基于Modbus總線的智能配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

萬 力，楊 麗

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對供配電系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高?，F(xiàn)有的供配電系統(tǒng)設(shè)備大都采用斷路器、電壓互感器和繼電器保護(hù)裝置為機(jī)械節(jié)點結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運行性能差，易誤動作且缺乏智能化的信息管理措施。因此，基于Modbus的智能配電監(jiān)控系統(tǒng)將會有效提高整個行業(yè)的智能化水平。作為目前全球工業(yè)領(lǐng)域最流行的協(xié)議，Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的 RS-232、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)[1]。國內(nèi)外主要低壓電器制造商從20世紀(jì)90年代就開始不斷開發(fā)新一代低壓電器產(chǎn)品，以大幅度提高電氣壽命和運行分?jǐn)嗄芰?，增?qiáng)電器產(chǎn)品的運行可靠性，同時具有可通信性能，能實現(xiàn)與現(xiàn)場總線的連接。由這些智能電器元件構(gòu)成的智能型開關(guān)柜與Modbus總線技術(shù)及上位機(jī)構(gòu)成的配電自動化監(jiān)控系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、系統(tǒng)完善、可靠性高、編程簡易、控制簡便及通信協(xié)議開放等特點[2]。

1 智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 項目背景

合肥市第二人民醫(yī)院是一所集醫(yī)療、教學(xué)、科研、預(yù)防、康復(fù)、急救等多項功能為一體的大型綜合醫(yī)院。該項目共設(shè)置3個10 kV變配電所，分別在外科病房大樓地下層（4×10 kVA）、門急診醫(yī)技大樓地下層（10 kVA）和食堂一層（4×800 kVA）；在門急診醫(yī)技樓地下一層戰(zhàn)時急救醫(yī)院內(nèi)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房，安裝兩臺200 kVA自備應(yīng)急柴油發(fā)電組。該工程設(shè)置智能配電監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)控管理主機(jī)設(shè)置在外科病房大樓地下層BA控制室內(nèi)，并兼作變電所值班室。3個變電所內(nèi)所有高低壓進(jìn)出線回路、母聯(lián)開關(guān)及無功補(bǔ)償設(shè)備的電能參數(shù)均在控制室內(nèi)實現(xiàn)監(jiān)控顯示，并在控制室內(nèi)對所有回路開關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本文著重介紹該智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)場設(shè)備層、通信傳輸層和監(jiān)控管理層3個層次，如圖1所示[3]。

圖1 智能配電監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）現(xiàn)場設(shè)備層?，F(xiàn)場設(shè)備主要由多個智能型高低壓配電柜組成。每個智能型配電柜中均安裝智能框架斷路器、智能塑殼斷路器和網(wǎng)絡(luò)儀表等，采用綜合繼電器保護(hù)裝置對高壓母線、母聯(lián)及初相回路進(jìn)行綜合保護(hù)和監(jiān)測，并且相關(guān)產(chǎn)品都配有RS-485通信端口。系統(tǒng)通過監(jiān)控主機(jī)的上位機(jī)軟件實現(xiàn)了對各供配電回路的各種電量參數(shù)（如電壓、電流、有功功率等）的監(jiān)測，對各回路的分合狀態(tài)、故障信息報警和配合軟件進(jìn)行監(jiān)視、控制。在現(xiàn)場設(shè)備層通過對各個現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行地址編排，可以清楚地查看各設(shè)備的物理地址，方便查詢各個配電線路。整個通信系統(tǒng)采用設(shè)備與協(xié)議解析分層的原則，它們之間有標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口，這增強(qiáng)了系統(tǒng)的可組態(tài)性和可擴(kuò)展性。

（2）通信傳輸層。在整個分布式控制系統(tǒng)中，通信傳輸是監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提供了各現(xiàn)場的配電和控制設(shè)備與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信連接。本設(shè)計采用Modbus通信協(xié)議，使用RS-232接口實現(xiàn)串行的Modbus。

本系統(tǒng)采用的是遠(yuǎn)程終端單元 （RTU）通信模式。Modbus的RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通信采用 Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求；Master端也可以直接發(fā)送消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。

使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，也就是說在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。整個消息幀必須作為一個連續(xù)的流傳輸。如果在一個消息幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。

