王玉梅, 丁 航, 王樂樂

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引 言

利用通信技術(shù)是解決煤礦井下繼電保護(hù)系統(tǒng)越級(jí)跳閘最為有效的方法[1,2]。近年來隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展,不少研究學(xué)者提出了基于EtherCAT通信協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)[3,4]。煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)為典型的分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng),EtherCAT的應(yīng)用能夠解決如實(shí)時(shí)數(shù)傳輸、精準(zhǔn)時(shí)鐘同步、靈活拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等諸多系統(tǒng)問題,同時(shí)以微秒(μs)級(jí)實(shí)時(shí)傳輸效率,將EtherCAT應(yīng)用于井下高壓綜保器,可構(gòu)建滿足實(shí)時(shí)性的防越級(jí)系統(tǒng)[5]。本文利用EtherCAT通信協(xié)議[6,7],在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò),利用德國(guó)TwinCAT軟件實(shí)時(shí)內(nèi)核,在Windows操作系統(tǒng)下建立監(jiān)控主站軟件系統(tǒng)；以可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)從站模擬井下高壓綜保器；基于PC強(qiáng)大的運(yùn)算能力,采用PLC編程,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層自動(dòng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備層繼電器驅(qū)動(dòng)控制的過程,并研究基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 建立基于EtherCAT防越級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示,基于EtherCAT電力監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成:基于TwinCAT的PC主站、支持EtherCAT通信的PLC從站及EtherCAT網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)邏輯功能具體實(shí)現(xiàn)包括：

1)TwinCAT主站實(shí)現(xiàn)從站硬件功能,通過EtherCAT總線連接到PLC控制器,控制從站上傳數(shù)據(jù)及下發(fā)監(jiān)控指令；

2)從站PLC CX8010通過耦合模塊E-bus連接到EL3104,EL1008和EL2008傳感器模塊,完成對(duì)所在供電線路的監(jiān)視、測(cè)量、控制、保護(hù),并向CX1080傳輸對(duì)應(yīng)線路的各種電氣量及繼電器狀態(tài)量。

圖1 EtherCAT通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 建立井下供電網(wǎng)絡(luò)

在實(shí)驗(yàn)室條件下,搭建煤礦井下三級(jí)供電網(wǎng)絡(luò),如圖2所示,電源端380 V電壓經(jīng)過三相調(diào)壓器獲得,Zl,Z12,Z22,Z32表示線路阻抗和負(fù)荷阻抗,K10,K11,K12,K20,K21,K22,K30,K31,K32表示線路斷路器JQX—13F型繼電器。

圖2 井下三級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)

2 EtherCAT總線網(wǎng)路

本文EtherCAT監(jiān)控系統(tǒng)中,設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)的5類非屏蔽雙絞線(unshielded twisted pair,UTP)線纜,在系統(tǒng)物理層,由于EtherCAT數(shù)據(jù)幀完全兼容于以太網(wǎng),使用普通的RJ45接口作為網(wǎng)絡(luò)端口連接主站與從站。

2.1 主站系統(tǒng)

EtherCAT主站設(shè)備需要在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期中為各個(gè)從站處理、接收和下發(fā)數(shù)據(jù)幀[8]?；诠た貦C(jī)主站中,只需裝有直接內(nèi)存存取(direct memory access,DMA)功能的網(wǎng)卡,就可實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的接收與發(fā)送。

主站選用BECKHOFF的C5102—0030型工控機(jī),該機(jī)型通過裝載的TwinCAT軟件對(duì)從站進(jìn)行配置。TwinCAT軟件System Manager完成主站“邏輯空間”到從站“物理空間”的關(guān)系映射；PLC Control完成對(duì)從站I/O設(shè)備的配置任務(wù)；Scope View主要完成采集數(shù)據(jù)的在線顯示功能。

2.2 從站系統(tǒng)

系統(tǒng)從站由PLC裝載從站控制器“協(xié)議芯片”(EtherCAT slave controller,ESC) ET1200實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)部有一個(gè)雙端口RAM,實(shí)現(xiàn)主站與從站間數(shù)據(jù)交換,并提供“邏輯控制單元”FMMU(fieldbus memory management unit)降低主站和從站通信時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分的系統(tǒng)用時(shí)。CX8010帶有EtherCAT接口通過UTP線纜直接與工控機(jī)相連。由圖1可知,從站掛載傳感器采用線狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中各從站以環(huán)形拓?fù)湟来芜B接,最簡(jiǎn)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時(shí)達(dá)到很高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與控制精度。

3 故障判定算法

本文故障判定算法根據(jù)系統(tǒng)模型建立故障判定矩陣[9],故障判斷流程如圖3所示。

圖3 故障矩陣算法流程

井下電網(wǎng)為單電源供電網(wǎng)絡(luò),電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)單向流動(dòng)特性,通過分析井下供電網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu),確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并對(duì)各節(jié)點(diǎn)的保護(hù)裝置進(jìn)行編號(hào),以電源端流向負(fù)載端的功率方向作為正方向,根據(jù)各配電點(diǎn)之間的有向連接關(guān)系構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。

設(shè)系統(tǒng)中共n個(gè)節(jié)點(diǎn),則網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D為n階方陣,即D=[dij]m×n,若節(jié)點(diǎn)i與j之間存在邏輯映射關(guān)系,且節(jié)點(diǎn)i為信號(hào)發(fā)送方,節(jié)點(diǎn)j為接收方,則dij=1;否則dij=0。

