼電器RL的連接電路包括：

　　1）FPGA芯片輸出的信號通過電平轉(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相過流保護電路原理主要為：

　　1）當(dāng)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(shè)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(nèi)部二極管不導(dǎo)通，中線安防保護器(SNP)正常運行；

　　2）當(dāng)DSP和FPGA計算出的3N次諧波電流超過設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)的三極管導(dǎo)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(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)斷時為其內(nèi)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(dāng)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(shè)備損壞或者發(fā)出警報聲提醒用戶及時發(fā)現(xiàn)設(shè)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(yīng)用于SNP中線安防保護器產(chǎn)品中，下面結(jié)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(shè)備為主要測試對象，觸摸屏控制器作為數(shù)據(jù)設(shè)置和顯示媒介。具體測試流程如下：

　　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SNP設(shè)備觸摸屏設(shè)置補償參數(shù)，并設(shè)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(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線過電流輸出繼電器干接點信號口OUT1/OUT2連接的信號端子。

　　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，開機啟動SNP設(shè)備，將中線電流反饋功能打開，同時設(shè)置N線過流值為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(shù)據(jù)見表1。

　　表1  SNP設(shè)備測試數(shù)據(jù)

　　3次諧波設(shè)置10A時，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(shè)備補償

（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相電流未超過設(shè)定值

（e）SNP設(shè)備補償

（f）反饋端子接二極管

　　圖8  N相電流超過設(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次諧波負載源10A和20A，由于SNP設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)定值時則不亮，設(shè)備正常補償運行。從互感器采集負載電流，到內(nèi)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(nèi)，響應(yīng)迅速。同時為了方便現(xiàn)場用戶更加及時觀察到SNP設(shè)備補償報警情況，可增加蜂鳴器設(shè)備。

　　N線過流保護與檢測是在設(shè)計內(nèi)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(guān)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(shù)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(jié)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(shè)備內(nèi)部FPGA和DSP芯片采集計算，并與N相電流設(shè)定值進行比較，從而觸發(fā)內(nèi)部繼電器動作并斷開設(shè)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(yīng)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(shè)備過流保護提供了參考依據(jù)。

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