CN103543725B - 一种基于EtherCAT和485通讯的井下防越级跳闸系统 - Google Patents

一种基于EtherCAT和485通讯的井下防越级跳闸系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于井下供配电系统的继电保护范畴，具体涉及一种基于EtherCAT和485通讯的井下防越级跳闸系统，包括上位机主站、第一从站、第二从站、第三从站、第四从站、第五从站、第六从站、第七从站、第八从站、第一综保器、第二综保器、第三综保器、第四综保器、第五综保器、第六综保器、第七综保器、第八综保器，该系统能够同时解决继电保护装置的越级跳闸故障，并且信号传输可靠性高。

Description

一种基于EtherCAT和485通讯的井下防越级跳闸系统
技术领域
本发明属于井下供配电系统的继电保护范畴，具体涉及一种基于EtherCAT和485通讯的井下防越级跳闸系统。
背景技术
随着煤矿机械化程度和原煤产量的不断提高，煤矿企业的用电设备及用电量也急剧增加，煤矿生产对井下供配电系统继电保护可靠性的要求也越来越高，导致井下供配电的继电保护装置发生越级跳闸的原因主要有两个：①每级的输电线路短、阻抗小，导致短路故障发生时，上下级输电线路中流过的短路电流差别很小，甚至没有差别；②保护用的电流信号在测量时并不是同步进行的，导致保护装置在进行判断时出现偏差。目前应用中的井下防越级跳闸方法有传统的三段式电流保护法、基于模拟信号闭锁法和基于CAN总线闭锁法。传统的三段式电流保护法是通过上下级保护装置对短路电流的整定配合来实现保护装置的选择性跳闸功能，但是这种方法根本无法解决①、②两种情况下的越级跳闸故障；基于模拟信号闭锁法是上下级保护装置利用模拟信号相互通信延时闭锁的手段来实现防越级跳闸，因为速断延时的时间不能达到或超过定时限速断保护，所以基于模拟信号闭锁法只能闭锁三级及三级以内保护装置，所以的这种方法可以部分解决①这种情况下的保护装置越级跳闸故障，并且该方法存在模拟信号传输可靠性不高和不能解决②这种情况下的保护装置越级跳闸故障；基于CAN总线闭锁法是通过上下级保护装置利用CAN数据帧信号的相互通信配合来实现防越级跳闸，这种方法可以解决以解决①这种情况下的保护装置越级跳闸故障，信号传输可靠性高，但是这种方法无法解决②这种情况下的保护装置越级跳闸故障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提出一种基于EtherCAT和485通讯的的井下防越级跳闸系统，该系统能够同时解决继电保护装置①、②两种情况下的越级跳闸故障，并且信号传输可靠性高。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于EtherCAT和485通讯的的井下防越级跳闸系统，包括上位机主站、第一从站、第二从站、第三从站、第四从站、第五从站、第六从站、第七从站、第八从站、第一综保器、第二综保器、第三综保器、第四综保器、第五综保器、第六综保器、第七综保器、第八综保器，所述的第一从站是由第一网络通信模块和第一EtherCAT从站控制器模块组成，第二从站是由第二网络通信模块和第二EtherCAT从站控制器模块组成，第三从站是由第三网络通信模块和第三EtherCAT从站控制器模块组成，第四从站是由第四网络通信模块和第四EtherCAT从站控制器模块组成，第五从站是由第五网络通信模块和第五EtherCAT从站控制器模块组成，第六从站是由第六网络通信模块和第六EtherCAT从站控制器模块组成，第七从站是由第七网络通信模块和第七EtherCAT从站控制器模块组成，第八从站是由第八网络通信模块和第八EtherCAT从站控制器模块组成；
所述的第一从站与第一综保器连接，所述的第二从站与第二综保器连接，第三从站与第三综保器连接，第四从站与第四综保器连接，第五从站与第五综保器连接，第六从站与第六综保器连接，第七从站与第七综保器连接，第八从站与第八综保器连接；
所述的上位机主站与每个从站之间为串行总线的连接方式。
所述的上位机主站为带有网卡的工业控制计算机，该上位机主站布置在地面以上。
所述的第一综保器、第二综保器、第三综保器、第四综保器、第五综保器、第六综保器、第七综保器、第八综保器均为带有RS485通讯接口的ZKJB-2000智能开关监控保护装置。
