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摘要：在傳統的煤礦行業，對供配電系統的穩定性有比較高的要求，煤礦學校及企業對于下井人員缺乏專業的技能培訓，容易造成在井下操作失誤或無法應對機器突發故障影響到工作人員人身安全和生產效率。為了解決這個問題，為高校設計了一套井下供配電的教學考評系統，利用德力西CDMP201A綜合保護器的微機保護功能，在其外圍設置故障繼電器、故障電流、故障電壓使其發生故障，通過就地端考評機和電腦端考評系統設置故障和去除故障，讓培訓人員掌握排查各種故障的能力，考評系統由MCGS軟件進行組態，通訊方式是工業以太網。
關鍵詞：Modbus－TCP協議，MCGS組態，考評機，現場總線，微機保護
煤礦井下供配電系統中，保證供配電系統的穩定和可靠非常重要，為了培訓企業的下井工作人員的專業技能，本文通過在德力西CDMP201A綜合保護器外圍設置故障電路，導致保護器因電流電壓不正常情況發生速斷操作產生各種故障，通過以太網通信在就地端設置考評機遠程端設置電腦考評系統，對操作人員進行教學考評。
1系統總體設計
1．1系統結構組成
煤礦深井供配電教學考評系統主要由三部分組成，包括了設備層、就地考評層、遠程考評層。1）設備層：高壓饋線柜、高壓出線柜、高壓母線柜、高壓電容柜，是對實際地下供配電系統的仿真。2）就地考評系統層：主要包含了就地端的考評機，考評機是整個考評系統中核心的設備，考評機具備兩個功能：①通信功能：通過串口服務器，讀取進線柜和出線柜上德力西CDMP201A綜合保護器的電流電壓和開斷信息。②考評功能：考評機具有嵌入式觸摸屏，利用MCGS軟件畫了組態畫面，考評人員可以通過設置不同的故障考察培訓人員。系統中的考評機是由杭州言實公司定制的設備，內部主要是用PLC西門子S7－200作為控制器，通過串口服務器控制故障繼電器和電壓電流發生器產生不同故障，MCGS的嵌入式屏幕下載了考評系統的組態，考評人員直接通過觸屏操作就可以設置故障，非常方便。3）遠程考評系統層（地面監控主站）：地面監控主站采用MCGS組態軟件，由通訊服務器和數據服務器組成，實現對整個考評系統的監控，提供對考核人員考試的功能。系統結構圖如圖1所示。
1．2通訊方式
在本文的考評系統中整體的通訊方式是通過工業以太網，為了將設備層接入以太網，通過串口服務器將設備層的德力西CDMP201A綜合保護器上的RS－485信號轉換成TCP信號。
（1）設備層的通信方式
1）考評系統需要與設備層德力西CDMP201A綜合保護器通信，通信的目的有兩個，第一是為了讀取綜合保護器上的電流電壓信號和開斷信息，第二是給綜合保護器下發指令，使得綜合保護器合分閘。串口服務器用的是上海光因串口服務器GY－P200，配置方式為Web配置，上位機管理軟件設置。2）為了設置各種故障，我們在綜合保護器的電路上放置了故障繼電器和電流電壓發生器，故障繼電器和電流電壓發生器需要和就地端考評機通信，故障繼電器是通過干接點直接連在考評機PLC的輸入輸出端口上的，電壓發生器也是通過故障繼電器產生缺相故障、欠壓和過壓故障，電流發生器也是通過串口服務器將RS－485通信轉換成TCP信號發送到考評機的。
（2）遠程監控層與地面設備層
考慮到系統的規模，為了保障設備通信的實時性，采用現在主流的工業以太網技術。工業以太網是傳統以太網技術結合工業控制技術開發出來的一種工業網絡，實時性好、安全性和可靠性高，常用于工業控制通信系統中，通信協議采用的是Modbus－TCP協議，相比其他通信協議可靠性比較高。
2考評系統實現
2．1通訊設置
