可检测中性线电流谐波的电气火灾监控系统
Electrical fire monitoring system that detects neutral current harmonics
针对传统设备大多无法检测电气线路中性线电流谐波的问题，中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院的邹甲、刘祺、欧明端、杨瀚森，在2023年第8期《电气技术》上撰文，设计三相四线制谐波监测式电气火灾监控系统。该监控系统可以实现对中性线的谐波电流分析，加窗插值算法可以有效减少截断带来的FFT频谱泄漏，谐波电流检测精度高，系统报警响应速度快。在国家从大力推动风电和太阳能发电等新能源领域的发展到实现“双碳”节能减排目标的新发展理念的推动下，越来越多的电力电子装置被广泛应用于电力系统和工业生产中，加重了电力谐波对电网运行的危害，使谐波成为干扰电能质量乃至用户用电安全的重要因素。在含有谐波源的三相四线制配电系统中，三相负荷很难平衡，三相零序电流流过中性线。当谐波与非谐波源用电设备混接在同一相时，谐波电流与不平衡电流叠加，使中性线电流增大，从而导致中性线严重过负荷。即使三相负荷平衡，由于三相电流的3的倍数次谐波相位相同，无法在中性点相互抵消，因此这些谐波仍会在中性线叠加。当某些高次谐波在中性线叠加过多时，不仅会影响电网正常运行，而且大电流产生的高温极易引发电气火灾，导致财产损失和安全事故，有文献提出的传统测温式、剩余电流式及热解粒子式等电气火灾监控设备无法从源头预防这一问题。
近年来，谐波监测在消防领域也倍受重视。传统三相电能质量分析仪大多只关注三相电压和电流的波形畸变情况，一些检测设备虽能检测中性线电流，但缺少对谐波电流的分析，无法适用于谐波环境愈发复杂的电力系统。因此，设计一种精度高且实时性强，尤其是可以对中性线进行谐波分析的电气火灾探测器具有重要意义。
中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院的研究者设计出一种三相四线制谐波监测式电气火灾监控系统，通过快速傅里叶变换（FFT）和加窗插值算法减少截断带来的频谱泄漏。有文献对比分析神经网络、小波和改进窗函数傅里叶分析算法，将谐波和间谐波的检测精度提升了几个数量级，但这些方法应用于以3次、9次等奇数次谐波为主的场合，增加了算法的复杂性，此外工业生产领域对谐波监测的要求更偏向于实时性，因此本研究采用更适合实际应用的FFT和加窗插值算法，并通过仿真和实物测试验证算法和硬件的可靠性。谐波监测式电气火灾监控系统硬件平台采用低功耗、低I/O延迟、低成本的树莓派PICO作为主控板，其搭载高性能的RP2040芯片，双核处理器及133MHz的运行速度适用于计算量相对较大的FFT运算。设计采用三相计量芯片RN8302B作为采集板和计量单元。
该系统在确保主控芯片能快速进行电力谐波分析的同时，可对电压电流有效值、频率、功率等电能参数进行准确测量，节省了主控芯片的计算负担，更适用于像电气火灾监控设备这类需要高时效性的设备，且硬件结构简洁、成本较低，提高了系统的可靠性和经济性。系统整体硬件结构如图1所示，硬件实物如图2所示。
系统整体硬件结构图
硬件实物图
系统的软件设计包括主控芯片程序和上位机界面程序。上位机界面主要包括电能数据实时监测界面、实时谐波含量界面和报警界面。主控芯片程序包括主循环、电能数据传输程序、谐波分析程序、故障和报警程序及通信程序。系统主程序流程如图3所示。
系统主程序流程图
研究者指出，该谐波监测系统能兼顾中性线谐波分析、精度高。以树莓派PICO进行谐波分析，其余电参数由RN8302B芯片进行计算的架构减轻了系统CPU的工作负担，增强了监测系统的实时性并提高了报警响应速度，更适用于电气火灾监控的应用场景。监控系统在保证监测精度的前提下更稳定和更高性价比，可以应用于存在复杂谐波环境的场合。