基于EtherCAT井下電力監控系統防越級*

王玉梅, 丁 航, 王樂樂

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000)

0 引 言

利用通信技術是解決煤礦井下繼電保護系統越級跳閘最為有效的方法[1,2]。近年來隨著現場總線技術的發展,不少研究學者提出了基于EtherCAT通信協議的電力監控系統[3,4]。煤礦井下電力監控系統為典型的分布式數據采集控制系統,EtherCAT的應用能夠解決如實時數傳輸、精準時鐘同步、靈活拓撲結構等諸多系統問題,同時以微秒(μs)級實時傳輸效率,將EtherCAT應用于井下高壓綜保器,可構建滿足實時性的防越級系統[5]。本文利用EtherCAT通信協議[6,7],在實驗室條件下搭建煤礦井下供電網絡,利用德國TwinCAT軟件實時內核,在Windows操作系統下建立監控主站軟件系統；以可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)構建監控系統從站模擬井下高壓綜保器；基于PC強大的運算能力,采用PLC編程,實現系統層自動監測到設備層繼電器驅動控制的過程,并研究基于EtherCAT網絡的防越級跳閘系統的實時性。

1 系統結構

1.1 建立基于EtherCAT防越級通信網絡

如圖1所示,基于EtherCAT電力監控系統主要由3個部分組成:基于TwinCAT的PC主站、支持EtherCAT通信的PLC從站及EtherCAT網絡構成。系統邏輯功能具體實現包括：

1)TwinCAT主站實現從站硬件功能,通過EtherCAT總線連接到PLC控制器,控制從站上傳數據及下發監控指令；

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,完成對所在供電線路的監視、測量、控制、保護,并向CX1080傳輸對應線路的各種電氣量及繼電器狀態量。

圖1 EtherCAT通信系統整體結構

1.2 建立井下供電網絡

在實驗室條件下,搭建煤礦井下三級供電網絡,如圖2所示,電源端380 V電壓經過三相調壓器獲得,Zl,Z12,Z22,Z32表示線路阻抗和負荷阻抗,K10,K11,K12,K20,K21,K22,K30,K31,K32表示線路斷路器JQX—13F型繼電器。

圖2 井下三級供電網絡

2 EtherCAT總線網路

本文EtherCAT監控系統中,設備間數據傳輸介質為標準的5類非屏蔽雙絞線(unshielded twisted pair,UTP)線纜,在系統物理層,由于EtherCAT數據幀完全兼容于以太網,使用普通的RJ45接口作為網絡端口連接主站與從站。

2.1 主站系統

EtherCAT主站設備需要在每個數據傳輸周期中為各個從站處理、接收和下發數據幀[8]。基于工控機主站中,只需裝有直接內存存取(direct memory access,DMA)功能的網卡,就可實現EtherCAT數據幀的接收與發送。

主站選用BECKHOFF的C5102—0030型工控機,該機型通過裝載的TwinCAT軟件對從站進行配置。TwinCAT軟件System Manager完成主站“邏輯空間”到從站“物理空間”的關系映射；PLC Control完成對從站I/O設備的配置任務；Scope View主要完成采集數據的在線顯示功能。

2.2 從站系統

系統從站由PLC裝載從站控制器“協議芯片”(EtherCAT slave controller,ESC) ET1200實現。該芯片內部有一個雙端口RAM,實現主站與從站間數據交換,并提供“邏輯控制單元”FMMU(fieldbus memory management unit)降低主站和從站通信時對數據進行區分的系統用時。CX8010帶有EtherCAT接口通過UTP線纜直接與工控機相連。由圖1可知,從站掛載傳感器采用線狀拓撲結構,EtherCAT網絡中各從站以環形拓撲依次連接,最簡化系統網絡結構,同時達到很高的實時數據傳輸與控制精度。

3 故障判定算法

本文故障判定算法根據系統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

井下電網為單電源供電網絡,電網潮流呈現單向流動特性,通過分析井下供電網絡拓補結構,確定網絡節點并對各節點的保護裝置進行編號,以電源端流向負載端的功率方向作為正方向,根據各配電點之間的有向連接關系構造網絡描述矩陣D。

