CN106681259A - 一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统及方法，系统包括：电力监控站、信号隔离器、综合保护器组成的现场总线网络；上位计算机、地面网络交换机、井下网络交换机、电力监控站组成工业以太网络。方法通过上位计算机组态软件读写组成电力监控站的可编程串口控制器寄存器数据实时显示数据和下发指令，可编程串口控制器的嵌入式软件控制其串口发送巡查和动作指令，接收储存综合保护器发送的数据，综合保护器采集开关状态和数据、控制开关动作。该系统和方法克服了目前煤矿供电监控系统只能监控特定协议综合保护器、通用性差的不足，实现了与多种不同通讯协议综合保护器分批分组多通道并行通讯，解决了煤矿供电监控系统建设过程中不同厂家、不同规格综合保护器的接入问题。

Description

一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿供电监控系统，更具体地说，涉及一种用于煤矿井下的、可对煤矿井下供配电设备实施在线监控、特别是适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统。

背景技术

煤矿机械化、自动化程度在不断提高，随着产量的增加以及工作面范围扩大，井下供电距离、变电所数量、负荷数量及种类都在不断增加，由此对煤矿井下供配电系统的稳定性、安全性和不间断性提出了更高的要求。煤矿井下供电设备的故障，影响到煤矿生产和人员安全，因此煤矿供配电系统的可靠性十分重要。尽管近年来煤矿供电管理部门在改进井下配电装备、应用新技术成果的同时，不断强化人员素质的管理，使煤矿井下供电系统的可靠性得到了提高，但由于设备或人为因素造成的供电事故时有发生，影响了煤矿的安全生产。煤矿生产主要是井下作业，井下环境差，电气设备易发生漏电、接地等故障，危害到人身安全，因此，有必要对井下供电系统实施保护，建立煤矿供电监控系统，实时监控供电设备运行状态，使井下供电设备能够安全、经济、可靠地运行，保证煤矿良好的供电质量和稳定的供电能力。

煤矿建设周期长，服务年限长，在煤矿供电系统中，不可避免地使用者不同厂家、不同时期、不同规格的高低压配电设备，这些配电设备内所使用的综合保护器种类繁多，虽大部分综合保护器具备远程通讯功能，但通讯协议不同，给煤矿供电监控系统建设带来困难。

现有的煤矿供电监控系统只能监控特定协议综合保护器，通用性差，对煤矿供电设备一致性要求高，如以后新增供电设备，需要采用相同通讯协议的设备才能接入系统。

发明内容

本发明的目的是要提供一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统及方法，其基于可编程串口控制器（Programmable Serial Controller，简称：PSC）技术，可以实现对接入系统的井下变电所开关的遥测、遥信、遥调、遥控的“四遥”功能，可实时显示开关状态、电流、电压、整定值数据，具备查询、存储、打印、故障报警、一键分合闸、井下操作闭锁功能。其采用的可编程串口控制器将综合保护器分批分组进行多通道并行通讯，响应速度快。每一个可编程串口控制器有一个以太网接口和二个并行串口，多个可编程串口控制器组成电力监控站，实现井下变电所多种不同通讯协议综合保护器的接入。

为实现上述目的，本发明的第一个方面，提供一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统，包括：

电力监控站与信号隔离器建立电气连接、信号隔离器与综合保护器建立电气连接，其组成的现场总线网络中的数据按照RS485接口标准进行通讯；

上位计算机与地面网络交换机建立电气连接，地面网络交换机与井下网络交换机建立电气连接，井下网络交换机与电力监控站建立电气连接，其组成的工业以太网络中的数据按照以太网（Ethernet）通讯协议进行通讯；

现场总线网络与工业以太网络由电力监控站实现数据交互，电力监控站将控制命令、采样指令以及通讯信息传输给综合保护器，再由综合保护器采集开关状态和数据、控制开关动作。

根据本发明的实施例，所述的电力监控站，由多个可编程串口控制器组成，每一个可编程串口控制器有一个以太网接口和二个并行串口，可编程串口控制器的以太网接口与电力监控站内置的网络交换机连接，电力监控站内置的网络交换机与井下网络交换机连接；可编程串口控制器的串口连接符合RS485接口标准的不同通讯协议的综合保护器。