當(dāng)井下供配電線路某處發(fā)生短路故障時(shí),故障處的保護(hù)裝置檢測(cè)到線路電流增大,故障點(diǎn)上游的各保護(hù)裝置均會(huì)流過故障電流,則對(duì)應(yīng)的保護(hù)裝置均會(huì)上傳故障信號(hào),則主站根據(jù)收到的故障信號(hào)形成故障信息矩陣F=[f1,f2,…,fn]。當(dāng)保護(hù)裝置上傳故障信息時(shí),fn=1,否則,fn=0。

為避免因某個(gè)線路保護(hù)裝置故障或者誤判,導(dǎo)致故障信息不能準(zhǔn)確上傳,需要對(duì)故障信息矩陣F進(jìn)行修正,即當(dāng)fn=1時(shí),流過故障電流的節(jié)點(diǎn)fi均置1。

如果P中某一行不止一個(gè)元素為1,則故障點(diǎn)在下一級(jí)；如果只有一個(gè)元素為1,則故障點(diǎn)就在該線路,即故障點(diǎn)位置。

4 防越級(jí)跳閘實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建仿真系統(tǒng),如圖4所示。系統(tǒng)共有9個(gè)從站,現(xiàn)對(duì)第三級(jí)配電點(diǎn)第二條出線(32#)發(fā)生短路故障時(shí),PLC中模擬量與開關(guān)量狀態(tài)變化,進(jìn)行防越級(jí)跳閘分析。實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)及PLC程序運(yùn)行過程可通過主站TwinCAT軟件進(jìn)行在線讀取。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物仿真

4.1 從站功能分析

第三級(jí)配電點(diǎn)32#處發(fā)生短路故障,32#從站程序運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 32#PLC控制器運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)PLC控制器32_25D768處理測(cè)得a相電流超過設(shè)定閾值,PLC控制器向繼電器下發(fā)分閘指令,完成速斷保護(hù)動(dòng)作。PLC控制器接收到分閘指令,REACT狀態(tài)由REACT=16# 0000變?yōu)镽EACT=16# 0001,ACT由正常情況下ACT=FLASE變?yōu)锳CT=TRUE,繼電器由STATE1=FLASE變?yōu)镾TATE1=TRUE狀態(tài),繼電器此時(shí)處于分閘狀態(tài)。

4.2 故障矩陣判定結(jié)果分析

利用TwinCAT PLC Control功能,在主站內(nèi)采用PLC結(jié)構(gòu)化文本(ST)編程語(yǔ)言建立供電網(wǎng)絡(luò)故障判定矩陣數(shù)學(xué)模型,并使用TwinCAT System Manager實(shí)現(xiàn)各個(gè)從站狀態(tài)在線顯示。

以從站32#所在供電回路處發(fā)生故障為例,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),經(jīng)故障矩陣算法處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 故障判定矩陣運(yùn)行結(jié)果

ACT32=16# 0000表示32#出線處于正常狀態(tài),無(wú)短路故障發(fā)生,當(dāng)32#出線處發(fā)生短路故障時(shí),經(jīng)故障判定矩陣判斷出ACT32=ACTMotors[9]=16# 0001,表示32#處發(fā)生短路故障,其余從站(10#～31#)故障矩陣判定結(jié)果為ACT=16# 0000,表示其余從站處無(wú)故障發(fā)生,從站繼電器保持閉鎖狀態(tài)。此時(shí),32#從站接收到跳閘指令(即ACT32=16# 0001),主站向故障所在從站下發(fā)跳閘指令,控制繼電器跳閘,切除故障所在線路,完成防越級(jí)跳閘功能。

4.3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

利用TwinCAT PLC Control中的 Sampling Trace功能對(duì)第三級(jí)配電點(diǎn)的32#出線的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析。

以a相電流、繼電器指令信號(hào)、繼電器開關(guān)狀態(tài)變化作為分析對(duì)象,當(dāng)32#出線處發(fā)生短路故障時(shí),從檢測(cè)到短路故障發(fā)生到繼電器完成跳閘動(dòng)作所消耗的時(shí)間,分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,其時(shí)序傳輸如圖7所示。

圖7 信號(hào)傳輸時(shí)序

可以看出,在第t=615 ms時(shí)主站接收到的電流數(shù)據(jù)開始變大,表示發(fā)生了短路故障,同時(shí)32#PLC向主站上送的故障信息由0變?yōu)?,表示第三級(jí)配電點(diǎn)出線過流信息。在第t=660 ms時(shí)電流開始變小,32#PLC向工控機(jī)上送的故障信息由1變?yōu)?,過流信息消失,表明故障已經(jīng)成功切除。從檢測(cè)到故障信息到發(fā)出跳閘指令,共耗時(shí)45 ms,由于煤礦井下短路故障排除時(shí)間不得大于200 ms,故基于EtherCAT通信方式的電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足煤礦井下防越級(jí)的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié) 論

本文基于EtherCAT通信技術(shù),在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬構(gòu)建了煤礦井下電網(wǎng)防越級(jí)跳閘系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確判斷故障線路,迅速驅(qū)動(dòng)繼電器跳閘,切除故障,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)防越級(jí)跳閘功能且滿足井下電網(wǎng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性的要求。