設系統中共n個節點,則網絡描述矩陣D為n階方陣,即D=[dij]m×n,若節點i與j之間存在邏輯映射關系,且節點i為信號發送方,節點j為接收方,則dij=1;否則dij=0。

當井下供配電線路某處發生短路故障時,故障處的保護裝置檢測到線路電流增大,故障點上游的各保護裝置均會流過故障電流,則對應的保護裝置均會上傳故障信號,則主站根據收到的故障信號形成故障信息矩陣F=[f1,f2,…,fn]。當保護裝置上傳故障信息時,fn=1,否則,fn=0。

為避免因某個線路保護裝置故障或者誤判,導致故障信息不能準確上傳,需要對故障信息矩陣F進行修正,即當fn=1時,流過故障電流的節點fi均置1。

如果P中某一行不止一個元素為1,則故障點在下一級；如果只有一個元素為1,則故障點就在該線路,即故障點位置。

4 防越級跳閘實驗分析

在實驗室條件下搭建仿真系統,如圖4所示。系統共有9個從站,現對第三級配電點第二條出線(32#)發生短路故障時,PLC中模擬量與開關量狀態變化,進行防越級跳閘分析。實驗采樣數據及PLC程序運行過程可通過主站TwinCAT軟件進行在線讀取。

圖4 系統實物仿真

4.1 從站功能分析

第三級配電點32#處發生短路故障,32#從站程序運行結果如圖5所示。

圖5 32#PLC控制器運行結果

經PLC控制器32_25D768處理測得a相電流超過設定閾值,PLC控制器向繼電器下發分閘指令,完成速斷保護動作。PLC控制器接收到分閘指令,REACT狀態由REACT=16# 0000變為REACT=16# 0001,ACT由正常情況下ACT=FLASE變為ACT=TRUE,繼電器由STATE1=FLASE變為STATE1=TRUE狀態,繼電器此時處于分閘狀態。

4.2 故障矩陣判定結果分析

利用TwinCAT PLC Control功能,在主站內采用PLC結構化文本(ST)編程語言建立供電網絡故障判定矩陣數學模型,并使用TwinCAT System Manager實現各個從站狀態在線顯示。

以從站32#所在供電回路處發生故障為例,當故障發生時,經故障矩陣算法處理結果如圖6所示。

圖6 故障判定矩陣運行結果

ACT32=16# 0000表示32#出線處于正常狀態,無短路故障發生,當32#出線處發生短路故障時,經故障判定矩陣判斷出ACT32=ACTMotors[9]=16# 0001,表示32#處發生短路故障,其余從站(10#～31#)故障矩陣判定結果為ACT=16# 0000,表示其余從站處無故障發生,從站繼電器保持閉鎖狀態。此時,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跳閘指令,控制繼電器跳閘,切除故障所在線路,完成防越級跳閘功能。

4.3 系統實時性分析

利用TwinCAT PLC Control中的 Sampling Trace功能對第三級配電點的32#出線的數據進行實時采集,對系統實時性進行分析。

以a相電流、繼電器指令信號、繼電器開關狀態變化作為分析對象,當32#出線處發生短路故障時,從檢測到短路故障發生到繼電器完成跳閘動作所消耗的時間,分析系統實時性,其時序傳輸如圖7所示。

圖7 信號傳輸時序

可以看出,在第t=615 ms時主站接收到的電流數據開始變大,表示發生了短路故障,同時32#PLC向主站上送的故障信息由0變為1,表示第三級配電點出線過流信息。在第t=660 ms時電流開始變小,32#PLC向工控機上送的故障信息由1變為0,過流信息消失,表明故障已經成功切除。從檢測到故障信息到發出跳閘指令,共耗時45 ms,由于煤礦井下短路故障排除時間不得大于200 ms,故基于EtherCAT通信方式的電力監控系統能夠滿足煤礦井下防越級的實時性要求。

5 結 論

本文基于EtherCAT通信技術,在實驗室條件下模擬構建了煤礦井下電網防越級跳閘系統,實驗結果表明:該系統能夠快速準確判斷故障線路,迅速驅動繼電器跳閘,切除故障,實現系統防越級跳閘功能且滿足井下電網對通信實時性的要求。