根据本发明的实施例，所述的工业以太网络的硬件包括：上位计算机、地面网络交换机、井下网络交换机、电力监控站组成，其中：

上位计算机，用于生成监控指令、网络数据交换命令、开关状态和参数采集指令、远程控制指令；

上位计算机与地面网络交换机通过网线连接，多个地面网络交换机、多个井下网络交换机通过光缆或网线连接组成煤矿工业以太网络，用于转发数据、传输指令；

电力监控站通过网线连接在井下网络交换机上，构成工业以太网络的被控设备。

根据本发明的实施例，所述的现场总线网络硬件包括：电力监控站、信号隔离器、综合保护器组成，其中：

电力监控站有多个串口，每个串口通过二芯电缆与信号隔离器、信号隔离器通过二芯电缆与多个综合保护器的通讯端口连接，组成一根现场总线，电力监控站可连接组成多根现场总线；

信号隔离器转发总线数据，采用光电隔离技术，本安端与电力监控站连接，非本安端与综合保护器连接；

多个综合保护器的通讯端口用二芯电缆连接并与信号隔离器相连，构成现场总线网络的被控设备。

根据本发明的实施例，组成电力监控站的可编程串口控制器由电源模块、MCU模块、存储器模块、I/O模块、以太网模块、RS485模块组成，由嵌入式软件控制其运行；正常情况下，上位计算机不向可编程串口控制器发送控制指令，可编程串口控制器处于巡查状态，存储在其内部的嵌入式软件自主控制各串口向连接在总线上的综合保护器按地址和各自的通讯协议发出巡查指令，综合保护器收到指令后，将其监测到的开关状态、电流、电压、整定值、报警值数据通过总线发出，可编程串口控制器存储接收到的数据；需要远程控制时，上位计算机向可编程串口控制器下发控制指令，可编程串口控制器收到指令后，先断开该串口的巡查，再按综合保护器地址和其通讯协议发送相应指令，综合保护器收到指令后，控制开关动作，动作完成后，向总线发送动作返回值，返回值表述动作成功还是失败，可编程串口控制器收到动作返回值后该指令执行完毕，又自动进入到巡查状态。

根据本发明的实施例，上位计算机通过工业以太网络与组成电力监控站的可编程串口控制器相连，可编程串口控制器支持组态软件，上位计算机可通过组态软件直接读写其存储器数据，从而在上位计算机上实时显示开关状态、电流、电压、整定值、报警值数据，下发开关分闸、合闸、复位、修改整定值指令。

为实现上述目的，本发明的第二个方面，提供一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控方法，监控步骤如下：

步骤1：在上位计算机上安装供电监控系统应用软件、组态软件、数据库软件，供电监控系统应用软件基于组态软件开发，具有实时显示开关分合状态、报警值、电流电压数据界面，具有远程控制开关分合、修改整定值、远程复位操作界面，该应用软件还具有密码设置、查询、绘制曲线、存储和查询历史数据、存储和查询报警记录、存储和查询操作记录、打印功能；

步骤2：在电力监控站的每个可编程串口控制器上安装嵌入式监控软件，该软件按照接入在可编程串口控制器总线上的综合保护器通讯协议编制，可控制串口自动发送巡查指令，当接收到上位计算机发出的操作指令后，可向综合保护器发出动作指令；

步骤3：将上位计算机、地面网络交换机、井下网络交换机、电力监控站、信号隔离器、综合保护器正确连接，上电启动所有设备，打开上位计算机上的供电监控系统应用软件，该软件可直接读取可编程串口控制器的存储器数据，从而在监控画面上实时显示开关分合状态、报警值、整定值、电流电压数据；

步骤4：需要向井下开关发送远程控制命令时，点击供电监控系统应用软件的操控界面，应用软件将指令写入可编程串口控制器的存储器内，可编程串口控制器收到指令后，自动断开巡查，向综合保护器下发相应的动作指令；