Modbus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，RTU模式采用16 bit CRC校驗。CRC域是2 B、包含一個16 bit的二進(jìn)制值，它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。CRC是先調(diào)入一個值是全“1”的16 bit寄存器，然后調(diào)用過程將消息中連續(xù)的8 bit數(shù)據(jù)當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。CRC校驗碼添加到消息幀最后，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，僅對每個消息幀中的8 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，起始位、停止位以及奇偶校驗位均不進(jìn)行CRC校驗。

（3）監(jiān)控管理層。通過計算機(jī)和軟件來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、用戶界面、系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)儲存管理、報警提示和故障記錄等功能。為保證通信的可靠性，可加UPS電源一臺，在斷電的情況下，可切換至UPS電源，避免數(shù)據(jù)的丟失。

2 智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

由圖1可以看出，該智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要采用一臺基于Windows平臺的計算機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控整個配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并可以發(fā)出指令，改變系統(tǒng)運行方式，控制斷路器通斷。智能配電柜中采用具有RS-485通信接口的智能電器元件，經(jīng)轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)RS-232接口相連，使用Modbus協(xié)議實現(xiàn)通信功能。

該系統(tǒng)的軟件部分是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵，主要包括兩個部分。（1）下位機(jī)的驅(qū)動及通信程序的設(shè)計，使下位機(jī)具備和PC通信的能力，以實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對各控制線路的數(shù)據(jù)采集；（2）上位機(jī)的通信軟件設(shè)計，主要包括上位機(jī)的通信軟件設(shè)計和監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

2.1 上位機(jī)通信軟件設(shè)計

上位機(jī)串口通信是采用高級語言在Windows平臺上編程的，系統(tǒng)在WIN2000系統(tǒng)下采用Visual C++6.0直接運用第三方編寫的通信驅(qū)動軟件實現(xiàn)串口通信，采用多線程完成對通信數(shù)據(jù)的打包、數(shù)據(jù)解析以及對命令的打包和發(fā)送，實現(xiàn)了串口的初始化、串口參數(shù)設(shè)置以及串口事件監(jiān)視等。一般而言，在對串口進(jìn)行初始化操作時應(yīng)關(guān)閉串口和串口中斷。

上位機(jī)Modbus協(xié)議的軟件流程圖如圖2所示。首先主設(shè)備對串口進(jìn)行初始化，然后對現(xiàn)場設(shè)備層的各個站點進(jìn)行輪詢，以0.5 s為一個周期，發(fā)送運行參數(shù)消息幀后等待那個從設(shè)備的響應(yīng)。如果超時，則進(jìn)行下一個，并且實時判斷從設(shè)備的響應(yīng)消息是否正確，無論幀錯誤還是響應(yīng)超時都將產(chǎn)生一個錯誤，并在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中顯示并記錄下來。調(diào)試時，如果連續(xù)三輪對同一站點輪詢都出錯，則此站點將被屏蔽，直到調(diào)試人員來重新調(diào)整。第一次讀取協(xié)議規(guī)定的所有參數(shù)，以后如果整個系統(tǒng)都正常，既沒有調(diào)整參數(shù)也沒過載時，上位機(jī)將以0.5 s為周期發(fā)送運行參數(shù)消息幀一直輪詢。

圖2 上位機(jī)通信軟件流程圖

2.2 從設(shè)備通信軟件設(shè)計

采用Modbus RTU協(xié)議模式時，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，整個消息幀必須作為一個連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過3.5個字符的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一個字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣，如果一個新消息在小于3.5個字符的時間內(nèi)接著前一個消息開始，接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)，這將導(dǎo)致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能正確。因此，時間間隔必須計算準(zhǔn)確，本次設(shè)計采用一個0.5 s定時器完成。

當(dāng)從設(shè)備在上電時就對串口進(jìn)行了初始化，采用中斷的方式實時檢測串口事件，一旦接收到消息，就會產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。接收到完整的消息幀后根據(jù)Modbus協(xié)議對消息幀進(jìn)行解析，首先判斷地址是否相符，如果不符合就不回應(yīng)主設(shè)備，如果符合就對該消息進(jìn)行校驗。其中包括CRC校驗，一旦錯誤就生成并發(fā)送出錯命令回應(yīng)幀，返回主設(shè)備；如果正確則解析該消息幀并根據(jù)要求回應(yīng)相應(yīng)的參數(shù)。從設(shè)備通信軟件流程圖如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控界面設(shè)計