所述的第一网络通信模块、第二网络通信模块、第三网络通信模块、第四网络通信模块、第五网络通信模块、第六网络通信模块、第七网络通信模块、第八网络通信模块均由芯片MAX485和芯片STM32F107VCT组成，所述的芯片MAX485的1端口和芯片STM32F107VCT的7端口相连接，所述的芯片MAX485的2、3端口和芯片STM32F107VCT的8端口相连接，所述的芯片MAX485的4端口和芯片STM32F107VCT的9端口相连接，所述的芯片MAX485的5、6端口和综保器的RS485通讯接口相连接；
所述的第一EtherCAT从站控制器模块、第二EtherCAT从站控制器模块、第三EtherCAT从站控制器模块、第四EtherCAT从站控制器模块、第五EtherCAT从站控制器模块、第六EtherCAT从站控制器模块、第七EtherCAT从站控制器模块、第八EtherCAT从站控制器模块均由芯片ET1100和芯片KS8721BL组成，所述的芯片ET1100的16端口、17端口、20端口、21端口、22端口、23端口分别和芯片STM32F107VCT的10端口、11端口、12端口、13端口、14端口、15端口相连接，所述的芯片ET1100和芯片KS8721BL之间采用标准的MII接口相连接，所述的芯片KS8721BL的24端口、25端口、26端口、27端口、28端口、29端口、30端口、31端口和上位机主站或者其他从站相连接。
所述的所述的芯片ET1100同时与两个芯片KS8721BL相连接，同时所述的每个芯片KS8721BL上还带有四个外接端口。
所述的上位机主站和第一从站、第二从站、第三从站、第四从站、第五从站、第六从站、第七从站、第八从站之间采用光纤通信，通讯协议为EtherCAT通讯协议；
所述的第一从站、第二从站、第三从站、第四从站、第五从站、第六从站、第七从站、第八从站和第一综保器、第二综保器、第三综保器、第四综保器、第五综保器、第六综保器、第七综保器、第八综保器之间的通讯介质为屏蔽双绞线，通讯协议为485通讯协议。
本发明的优点：本发明通过EtherCAT实时以太网技术和485通讯方式将同步采集的电压、电流等信号传输到上位机主站，经过上位机主站的计算判断来切除短路故障线路，不仅能够有效解决因输电线路阻抗小而导致上下级保护装置中流过短路电流差别很小而导致的越级跳闸故障，而且EtherCAT以太网的分布式时钟功能能够有效解决因保护用电流信号测量的非同步而导致的越级跳闸故障，可靠性高，另外上位机对供配电系统电压、电流等信号的采集也起到对供配电系统监测的作用，在井下供配电系统的继电保护领域内显示出巨大的应用前景。
附图说明
图1为本发明的井下防越级跳闸系统的结构示意图。
图2为本发明的井下防越级跳闸系统的从站电路原理图。
图3为本发明的井下防越级跳闸系统的EtherCAT数据帧传输原理图。
图4为本发明的井下防越级跳闸系统的工作流程图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种基于EtherCAT和485通讯的的井下防越级跳闸系统，包括上位机主站1、第一从站2、第二从站3、第三从站4、第四从站5、第五从站6、第六从站7、第七从站8、第八从站9、第一综保器10、第二综保器11、第三综保器12、第四综保器13、第五综保器14、第六综保器15、第七综保器16、第八综保器17，所述的第一从站2是由第一网络通信模块2.1和第一EtherCAT从站控制器模块2.2组成，第二从站3是由第二网络通信模块3.1和第二EtherCAT从站控制器模块3.2组成，第三从站4是由第三网络通信模块4.1和第三EtherCAT从站控制器模块4.2组成，第四从站5是由第四网络通信模块5.1和第四EtherCAT从站控制器模块5.2组成，第五从站6是由第五网络通信模块6.1和第五EtherCAT从站控制器模块6.2组成，第六从站7是由第六网络通信模块7.1和第六EtherCAT从站控制器模块7.2组成，第七从站8是由第七网络通信模块8.1和第七EtherCAT从站控制器模块8.2组成，第八从站9是由第八网络通信模块9.1和第八EtherCAT从站控制器模块9.2组成；
所述的第一从站2与第一综保器10连接，所述的第二从站3与第二综保器11连接，第三从站4与第三综保器12连接，第四从站5与第四综保器13连接，第五从站6与第五综保器14连接，第六从站7与第六综保器15连接，第七从站8与第七综保器16连接，第八从站9与第八综保器17连接；