步骤5：上位计算机将所有监控数据存入到数据库中，便于共享和调用。

本发明的积极效果

现在煤矿机械化、自动化程度很高，对电力的依赖很大，煤矿供电安全不仅影响生产，而且威胁井下工人的生命安全，供电监控系统建设对于煤矿安全性具有重大的现实意义，还可以减员增效，具有良好的经济效益。

本发明针对煤矿井下高低压配电设备中有多种不同通讯协议的综合保护器的问题，研制出一种可编程串口控制器，其具有可编程、可组态功能，实现了与多种不同通讯协议综合保护器分批分组多通道并行通讯，解决了煤矿供电监控系统建设过程中不同厂家、不同规格综合保护器的接入问题。

系统采用三层网络架构，具有远程、区域、就地三种控制方式，具备多种控制级别和井下操作确认功能，提高了安全性。系统实现了对井下开关的遥测、遥调、遥信、遥控的“四遥”功能，可实时显示开关状态、电流、电压、整定值数据，具备查询、存储、复位、打印、故障报警、一键分合闸功能。系统可以减少煤矿人员，改善井下安全环境，减少供电事故，缩短停电时间，提高煤矿企业效率和竞争力，具有广泛的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明监控系统整体结构框图。

图2是本发明实施例电力监控站连接示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1监控系统整体结构框图，系统涉及到工业以太网络和现场总线网络二种通讯方式，电力监控站是二种网络的节点设备，由其完成二个网络的数据交互。

如图2实施例电力监控站连接示意图，电力监控站由四个可编程串口控制器组成，每个可编程串口控制器有一个以太网接口通过网线与电力监控站的网络交换机连接，电力监控站的网络交换机与煤矿井下网络交换机通过网线连接，从而使可编程串口控制器连接到工业以太网络中。每个可编程串口控制器有二个可以并行发送接收数据的串口，每个串口用二芯电缆连接到信号隔离器的本安端，信号隔离器的非本安端用二芯电缆将八个综合保护器连接成一条总线。

如图2所示，每个可编程串口控制器的二个串口各连接八台综合保护器，图2实施例电力监控站共连接六十四台综合保护器。

以可编程串口控制器1为例，其COM1口与信号隔离器1连接，信号隔离器1与综合保护器1、综合保护器2、综合保护器3、综合保护器4、综合保护器5、综合保护器6、综合保护器7、综合保护器8连接；其COM2口与信号隔离器2连接，信号隔离器2与综合保护器9、综合保护器10、综合保护器11、综合保护器12、综合保护器13、综合保护器14、综合保护器15、综合保护器16连接。为便于说明情况，实施例现场总线网络的综合保护器地址设置为与图中综合保护器编号相同。实施例设定连接在可编程串口控制器1上的十六台综合保护器品牌分别是：综合保护器1、综合保护器2、综合保护器3是八达牌，综合保护器4、综合保护器5是电光牌，综合保护器6、综合保护器7、综合保护器8、综合保护器9是万泰牌，综合保护器10、综合保护器11、综合保护器12是安华牌，综合保护器13、综合保护器14是中德牌，综合保护器15、综合保护器16是博泰牌，共有六种不同通讯协议的不同品牌综合保护器。

正常情况下，可编程串口控制器1内的嵌入式软件控制COM1口对连接在其总线上的综合保护器自动发送巡查指令，过程如下：

第一步：COM1口向地址1设备按八达协议格式发送查询指令，综合保护器1收到后，将其读取到的开关状态、参数按八达协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第二步：COM1口向地址2设备按八达协议格式发送查询指令，综合保护器2收到后，将其读取到的开关状态、参数按八达协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第三步：COM1口向地址3设备按八达协议格式发送查询指令，综合保护器3收到后，将其读取到的开关状态、参数按八达协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第四步：COM1口向地址4设备按电光协议格式发送查询指令，综合保护器4收到后，将其读取到的开关状态、参数按电光协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第五步：COM1口向地址5设备按电光协议格式发送查询指令，综合保护器5收到后，将其读取到的开关状态、参数按电光协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第六步：COM1口向地址6设备按万泰协议格式发送查询指令，综合保护器6收到后，将其读取到的开关状态、参数按万泰协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第七步：COM1口向地址7设备按万泰协议格式发送查询指令，综合保护器7收到后，将其读取到的开关状态、参数按万泰协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第八步：COM1口向地址8设备按万泰协议格式发送查询指令，综合保护器8收到后，将其读取到的开关状态、参数按万泰协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内。