上位機是MCGS軟件，下位機是考評機PLC，為了實現上位機和下位機的通信，需要按照下面步驟進行軟件配置：1）在MCGS軟件中找到設備組態管理窗口，在其中新增西門子S7200＿CP243－1以太網模塊，本地電腦IP設置為本地IP，PLC通信模塊的IP設置為遠程IP。2）通信協議選擇Modbus－TCP規約，根據系統設計的需要添加讀入或寫入的變量，具體操作就是在設備設置屬性中，基本屬性中設置變量的名稱、寄存器類型、地址和通道類型，這樣就完成了一個變量的設置，在設備調試中可以實時監測到變量的狀態。
2．2考評系統控制界面及原理
考慮到就地考評機需要監視和控制故障繼電器和電流電壓發生器，根據需要監控的點數和通訊距離的因數設置了5臺考評機，其中4臺用于監控和考評，1臺作為擴展接口預留給了用戶，由于信號數量比較多，我們還設置了2臺采集箱，專門采集信號狀態。監控界面的一級畫面是考評系統中4臺考評系統的畫面，并在圖標下方注釋了每臺考評機控制的進線柜、出線柜和電容柜。二級畫面對應的是不同的柜子的入口，三級畫面是各種故障的設置畫面和實驗的操作。
（1）合分閘故障設置
1）合分閘故障設置：通過在綜合保護器的合閘回路上設置一個故障繼電器，PLC通過發送指令讓故障繼電器從常閉到常開，此時合閘回路就斷開了，同時PLC可以檢測此時的故障信號是否正常，并將信息上傳到上位機上，操作人員是無法通過手動合閘合上閘的，只有在MCGS組態上發送復位的指令才能恢復正常，分閘故障原理類似。2）儲能故障設置：由于使用的德力西的進線柜是彈操系統，所以每次合閘需要彈簧蓄力，這就需要電機壓縮彈簧，在儲能的回路上加了故障繼電器，就會導致彈簧無法儲能，從而無法進行合閘操作。
（2）電壓故障設置
1）電壓缺相故障：原理是利用模擬電壓發生器產生56V相電壓來模擬10kV的高壓，因為是三相電壓，所以在每一相電壓的輸出回路上加了故障繼電器，通過故障繼電器得電就會使得一相的電壓為0，從而產生缺相故障。2）過欠壓故障設置：操作類似，電路上是通過變壓器產生三相的升壓和減壓，根據煤礦用電要求正常的電壓由于線路上的損耗維持在原進線電壓的正負5％是正常情況，所以我們設置的過欠電壓就超過原進線電壓的正負10％。為了產生每一相的過欠壓，在每一相的輸出回路都加了故障繼電器，產生過欠壓故障時電柜上的儀表指示會有電壓明顯的變化。
（3）電流故障設置
電流故障的原理是利用電流發生器產生故障電流，電流發生器采用485通信方式，利用串口服務器將485信號轉換為TCP信號加入以太網中，這樣就可以通過考評機的PLC對電流發生器設置對應電流值的故障，因為高壓側沒負載電流非常小，所以如果高壓側突然產生較大的電流屬于故障，此時綜合保護器就會因檢測出回路電流過大而產生過流保護斷閘動作。電流發生器產生的也是三相電流，可以設置三相的電流故障，因為電流發生器是通過電機調節變壓器產生不同的電流值，所以物理上是有個產生電流的過程，考慮到時間上的延遲在PLC上設置了一個持續產生電流的時間，保證電流能夠達到設定值。
（4）差動保護實驗
由于高壓側的變壓器是整個配電系統很關鍵的一部分，如果變壓器運行出異常，會導致整個配電系統發生故障，可能在實際生產中產生很大的影響，也設計了一個變壓器異常的實驗，差動保護的原理是，如果變壓器內部出現短路等故障，就導致高壓側和低壓側的電壓電流的比不相同，綜合保護器會檢測高低壓電流的變化引發差動保護，斷開高壓側的電壓回路。我們在高壓側和低壓側放置了電流發生器，產生一定值的電流就會引發差動保護跳閘。
（5）電能表試驗—電流換相
電能表的電流電壓都是發生器產生的，所以可以通過故障繼電器產生電流換相，從而電能表就可以反轉了。
3結束語
本系統已應用于新疆煤炭技術學校煤礦深井供配電項目，該系統幫助學校和企業培訓具有更高專業技能的下井操作人員，也降低了在實際生產中突發故障帶來的人身危險和生產停滯的發生。系統運行穩定可靠，滿足高校教學需求，同時也提高了培訓人員井下操作的安全性。
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作者:楊森 候平智 單位:杭州電子科技大學自動化學院