所述的上位机主站与每个从站之间为串行总线的连接方式，上位机主站在地面上，从站和综保器在井下，上位机主站和每个从站采用采用串行总线方式连接，每一个从站和一个综保器相连接，并且综保器和从站的通讯距离小于12米。
所述的上位机主站1为带有网卡的工业控制计算机，该上位机主站1布置在地面以上。
所述的第一综保器10、第二综保器11、第三综保器12、第四综保器13、第五综保器14、第六综保器15、第七综保器16、第八综保器17均为带有RS485通讯接口的ZKJB-2000智能开关监控保护装置。
所述的第一网络通信模块2.1、第二网络通信模块3.1、第三网络通信模块4.1、第四网络通信模块5.1、第五网络通信模块6.1、第六网络通信模块7.1、第七网络通信模块8.1、第八网络通信模块9.1均由芯片MAX485和芯片STM32F107VCT组成，所述的芯片MAX485的1端口和芯片STM32F107VCT的7端口相连接，所述的芯片MAX485的2、3端口和芯片STM32F107VCT的8端口相连接，所述的芯片MAX485的4端口和芯片STM32F107VCT的9端口相连接，所述的芯片MAX485的5、6端口和综保器的RS485通讯接口相连接；
所述的第一EtherCAT从站控制器模块2.2、第二EtherCAT从站控制器模块3.2、第三EtherCAT从站控制器模块4.2、第四EtherCAT从站控制器模块5.2、第五EtherCAT从站控制器模块6.2、第六EtherCAT从站控制器模块7.2、第七EtherCAT从站控制器模块8.2、第八EtherCAT从站控制器模块9.2均由芯片ET1100和芯片KS8721BL组成，所述的芯片ET1100的16端口、17端口、20端口、21端口、22端口、23端口分别和芯片STM32F107VCT的10端口、11端口、12端口、13端口、14端口、15端口相连接，所述的芯片ET1100和芯片KS8721BL之间采用标准的MII接口相连接，所述的芯片KS8721BL的24端口、25端口、26端口、27端口、28端口、29端口、30端口、31端口和上位机主站或者其他从站相连接。
所述的所述的芯片ET1100同时与两个芯片KS8721BL相连接，同时所述的每个芯片KS8721BL上还带有四个外接端口。
所述的上位机主站1和第一从站2、第二从站3、第三从站4、第四从站5、第五从站6、第六从站7、第七从站8、第八从站9之间采用光纤通信，通讯协议为EtherCAT通讯协议；
所述的第一从站2、第二从站3、第三从站4、第四从站5、第五从站6、第六从站7、第七从站8、第八从站9和第一综保器10、第二综保器11、第三综保器12、第四综保器13、第五综保器14、第六综保器15、第七综保器16、第八综保器17之间的通讯介质为屏蔽双绞线，通讯协议为485通讯协议。
如图3、4所示，工作原理，综保器采集输电线路的电压、电流等信号，然后综保器通过485通讯方式将电压、电流等信号缓存到从站中，上位机主站发送的EtherCAT数据帧经过所有的从站，当经过一个从站时，该从站根据EtherCAT数据帧所携带的指令确定是否将其缓存中的电压、电流等信号嵌入到EtherCAT数据帧，当上位机主站将所有从站中缓存的电压、电流等信号都读上来以后，上位机主站进行计算并判断输电线路是否存在短路故障，如果不存在短路故障，上位机主站继续从各从站实时采集输电线路的电压、电流等信号，如果存在短路故障，上位机主站判断出是哪条输电线路发生了短路故障，然后发送跳闸指令给发生短路故障输电线路上的从站，然后该从站将跳闸指令经RS485通讯方式发送给与其连接的综保器，该综保器驱动断路器跳闸断开故障线路，从而实现井下防越级跳闸的功能。
综上所述，本发明将实时以太网EtherCAT和485通讯方式同时应用到井下防越级跳闸中，不仅能够有效解决因输电线路阻抗小而导致上下级保护装置中流过短路电流差别很小而导致的越级跳闸故障，而且能够有效解决因保护用电流信号的非同步测量而导致的越级跳闸故障，可靠性高，另外，上位机对供配电系统电压、电流等信号的采集也起到对供配电系统监测的在作用，在井下供配电系统的继电保护领域内显示出巨大的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于EtherCAT和485通讯的井下防越级跳闸系统，其特征在于：包括上位机主站（1）、第一从站（2）、第二从站（3）、第三从站（4）、第四从站（5）、第五从站（6）、第六从站（7）、第七从站（8）、第八从站（9）、第一综保器（10）、第二综保器（11）、第三综保器（12）、第四综保器（13）、第五综保器（14）、第六综保器（15）、第七综保器（16）、第八综保器（17），