本設(shè)計采用微軟的Access作為后臺的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，前臺界面開發(fā)工具為Visual C++6.0，數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)采用ADO。該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲主要涉及三個實體：現(xiàn)場設(shè)備信息實體、設(shè)備的運行信息實體以及設(shè)備的故障判斷標(biāo)準(zhǔn)實體[4]。為簡化起見，將設(shè)備信息實體和設(shè)備的故障判斷標(biāo)準(zhǔn)合并在一起。數(shù)據(jù)庫中定義了兩張表，一張包含設(shè)備的一些基本信息以及相應(yīng)的故障判斷標(biāo)準(zhǔn)，另一張包含某一線路設(shè)備當(dāng)前運行的具體狀態(tài)信息。

圖3 從設(shè)備通信軟件流程圖

監(jiān)控界面可以動態(tài)顯示配電系統(tǒng)主接線圖，如圖4所示。主監(jiān)控界面包括配電主接線圖、通信狀況、負(fù)荷曲線、溫度監(jiān)控、歷史記錄、故障報警記錄和報表管理等菜單。在主界面的高壓配電主接線圖中選擇某條線路，點擊顯示按鈕可實時顯示出此時該回路的電流I、開關(guān)狀態(tài)以及回路名稱等，以了解高壓設(shè)備的運行狀況；而點擊低壓實時數(shù)據(jù)按鈕可選擇顯示某條線路的電流I、電壓 U、有功功率 P、無功功率 Q、視在功率 S、需要系數(shù)Kx及頻率f。其中，電流和電壓為有效值，其余為計算值。

圖4 監(jiān)控界面圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

（1）可及時、準(zhǔn)確地了解各設(shè)備的運行狀態(tài)

管理者可通過計算機(jī)在監(jiān)控中心隨時了解全院任何一個時刻的總用電情況，值班電工也可全面及時、準(zhǔn)確地了解配電設(shè)備的各項運行參數(shù)。通過“配電主接線圖”功能了解高壓設(shè)備的運行狀態(tài)，為管理者確定運行方式提供了必要的信息。通過報表管理可以了解各個供電單元每天、每月或者每季度的用電情況，綜合評估該單元經(jīng)濟(jì)效益。通過“低壓實時數(shù)據(jù)”能隨時掌握每一供電單元的用電情況?！皡?shù)查看”一欄可以提供每個用電單元的技術(shù)信息（供電范圍、電纜型號、投入時間），為增減該單元設(shè)備提供依據(jù)，從而提高了電能的管理效率，降低了運行成本。

（2）配電設(shè)備運行安全、穩(wěn)定

通過 “高低壓實時數(shù)據(jù)”、“負(fù)荷曲線”、“報警一覽”、“溫度監(jiān)控”掌握設(shè)備運行狀態(tài)，合理安排巡視重點及設(shè)備檢測保養(yǎng)周期，有效提高了設(shè)備的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

（3）節(jié)能

通過“低壓實時數(shù)據(jù)”掌握每一供電單元的用電峰段、平段及谷斷，盡可能減少高峰時段用電。根據(jù)“日報表”了解各供電單元的用電情況，分析評價該單元的電能使用效率，合理安排電能消耗。對于重點耗電設(shè)備（如水井、中央空調(diào)、電梯、鍋爐等）實施重點監(jiān)測。通過對有功、無功及功率因數(shù)的檢測，適時投入、退出電容器，使功率因數(shù)保持在較好范圍內(nèi)，以節(jié)省電費支出。同時，由于配電監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實時性好且維護(hù)簡單，也節(jié)省了人力投入，減少了不少開支。

本文提出的基于Moubus總線的智能配電監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對配電系統(tǒng)的智能化管理，在主監(jiān)控室就可以對各個站點實行集中監(jiān)控管理，節(jié)省了人力資源的同時提高了配電保護(hù)的可靠性以及管理的效率。此外，在二院項目的實際使用中發(fā)現(xiàn)，Moubus總線開放性好、靈活度高且現(xiàn)場適應(yīng)性好，可廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)控制領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]吉秀卿，魏來.現(xiàn)場總線在電力行業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.

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[3]陳堂，趙祖康，陳星鶯，等.配電系統(tǒng)極其自動化技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4]戴瑜興，馬茜.現(xiàn)場總線技術(shù)在智能斷路器系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.