双层EtherCAT与光纤联锁在井下短路保护的技术性分

　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）27-6224-03
　　煤矿井下高压供电网短路保护无法通过整定值的配合实现选择性，一处发生短路故障，往往引起多级开关同时跳闸，严重影响安全和生产[1，2]。短路保护如何实现选择性一直困扰着煤炭行业，成为亟待解决的问题。国内外许多科技工作者提出了多种基于通讯网络的解决方案，较为典型的有：
　　1） 光纤纵差保护
　　该方法以纵差保护为主保护，下级开关输出信号通过光纤接入上级开关，各变电所之间通过网络连接为一个整体[2]，网络结构复杂，系统可靠性还需进一步提高。
　　2） 电流速断闭锁法
　　在每个变电所内设置短路闭锁控制装置，当某一开关检测到故障信息后，通过闭锁控制装置向上级开关发送闭锁信号[3]，采用电气闭锁方式，信号传输易受干扰，无法实现远后备保护的延时在线整定。
　　3） 集中控制
　　通过网络将部分或全部开关联接起来，故障信息通过网络传送到集中控制设备[4，5]，然后由集中控制设备根据供电网联络关系识别出距故障点最近的开关并通知其动作。这种方式对通讯系统的可靠性要求较高，通讯网络出现故障时，系统无法正常工作。
　　目前迫切需要一种网络结构简单可靠，实时性强且通讯故障处理功能完善的保护方案。实时以太网技术的发展，为解决这一问题提供了新的思路，该文提出了一种由双层实时以太网Ether CAT网与光纤联锁网络实现短路保护选择性的方案。
　　1 系统方案
　　如图1所示，系统主要由双层实时以太网Ether CAT、光纤联锁网、具有Ether CAT通讯接口和连锁通讯接口的综合保护装置等组成。实时以太网Ether CAT与光纤联锁网协同工作并互为后备，变电所级实时以太网Ether CAT网采用星型拓扑结构，便于管理和扩展。
　　井下供电系统中，短路保护整定值远远小于实际值，各变电所进线开关保护范围均在上级变电所出线开关的保护范围内，因此本方案中各变电所进线开关不设保护，以简化网络结构，提高系统的可靠性。
　　如图1所示以太网数据帧从主站出发，逐个访问环路上的分站；分站接口芯片具有独特结构，当数据帧到达时，取下相关数据部分或把数据信息插入到以太网帧的相应域位置，然后再把整个以太网帧转发到下一个分站；直到最后一个分站，数据帧才返回主站处理[9]。此过程无需对数据帧编码/解码，缩短了数据处理时间，每个从站数据处理延迟仅为十几纳秒[10，11]。
　　2） 光纤联锁网络
　　光纤联锁网络将光纤通讯、数字通讯和网络技术融合在一起，以光纤为通讯介质，传输容量大、距离远、抗干扰能力强；数字信号在传输过程中可通过再生中继器将失真脉冲再生为完整脉冲，在传输过程中只需识别脉冲的有无，可靠性强[12，13]。
　　2 通讯故障处理
　　网络通讯正常是系统正常工作的前提，实时以太网Ether CAT具有较强的通信诊断能力，能迅速地排除故障；支持主站从站冗余检错，提高了系统的可靠性；Ether CAT实现了在同一网络中将与安全相关的通讯和控制通讯融合为一体，并遵循IEC61508标准，满足安全集成级（SIL）4的要求[9，10]。
　　井下环境恶劣，特别是变电所之间距离较远，通讯线路出现故障的可能性较大，该系统中实时以太网Ether CAT与光纤联锁网络互为后备，具有完善的通讯故障处理机制[14，15]。
　　2.1 分站间Ether CAT故障
　　当主站与各分站之间的实时以太网Ether CAT因故障完全中断时，则光纤联锁网络作为其后备网络将独立实现短路保护的选择性功能，系统运行如图2。
　　以K1点故障为例说明故障处理方法：
　　1） 当K1点发生短路故障时，开关QF31检测到短路电流进入跳闸准备状态（延时T1），同时向所在变电所分站3发送跳闸请求信号；分站3收到跳闸请求信号后，立即向上级变电所出线开关QF21发送联锁信号；开关QF21、QF1同时监测到短路电流，则其动作如开关QF31；
　　2） 当开关QF21、QF1在T1延时内收到联锁信后自动启动远后备保护功能，延时T2；
　　3） 开关QF31在T1延时到期后未收到跳闸允许信号，因无下级联锁信号，QF31仍正常动作。
　　2.2 光纤联锁网故障
　　当光纤联锁网络通讯因故障完全中断时，则实时以太网Ether CAT作为其后备网络将独立完成短路保护的选择性功能，系统运行如图3。
　　以K1点故障为例说明光纤联锁网通讯故障时，系统处理方法：
　　1） 当K1点发生短路故障时，开关QF31检测到短路电流进入跳闸准备状态（延时T1），同时向所在变电所分站3发送跳闸请求信号；分站3收到跳闸请求信号后，立即向主站报告故障信息；开关QF21、QF1同时监测到短路电流，则其动作如开关QF31；
　　2） 主控制器接收到各分站故障信息后，经过快速分析计算，在T1延时范围内通过分站向开关QF21、QF1发送延时跳闸信号（QF21延时T2、QF1延时2T2），向开关QF31发送允许跳闸信号；
　3） 开关QF31在T1延时内收到允许跳闸信号，QF31动作，切除故障；
　　当所有网络崩溃时因严重故障崩溃时，继电保护系统自动转入常规运行状态。
　　4 结束语
　　实时工业以太网Ether CAT与光纤联锁网互为后备，显著提高了通讯系统可靠性与实时性。系统不仅实现井下短路保护的选择性，降低了互感器饱和引起测量误差的影响，还可以迅速确定故障范围，解决过负荷保护时限配合难题。通过改进系统可具有电力监控功能，为实现继电保护自适应在线整定、变电站无人值守创造了条件。
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