安科瑞 王晶淼 Acrel-wjm
摘要：随着经济的发展和科学技术的不断进步，在实际生产和生活中LED灯及LED屏等非线性负载被广泛应用，此类设备会产生3N次谐波从而导致N线电流过大，通过在末端配置SNP中线安防保护器进行N线治理。现场发现SNP设备数量较多，巡检人员需逐一排查，运维效率较低。当存在N线过流或其他故障时，不能得到及时反馈，导致模块损坏而造成经济损失。本文提出一种基于SNP中线安防保护器的N线过流保护与检测方法并通过内部硬件电路实现，当N相的电流值超过设定值时，内部继电器发出干接点信号用于控制SNP设备关机和报警，同时用户可通过WIFI模块和网络通讯电路进行数据监测和控制运行。最后通过实验验证了该方法的实用性和安全性，具有及时反馈信息、保护设备安全和方便运维等优点。
关键词： 3N次谐波；中性线电流；N线电流治理；SNP中线安防保护器；过流保护与检测
1 引言
社会经济和科技的发展推动着通信技术、计算机技术、光电技术等的不断进步，在实际生产和生活中现代电力电子非线性负载设备等被广泛应用，此设备产生3N次谐波以及三相不平衡等问题的存在会导致中性线电流过大，造成N线绝缘层老化起火从而引发火灾的发生。SNP设备数量多，导致数据量大，日常的运行维护工作比较传统，普遍存在以下痛点：运维效率低、响应慢、运维过程不规范、巡检过程难以监管、运行大数据缺少分析等。当SNP设备N线过流或出现其他故障时,通常在其触摸屏上显示故障报警信息，故障信息不能得到及时反馈，导致模块损坏，造成不必要的经济损失。
针对N相电流的治理方法，市场上存在一些无源的零序滤波器或在N线中串联三次谐波滤波器来阻断三次谐波的通路等无源的方式，缺少相应的保护机制。
本文提出一种基于SNP中线安防保护器的N线过流保护与检测方法，并通过设置硬件电路实现，相较于传统的方法和软件保护来说，其优点在于响应速度快、可靠性高、对电磁干扰、电源波动等抗干扰能力强、实时性好可以及时反馈信息和切断设备以保护设备和安全，同时成本较低。
2 N线过流保护与检测设计流程
2.1 N线电流产生的原因
在存在大量LED荧光灯/泛光灯和LED大屏等负载的现场，就会容易出现N线带电的情况，其负荷类型为开关电源型，开关电源型负荷有2大特点：
1）负载电流进行有效值分解后，谐波电流以3次谐波电流为主，电流畸变率THDi一般在70%-120%之间。
2）开关电源的无功本身属于容性无功，如果主动投入电容器的话，反而会使系统无功功率增加，出现功率因数快速降低的现象。
理论上N线产生电流的原因主要有两方面：
1）A/B/C三相电流不平衡导致N线上有零序电流的存在；
2）A/B/C三相电流中3N次谐波电流（零序电流）在N线上线性叠加。
2.2 N线电流治理的基本原理
针对N线存在电流过大的问题，可以通过SNP中线安防保护器进行治理，其基本工作原理为通过互感器的电流检测环节并采集系统N线上过电流信息，经内部DSP和FPGA控制芯片快速计算并提取A/B/C每相各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，驱动功率执行器件IGBT逆变电路产生与过电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入N线，从而消除N线中过大的电流。其工作机理如图1所示。
图1 SNP工作机理图
2.3 N线过流保护与检测设计流程
SNP设备在现场运行中总出现负载N线电流过大超过本身容量导致设备过补偿，而影响到SNP设备使用寿命的情况。为了及时反馈设备的告警信息和保护设备安全，现提出了一种N相过流保护与检测系统的方法，其保护与检测设计流程如下：
N相过流保护与检测方法基于硬件电路实现，系统整体包括触摸屏、继电器RL、N相过流硬件保护电路、WIFI通讯模块、网络通讯电路和通讯管理机等，其中触摸屏、WIFI通讯模块和网络通讯电路等作为设备运行数据传输和N相过流情况的反馈的媒介；N相过流硬件保护电路作为过流保护工作的核心；继电器RL作为连接外部断路器或者报警系统。N相过流保护与检测系统控制流程如图2所示，具体步骤如下。
步骤一，触摸屏的人机交互页面上设有N线电流过流设定值，在不超过N线电流治理裕量的情况下可随意进行数值的设定。