以上可编程串口控制器1的COM1口从第一步到第八步，完成一轮巡查，并循环执行该过程。在COM1口巡查的同时，COM2口与其并行工作，可编程串口控制器1内的嵌入式软件控制COM2口对连接在其总线上的综合保护器自动发送巡查指令，过程如下：

第一步：COM2口向地址9设备按万泰协议格式发送查询指令，综合保护器9收到后，将其读取到的开关状态、参数按万泰协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第二步：COM2口向地址10设备按安华协议格式发送查询指令，综合保护器10收到后，将其读取到的开关状态、参数按安华协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第三步：COM2口向地址11设备按安华协议格式发送查询指令，综合保护器11收到后，将其读取到的开关状态、参数按安华协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第四步：COM2口向地址12设备按安华协议格式发送查询指令，综合保护器12收到后，将其读取到的开关状态、参数按安华协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第五步：COM2口向地址13设备按中德协议格式发送查询指令，综合保护器13收到后，将其读取到的开关状态、参数按中德协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第六步：COM2口向地址14设备按中德协议格式发送查询指令，综合保护器6收到后，将其读取到的开关状态、参数按中德协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第七步：COM2口向地址15设备按博泰协议格式发送查询指令，综合保护器15收到后，将其读取到的开关状态、参数按博泰协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内；

第八步：COM2口向地址16设备按博泰协议格式发送查询指令，综合保护器16收到后，将其读取到的开关状态、参数按博泰协议回发，可编程串口控制器1将接收到的开关状态、参数存储到可编程串口控制器1的指定存储器内。

以上可编程串口控制器1的COM2口从第一步到第八步，完成一轮巡查，并循环执行该过程。

如图1上位计算机通过地面网络交换机、井下网络交换机与电力监控站的可编程串口控制器连接，上位计算机上安装运行的监控系统应用软件通过组态软件可直接读取可编程串口控制器的存储器数据，从而在监控画面上实时显示开关分合状态、报警值、整定值、电流电压数据。

根据本发明的实施例，当图2中综合保护器6需要远程合闸时，点击供电监控系统应用软件的操作界面，软件将指令写入可编程串口控制器1的存储器内，可编程串口控制器1收到指令后，其内的嵌入式软件自动断开COM1口巡查，向COM1口发出地址6设备万泰协议格式合闸指令，综合保护器6收到该合闸指令，操作该开关合闸，合闸完成后，综合保护器6向总线发送动作返回值，返回值表述合闸成功还是合闸失败，可编程串口控制器1收到动作返回值后该合闸指令执行完毕，COM1口又自动进入到巡查状态。

以上所述，实现了六种不同通讯协议综合保护器接入系统，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控系统，其特征在于，包括：

电力监控站与信号隔离器建立电气连接、信号隔离器与综合保护器建立电气连接，其组成的现场总线网络中的数据按照RS485接口标准进行通讯；

上位计算机与地面网络交换机建立电气连接，地面网络交换机与井下网络交换机建立电气连接，井下网络交换机与电力监控站建立电气连接，其组成的工业以太网络中的数据按照以太网（Ethernet）通讯协议进行通讯；

现场总线网络与工业以太网络由电力监控站实现数据交互，电力监控站将控制命令、采样指令以及通讯信息传输给综合保护器，再由综合保护器采集开关状态和数据、控制开关动作。

2.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述的电力监控站，由多个可编程串口控制器组成，每一个可编程串口控制器有一个以太网接口和二个并行串口，可编程串口控制器的以太网接口与电力监控站内置的网络交换机连接，电力监控站内置的网络交换机与井下网络交换机连接；可编程串口控制器的串口连接符合RS485接口标准的不同通讯协议的综合保护器。

