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摘要：在传统的煤矿行业，对供配电系统的稳定性有比较高的要求，煤矿学校及企业对于下井人员缺乏专业的技能培训，容易造成在井下操作失误或无法应对机器突发故障影响到工作人员人身安全和生产效率。为了解决这个问题，为高校设计了一套井下供配电的教学考评系统，利用德力西CDMP201A综合保护器的微机保护功能，在其外围设置故障继电器、故障电流、故障电压使其发生故障，通过就地端考评机和电脑端考评系统设置故障和去除故障，让培训人员掌握排查各种故障的能力，考评系统由MCGS软件进行组态，通讯方式是工业以太网。
关键词：Modbus－TCP协议，MCGS组态，考评机，现场总线，微机保护
煤矿井下供配电系统中，保证供配电系统的稳定和可靠非常重要，为了培训企业的下井工作人员的专业技能，本文通过在德力西CDMP201A综合保护器外围设置故障电路，导致保护器因电流电压不正常情况发生速断操作产生各种故障，通过以太网通信在就地端设置考评机远程端设置电脑考评系统，对操作人员进行教学考评。
1系统总体设计
1．1系统结构组成
煤矿深井供配电教学考评系统主要由三部分组成，包括了设备层、就地考评层、远程考评层。1）设备层：高压馈线柜、高压出线柜、高压母线柜、高压电容柜，是对实际地下供配电系统的仿真。2）就地考评系统层：主要包含了就地端的考评机，考评机是整个考评系统中核心的设备，考评机具备两个功能：①通信功能：通过串口服务器，读取进线柜和出线柜上德力西CDMP201A综合保护器的电流电压和开断信息。②考评功能：考评机具有嵌入式触摸屏，利用MCGS软件画了组态画面，考评人员可以通过设置不同的故障考察培训人员。系统中的考评机是由杭州言实公司定制的设备，内部主要是用PLC西门子S7－200作为控制器，通过串口服务器控制故障继电器和电压电流发生器产生不同故障，MCGS的嵌入式屏幕下载了考评系统的组态，考评人员直接通过触屏操作就可以设置故障，非常方便。3）远程考评系统层（地面监控主站）：地面监控主站采用MCGS组态软件，由通讯服务器和数据服务器组成，实现对整个考评系统的监控，提供对考核人员考试的功能。系统结构图如图1所示。
1．2通讯方式
在本文的考评系统中整体的通讯方式是通过工业以太网，为了将设备层接入以太网，通过串口服务器将设备层的德力西CDMP201A综合保护器上的RS－485信号转换成TCP信号。
（1）设备层的通信方式
1）考评系统需要与设备层德力西CDMP201A综合保护器通信，通信的目的有两个，第一是为了读取综合保护器上的电流电压信号和开断信息，第二是给综合保护器下发指令，使得综合保护器合分闸。串口服务器用的是上海光因串口服务器GY－P200，配置方式为Web配置，上位机管理软件设置。2）为了设置各种故障，我们在综合保护器的电路上放置了故障继电器和电流电压发生器，故障继电器和电流电压发生器需要和就地端考评机通信，故障继电器是通过干接点直接连在考评机PLC的输入输出端口上的，电压发生器也是通过故障继电器产生缺相故障、欠压和过压故障，电流发生器也是通过串口服务器将RS－485通信转换成TCP信号发送到考评机的。
（2）远程监控层与地面设备层
考虑到系统的规模，为了保障设备通信的实时性，采用现在主流的工业以太网技术。工业以太网是传统以太网技术结合工业控制技术开发出来的一种工业网络，实时性好、安全性和可靠性高，常用于工业控制通信系统中，通信协议采用的是Modbus－TCP协议，相比其他通信协议可靠性比较高。
2考评系统实现
2．1通讯设置
上位机是MCGS软件，下位机是考评机PLC，为了实现上位机和下位机的通信，需要按照下面步骤进行软件配置：1）在MCGS软件中找到设备组态管理窗口，在其中新增西门子S7200＿CP243－1以太网模块，本地电脑IP设置为本地IP，PLC通信模块的IP设置为远程IP。2）通信协议选择Modbus－TCP规约，根据系统设计的需要添加读入或写入的变量，具体操作就是在设备设置属性中，基本属性中设置变量的名称、寄存器类型、地址和通道类型，这样就完成了一个变量的设置，在设备调试中可以实时监测到变量的状态。