步骤二，DSP和FPGA芯片采集提取A/B/C三相电流数据并计算出N相上3N次谐波电流值，并将其与N线电流设定值进行比较。
步骤三，若检测到N相上3N次谐波电流值超过N线电流的设定值时，内部N相过流保护电路开始动作， FPGA发出信号，控制继电器RL吸合。若外接断路器或者报警系统（报警灯或者蜂鸣器等），继电器RL发出干接点信号，用于外接控制SNP运行电路的断路器和报警系统。
步骤四， N线过流报警信息可通过触摸屏进行查阅，用户还通过WIFI模块和网络通讯电路对SNP设备进行数据监测和控制运行。现场巡检人员通过网络信号直接在手机端或者电脑端随时随地监测SNP的数据和运行情况，方便运维和管理。
图2 N相过流保护与检测系统控制流程
3 WIFI和网络通讯系统结构
SNP设备的运行数据和N线过流的情况，一方面通过485总线传输到触摸屏，另一方面通过WIFI模块和网络通讯电路进行手机端或者电脑端的检查，具体的通讯实施过程如下：
FPGA和DSP芯片内部计算过程中，DSP芯片负责数据的核心运算，FPGA负责数据的辅助运算。
图3中DSP和FPGA芯片之间经过串行外设接口SPI进行通讯，FPGA的GPIO口（经过转换电路）连接继电器RL。采集提取和计算出来的N相上3N次谐波电流值暂放于FPGA内部寄存器中，当N相上3N次谐波电流值超过触摸屏中的N相电流设定值时，FPGA发出信号至继电器RL。网络通讯电路包括串行通讯的485总线1和485总线2，SNP设备的数据通过FPGA芯片传输至485总线1上，设备内部的WIFI模块分别连接485总线1和485总线2，通讯管理机和触摸显示屏也分别连接485总线2实现通讯。
SNP设备运行数据和N线过流情况通过485收发器芯片传递给串行通讯的485总线1上，WIFI模块也通过485芯片传输或者接收总线上的数据，因此可对内部WIFI芯片的模式进行相应设置，一方面可以创建自己的局域网络，另一方面也可加入现场现有的网络，通过手机APP端或电脑PC端监测运行数据。内部的WIFI模块收发端口再输出信号通过485芯片传递给串行通讯的485总线2上，485总线2的数据通过RJ45接口接入通讯管理机，即可在电脑PC端监测设备的运行数据，其中触摸屏的通讯也是通过485总线2。
图3 系统结构图
图4为N相过流保护与检测系统的WIFI和网络通讯原理图，SNP设备的内部的485总线1和485总线2接口均为半双工通信接口（Half-duplex），允许信号在两个方向上传输。当WIFI模块为主设备时，FPGA和DSP芯片则为从设备；当触摸屏为主设备时，WIFI模块则识别自身为从设备；若遇到多个主设备的数据时， WIFI模块会自动将接收到的多个主设备的数据进行排队处理，并将数据暂存于WIFI模块内部，等待其他主设备完成操作后，WIFI模块继任主设备。
当SNP模块工作时， WIFI模块首先判断自身是否为主设备，如果不是主设备，则将自身运行模式设置为从设备，等待其他主设备完成操作后，继任主设备；如果是主设备，则将自身运行模式设置为主设备。
图4 WIFI和网络通讯原理图
4 N相过流保护硬件电路
上一节主要叙述了针对SNP的数据和N线过流情况的WIFI和网络通讯的具体逻辑实现过程，由于本文提出的N线过流保护与检测方法是基于硬件电路实现的，因此本节具体描述和分析硬件电路保护的原理过程。
图5为N相过流保护硬件电路原理图。SNP设备内部的FPGA芯片与继电器RL的连接电路包括：
1）FPGA芯片输出的信号通过电平转换芯片U2连接至光耦合器P1；
2）光耦合器P1连接电阻R1并接地，然后依次连接电阻R2、电阻R3、并联的NMOS管Q1和NMOS管Q2、滤波电容C1至继电器RL的线圈；
3）继电器RL的线圈两端连接二极管D1；电阻R3一端连接NMOS管的栅极，另一端连接漏极并接地；
N相过流保护电路原理主要为：
1）当DSP和FPGA提取并计算出负载N相中的3N次谐波电流低于N相电流设定值时，FPGA的73号引脚会输出高电平信号，光耦合器P1内部二极管不导通，中线安防保护器(SNP)正常运行；