3.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述的工业以太网络的硬件包括：上位计算机、地面网络交换机、井下网络交换机、电力监控站组成，其中：

上位计算机，用于生成监控指令、网络数据交换命令、开关状态和参数采集指令、远程控制指令；

上位计算机与地面网络交换机通过网线连接，多个地面网络交换机、多个井下网络交换机通过光缆或网线连接组成煤矿工业以太网络，用于转发数据、传输指令；

电力监控站通过网线连接在井下网络交换机上，构成工业以太网络的被控设备。

4.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述的现场总线网络硬件包括：电力监控站、信号隔离器、综合保护器组成，其中：

电力监控站有多个串口，每个串口通过二芯电缆与信号隔离器、信号隔离器通过二芯电缆与多个综合保护器的通讯端口连接，组成一根现场总线，电力监控站可连接组成多根现场总线；

信号隔离器转发总线数据，采用光电隔离技术，本安端与电力监控站连接，非本安端与综合保护器连接；

多个综合保护器的通讯端口用二芯电缆连接并与信号隔离器相连，构成现场总线网络的被控设备。

5.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，组成电力监控站的可编程串口控制器由电源模块、MCU模块、存储器模块、I/O模块、以太网模块、RS485模块组成，由嵌入式软件控制其运行；

正常情况下，上位计算机不向可编程串口控制器发送控制指令，可编程串口控制器处于巡查状态，存储在其内部的嵌入式软件自主控制各串口向连接在总线上的综合保护器按地址和各自的通讯协议发出巡查指令，综合保护器收到指令后，将其监测到的开关状态、电流、电压、整定值、报警值数据通过总线发出，可编程串口控制器存储接收到的数据；

需要远程控制时，上位计算机向可编程串口控制器下发控制指令，可编程串口控制器收到指令后，先断开该串口的巡查，再按综合保护器地址和其通讯协议发送相应指令，综合保护器收到指令后，控制开关动作，动作完成后，向总线发送动作返回值，返回值表述动作成功还是失败，可编程串口控制器收到动作返回值后该指令执行完毕，又自动进入到巡查状态。

6.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，上位计算机通过工业以太网络与组成电力监控站的可编程串口控制器相连，可编程串口控制器支持组态软件，上位计算机可通过组态软件直接读写其存储器数据，从而在上位计算机上实时显示开关状态、电流、电压、整定值、报警值数据，下发开关分闸、合闸、复位、修改整定值指令。

7.一种适用多种协议综合保护器的煤矿供电监控方法，其特征在于，监控步骤如下：

步骤1：在上位计算机上安装供电监控系统应用软件、组态软件、数据库软件，供电监控系统应用软件基于组态软件开发，具有实时显示开关分合状态、报警值、电流电压数据界面，具有远程控制开关分合、修改整定值、远程复位操作界面，该应用软件还具有密码设置、查询、绘制曲线、存储和查询历史数据、存储和查询报警记录、存储和查询操作记录、打印功能；

步骤2：在电力监控站的每个可编程串口控制器上安装嵌入式监控软件，该软件按照接入在可编程串口控制器总线上的综合保护器通讯协议编制，可控制串口自动发送巡查指令，当接收到上位计算机发出的操作指令后，可向综合保护器发出动作指令；

步骤3：将上位计算机、地面网络交换机、井下网络交换机、电力监控站、信号隔离器、综合保护器正确连接，上电启动所有设备，打开上位计算机上的供电监控系统应用软件，该软件可直接读取可编程串口控制器的存储器数据，从而在监控画面上实时显示开关分合状态、报警值、整定值、电流电压数据；

步骤4：需要向井下开关发送远程控制命令时，点击供电监控系统应用软件的操控界面，应用软件将指令写入可编程串口控制器的存储器内，可编程串口控制器收到指令后，自动断开巡查，向综合保护器下发相应的动作指令；

步骤5：上位计算机将所有监控数据存入到数据库中，便于共享和调用。