2．2考评系统控制界面及原理
考虑到就地考评机需要监视和控制故障继电器和电流电压发生器，根据需要监控的点数和通讯距离的因数设置了5台考评机，其中4台用于监控和考评，1台作为扩展接口预留给了用户，由于信号数量比较多，我们还设置了2台采集箱，专门采集信号状态。监控界面的一级画面是考评系统中4台考评系统的画面，并在图标下方注释了每台考评机控制的进线柜、出线柜和电容柜。二级画面对应的是不同的柜子的入口，三级画面是各种故障的设置画面和实验的操作。
（1）合分闸故障设置
1）合分闸故障设置：通过在综合保护器的合闸回路上设置一个故障继电器，PLC通过发送指令让故障继电器从常闭到常开，此时合闸回路就断开了，同时PLC可以检测此时的故障信号是否正常，并将信息上传到上位机上，操作人员是无法通过手动合闸合上闸的，只有在MCGS组态上发送复位的指令才能恢复正常，分闸故障原理类似。2）储能故障设置：由于使用的德力西的进线柜是弹操系统，所以每次合闸需要弹簧蓄力，这就需要电机压缩弹簧，在储能的回路上加了故障继电器，就会导致弹簧无法储能，从而无法进行合闸操作。
（2）电压故障设置
1）电压缺相故障：原理是利用模拟电压发生器产生56V相电压来模拟10kV的高压，因为是三相电压，所以在每一相电压的输出回路上加了故障继电器，通过故障继电器得电就会使得一相的电压为0，从而产生缺相故障。2）过欠压故障设置：操作类似，电路上是通过变压器产生三相的升压和减压，根据煤矿用电要求正常的电压由于线路上的损耗维持在原进线电压的正负5％是正常情况，所以我们设置的过欠电压就超过原进线电压的正负10％。为了产生每一相的过欠压，在每一相的输出回路都加了故障继电器，产生过欠压故障时电柜上的仪表指示会有电压明显的变化。
（3）电流故障设置
电流故障的原理是利用电流发生器产生故障电流，电流发生器采用485通信方式，利用串口服务器将485信号转换为TCP信号加入以太网中，这样就可以通过考评机的PLC对电流发生器设置对应电流值的故障，因为高压侧没负载电流非常小，所以如果高压侧突然产生较大的电流属于故障，此时综合保护器就会因检测出回路电流过大而产生过流保护断闸动作。电流发生器产生的也是三相电流，可以设置三相的电流故障，因为电流发生器是通过电机调节变压器产生不同的电流值，所以物理上是有个产生电流的过程，考虑到时间上的延迟在PLC上设置了一个持续产生电流的时间，保证电流能够达到设定值。
（4）差动保护实验
由于高压侧的变压器是整个配电系统很关键的一部分，如果变压器运行出异常，会导致整个配电系统发生故障，可能在实际生产中产生很大的影响，也设计了一个变压器异常的实验，差动保护的原理是，如果变压器内部出现短路等故障，就导致高压侧和低压侧的电压电流的比不相同，综合保护器会检测高低压电流的变化引发差动保护，断开高压侧的电压回路。我们在高压侧和低压侧放置了电流发生器，产生一定值的电流就会引发差动保护跳闸。
（5）电能表试验—电流换相
电能表的电流电压都是发生器产生的，所以可以通过故障继电器产生电流换相，从而电能表就可以反转了。
3结束语
本系统已应用于新疆煤炭技术学校煤矿深井供配电项目，该系统帮助学校和企业培训具有更高专业技能的下井操作人员，也降低了在实际生产中突发故障带来的人身危险和生产停滞的发生。系统运行稳定可靠，满足高校教学需求，同时也提高了培训人员井下操作的安全性。
参考文献
［1］刘翔．井下供配电系统的设计与选型［J］．四川水泥，2017（12）：81
［2］胡祥平，侯平智．煤矿井下供配电监控系统设计与实现［J］．工业控制计算机，2018，31（3）：72－73，76
［3］霍文峰．论煤矿井下供配电系统无功补偿［J］．机械管理开发，2017，32（6）：142－143
［4］王国平．煤矿井下供配电系统的设计与选型探讨［J］．内蒙古煤炭经济，2016（12）：38－39
［5］冯志勤．煤矿井下供配电系统的设计与选型探讨［J］．山东煤炭科技，2015（7）：101－102，104
［6］杨敢．对新编《煤矿井下供配电设计规范》的理解［J］．煤炭工程，2007（7）：17－18
作者:杨森 候平智 单位:杭州电子科技大学自动化学院