所述的第一从站（2）是由第一网络通信模块（2.1）和第一EtherCAT从站控制器模块（2.2）组成，第二从站（3）是由第二网络通信模块（3.1）和第二EtherCAT从站控制器模块（3.2）组成，第三从站（4）是由第三网络通信模块（4.1）和第三EtherCAT从站控制器模块（4.2）组成，第四从站（5）是由第四网络通信模块（5.1）和第四EtherCAT从站控制器模块（5.2）组成，第五从站（6）是由第五网络通信模块（6.1）和第五EtherCAT从站控制器模块（6.2）组成，第六从站（7）是由第六网络通信模块（7.1）和第六EtherCAT从站控制器模块（7.2）组成，第七从站（8）是由第七网络通信模块（8.1）和第七EtherCAT从站控制器模块（8.2）组成，第八从站（9）是由第八网络通信模块（9.1）和第八EtherCAT从站控制器模块（9.2）组成；所述的第一从站（2）与第一综保器（10）连接，所述的第二从站（3）与第二综保器（11）连接，第三从站（4）与第三综保器（12）连接，第四从站（5）与第四综保器（13）连接，第五从站（6）与第五综保器（14）连接，第六从站（7）与第六综保器（15）连接，第七从站（8）与第七综保器（16）连接，第八从站（9）与第八综保器（17）连接；所述的上位机主站与每个从站之间为串行总线的连接方式；
所述的上位机主站（1）为带有网卡的工业控制计算机，该上位机主站（1）布置在地面以上；所述的第一综保器（10）、第二综保器（11）、第三综保器（12）、第四综保器（13）、第五综保器（14）、第六综保器（15）、第七综保器（16）、第八综保器（17）均为带有RS485通讯接口的ZKJB-2000智能开关监控保护装置；所述的第一网络通信模块（2.1）、第二网络通信模块（3.1）、第三网络通信模块（4.1）、第四网络通信模块（5.1）、第五网络通信模块（6.1）、第六网络通信模块（7.1）、第七网络通信模块（8.1）、第八网络通信模块（9.1）均由芯片MAX485和芯片STM32F107VCT组成，所述的芯片MAX485的1端口和芯片STM32F107VCT的7端口相连接，所述的芯片MAX485的2、3端口和芯片STM32F107VCT的8端口相连接，所述的芯片MAX485的4端口和芯片STM32F107VCT的9端口相连接，所述的芯片MAX485的5、6端口和综保器的RS485通讯接口相连接；所述的第一EtherCAT从站控制器模块（2.2）、第二EtherCAT从站控制器模块（3.2）、第三EtherCAT从站控制器模块（4.2）、第四EtherCAT从站控制器模块（5.2）、第五EtherCAT从站控制器模块（6.2）、第六EtherCAT从站控制器模块（7.2）、第七EtherCAT从站控制器模块（8.2）、第八EtherCAT从站控制器模块（9.2）均由芯片ET1100和芯片KS8721BL组成，所述的芯片ET1100的16端口、17端口、20端口、21端口、22端口、23端口分别和芯片STM32F107VCT的10端口、11端口、12端口、13端口、14端口、15端口相连接，所述的芯片ET1100和芯片KS8721BL之间采用标准的MII接口相连接，所述的芯片KS8721BL的24端口、25端口、26端口、27端口、28端口、29端口、30端口、31端口和上位机主站或者其他从站相连接；所述的所述的芯片ET1100同时与两个芯片KS8721BL相连接，同时所述的每个芯片KS8721BL上还带有四个外接端口；所述的上位机主站1和第一从站（2）、第二从站（3）、第三从站（4）、第四从站（5）、第五从站（6）、第六从站（7）、第七从站（8）、第八从站（9）之间采用光纤通信，通讯协议为EtherCAT通讯协议；所述的第一从站（2）、第二从站（3）、第三从站（4）、第四从站（5）、第五从站（6）、第六从站（7）、第七从站（8）、第八从站（9）和第一综保器（10）、第二综保器（11）、第三综保器（12）、第四综保器（13）、第五综保器（14）、第六综保器（15）、第七综保器（16）、第八综保器（17）之间的通讯介质为屏蔽双绞线，通讯协议为485通讯协议。
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