2）当DSP和FPGA计算出的3N次谐波电流超过设定值时，FPGA的73号引脚发出一个低电平的信号，通过电平转换芯片U2将光信号输入至光耦合器P1，光信号使光耦合器P1内的三极管导通并输出电信号，电阻R1通过将电信号限流后，通过电阻R3在NMOS管Q1和Q2栅极和源极之间形成电压，使DO2拉低至低电位，使继电器RL内部线圈两端存在24v电压差，继电器RL的3和4两端导通，继而连接至外部数据线端子5和6；
3）滤波电容C1与NMOS管Q1和Q2并联，其目的用于滤除开关电源输出24v的纹波和尖峰脉冲等；
4）NMOS管Q1和Q2的作用是为了提升内部器件输出功率，电平转换芯片U2的作用是为了芯片端电平和外部电平兼容，二极管D1用于当继电器关断时为其内部的线圈进行续流工作。
N相过流保护与检测系统中的触摸屏作为SNP中线安防保护器N线过流报警信息显示的同时，又增加了继电器RL干接点输出信号，该信号可以用于外接可控断路器和报警装置，当发生N线过流情况时，能及时断开SNP中线安放保护器以免出现设备损坏或者发出警报声提醒用户及时发现设备问题。
5 实验测试
本文所提出的基于硬件电路的N相过流保护及检测方法已应用于SNP中线安防保护器产品中，下面结合实验测试情况分析其功能的优越性和实用性。
本次N相过流保护及检测实验是在测试N相电流补偿实验中进行的，并且以SNP中线安防保护器设备为主要测试对象，触摸屏控制器作为数据设置和显示媒介。具体测试流程如下：
1）设置谐波发生源的参数，让其只发出3次谐波电流并记录N线的电流大小；
2）通过SNP设备触摸屏设置补偿参数，并设置N线的过流值。
由于考虑到实验测试的便捷性，现采用发光二极管对N线过流进行反馈，发光二极管安装在外部数据线端子RL-OUT1和RL-OUT2处，其照片如图6所示，其中RL-OUT1和RL-OUT2为N线过电流输出继电器干接点信号口OUT1/OUT2连接的信号端子。
3）调节谐波源发生装置，设置3次谐波电流为10 A，开机启动SNP设备，将中线电流反馈功能打开，同时设置N线过流值为50A。
4）调节谐波源发生装置，设置3次谐波电流为20 A，N线电流设定值仍然为50A。
图6 RL-OUT1和RL-OUT2反馈端子
具体试验测试数据见表1。
表1 SNP设备测试数据
3次谐波设置10A时，设备采集到N线电流30A左右低于设定值， N线电流未反馈，发光二极管不亮。3次谐波设置20A时但，设备采集到N线电流60A左右高于设定值，N线电流出现过流反馈，发光二极管开始亮起，具体测试照片见图7和图8。
（a）SNP设备补偿
（b）中线电流反馈
（c）N线电流设置
（d）反馈端子接二极管
图7 N相电流未超过设定值
（e）SNP设备补偿
（f）反馈端子接二极管
图8 N相电流超过设定值
结合图7、图8和表1的结果，可观察到N相设定值为50A，分别设置3次谐波负载源10A和20A，由于SNP设备本身存在零漂和测量装置的准确度问题，N线采集到的电流分别为28.5A和56.7A。当采集计算到的负载N线中的电流超过触摸屏中的N线电流设定值时，反馈端子上的二极管点亮，并显示报警信号，若未超过设定值时则不亮，设备正常补偿运行。从互感器采集负载电流，到内部FPGA芯片计算分析，至后续的继电器动作并发出干接点信号，整个动作时间控制在毫秒级以内，响应迅速。同时为了方便现场用户更加及时观察到SNP设备补偿报警情况，可增加蜂鸣器设备。
N线过流保护与检测是在设计内部硬件电路保护上实现的，为了与和软件过流保护进行对比，实验前期也进行了软件保护试验，其流程为：1）采样三相输出电流Ia、Ib和Ic，并计算In；2）计算各相RMS值，若任一相电流超过150%额定值且持续5ms，触发保护；3）关闭PWM，触发撬棒电路吸收能量，记录故障代码“OCP-PhaseX”。试验后发现易受ADC采样噪声、程序跑飞、电磁干扰或通信干扰影响，可能误判或漏判故障，而且在参数配置和计算精度上误差较大，因此在本文中不过多讨论。
6 结论
本文提出的N相过流保护及检测方法是基于硬件保护电路实现的，通过SNP设备内部FPGA和DSP芯片采集计算，并与N相电流设定值进行比较，从而触发内部继电器动作并断开设备或报警。通过硬件实验和软件保护测试分析，验证了此过流保护及检测方法具备稳定可靠性、响应速度快和实时性好等优点，相对于传统的保护机制，成本较低效果好，为电力电子行业中逆变器/滤波器等设备过流保护提供了参考依据。
审核编辑 黄宇
