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运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，使谐波成为滋扰电能质量乃至用户用电安全的主要成分。
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。
纵然三相负荷平衡，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失火，导致财产丢失和安全事件，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失火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。传统三相电能质量剖析仪大多只关注三相电压和电流的波形畸变情形，一些检测设备虽能检测中性线电流，但短缺对谐波电流的剖析，无法适用于谐波环境愈发繁芜的电力系统。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剖析的电气失火探测用具有主要意义。
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失火监控系统，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露。有文献比拟剖析神经网络、小波和改进窗函数傅里叶剖析算法，将谐波和间谐波的检测精度提升了几个数量级，但这些方法运用于以3次、9次等奇数次谐波为主的场合，增加了算法的繁芜性，此外工业生产领域对谐波监测的哀求更倾向于实时性，因此本研究采取更适宜实际运用的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。
谐波监测式电气失火监控系统硬件平台采取低功耗、低I/O延迟、低本钱的树莓派PICO作为主控板，其搭载高性能的RP2040芯片，双核处理器及133MHz的运行速率适用于打算量相对较大的FFT运算。设计采取三相计量芯片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剖析的同时，可对电压电流有效值、频率、功率等电能参数进行准确丈量，节省了主控芯片的打算包袱，更适用于像电气失火监控设备这类须要高时效性的设备，且硬件构造简洁、本钱较低，提高了系统的可靠性和经济性。系统整体硬件构造如图1所示，硬件实物如图2所示。
图1 系统整体硬件构造
图2 系统硬件实物
系统的软件设计包括主控芯片程序和上位机界面程序。上位机界面紧张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、谐波剖析程序、故障和报警程序及通信程序。系统主程序流程如图3所示。
图3 系统主程序流程
研究者指出，该谐波监测系统能兼顾中性线谐波剖析、精度高。以树莓派PICO进行谐波剖析，别的电参数由RN8302B芯片进行打算的架构减轻了系统CPU的事情包袱，增强了监测系统的实时性并提高了报警相应速率，更适用于电气失火监控的运用处景。监控系统在担保监测精度的条件下更稳定和更高性价比，可以运用于存在繁芜谐波环境的场合。
本事情成果揭橥在2023年第8期《电气技能》，论文标题为“谐波监测式电气失火监控系统设计”，作者为邹甲、刘祺 等。
