Modbus協(xié)議在企業(yè)電力調度系統(tǒng)的應用

石奕

摘 要：智能監(jiān)控企業(yè)內部電力資源消耗已成為世界各國大型工礦企業(yè)應對能源挑戰(zhàn)的共同選擇，是未來能源信息系統(tǒng)的發(fā)展方向。智能電表作為智能電力信息建設的重要基礎裝備，加快其發(fā)展對于企業(yè)內部電力資源實現(xiàn)信息化、自動化、互動化具有重要支撐作用。本文介紹了重慶鋼鐵電力調度系統(tǒng)使用智能電表的概況，采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)智能電表無人采集、控制、采用Modbus/TCP的方式實現(xiàn)與智能電表的數(shù)據(jù)交互。

關鍵詞：智能電表；Modbus通訊協(xié)議；消息幀

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0167-02

1 概述

重慶鋼鐵電力調度自動化系統(tǒng)完全按照國家電網(wǎng)調度自動化技術規(guī)范要求實施，目前共接入重鋼110kV變電站，35kV變電站等變電設施。系統(tǒng)有效的幫助調度人員充分、深入和及時的掌握電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，做出正確的決策和采取相應的措施，使電力系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟的運行。遠程實時監(jiān)控電力設施運行情況，包括三相電壓、電流，功率因數(shù)，無功補償?shù)惹闆r離不開智能電表的應用，因此把智能電表的數(shù)據(jù)采集上來是電力調度自動化系統(tǒng)的基礎。

本文中采用高精度智能電表，與傳統(tǒng)的機械表相比，采用了智能電能計量芯片，具有高精度、多參數(shù)測量、校表方便等優(yōu)勢。電表內置微控制器，自帶信息存儲功能，數(shù)據(jù)信息提取間隔精確到分鐘或者更短，采用LCD屏顯示相關數(shù)據(jù)，并具備RS485、MODEM（調制解調器）接口，可方便實現(xiàn)遠程抄表、遠程校表等功能。[1]

2 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。Modbus協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

2.1 Modbus具有以下幾個特點

（1）標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。

（2）Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

2.2 Modbus傳輸模式

在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠程終端設備）。

用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網(wǎng)絡，它定義了在這些網(wǎng)絡上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網(wǎng)絡上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉成與串行傳輸無關的幀。

3 電表數(shù)據(jù)采集

本文采用PD194E電表，具有可編程測量、顯示、數(shù)字通訊和電能脈沖輸出功能，能夠完成電量測量、電能計量、數(shù)據(jù)顯示、采集及傳輸，可廣泛應用變電站自動化、配電自動化、智能建筑、企業(yè)內部電能測量、管理、考核。測量精度為0.5級，實現(xiàn)LED現(xiàn)場顯示和遠程RS-485數(shù)字接口通訊、采用MODBUS-RTU通訊協(xié)議。提供總有功、總無功電能計量，2路電能脈沖輸出功能和RS485的數(shù)字接口來完成電能數(shù)據(jù)的顯示和遠傳。儀表3排12位LED實現(xiàn)有功電能（吸收）、無功電能（感性）1次側數(shù)據(jù)，集電極開路的光耦繼電器的電能脈沖（電阻信號）實現(xiàn)有功電能（吸收）和無功電能（感性）遠傳，采用遠程的計算機終端、PLC、DI開關采集模塊采集儀表的脈沖總數(shù)來實現(xiàn)電能累積計量。另外此輸出方式還是電能的精度檢驗的方式。[2]

3.1 電表使用

測量顯示：PD194E-9S4G可測量電網(wǎng)中常用電力參數(shù)，如：Uan、Ubn、Ucn（相電壓）；Uab、Ubc、Uca（線電壓）；Ia、Ib、Ic（電流）；Ps（總有功功率）；Qs（總無功功率）；PFs（總功率因數(shù)）；FR（頻率）以及4個四象限電能：有功電能（吸收）、有功電能（釋放）、無功電能（感性）、無功電能（容性），所有的測量電量參數(shù)全部保存儀表內部的電量信息表中，通過儀表的數(shù)字通訊接口可訪問采集這些數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)字通訊

數(shù)據(jù)幀的結構：即報文格式，見表1。

功能碼：告訴被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。PD194E-9S4G只支持03/04的功能碼，見表2。

通訊報文舉例：

讀數(shù)據(jù)（功能碼：03/04）：此功能允許用戶獲得設備采集與記錄的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。主機一次請求的數(shù)據(jù)個數(shù)沒有限制，但不能超出定義的地址范圍，見表3。下面的例子是讀地址為12的從機讀6個采集到的基本數(shù)據(jù)UA、UB、UC、IA、IB、IC（數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)每個地址占用2個字節(jié)，UA的開始地址為00：00H開始，數(shù)據(jù)長度為6：06H個字。）查詢數(shù)據(jù)幀（主機）。

綜上所述：本文采用Modbus RTU的方式連接智能電表與服務器，通過TCP的方式使用網(wǎng)關和RS485轉TCP接口把RTU協(xié)議格式轉化為TCP方式傳輸?shù)椒掌魃稀3]

ModbusRTU代碼如下：

SerialPort port = new SerialPort（"COM1"）；

// configure serial port

port.BaudRate = 9600；

port.DataBits = 8；

port.Parity = Parity.None；

port.StopBits = StopBits.One；

port.Open（）；

// create modbus master

IModbusSerialMaster master = ModbusSerialMaster.CreateRtu（port）；

byte slaveId = 1；

ushort startAddress = 1；

ushort numRegisters = 5；

// read five registers

ushort[] registers = master.ReadHoldingRegisters（slaveId， startAddress， numRegisters）；

for （int i = 0； i < numRegisters； i++）

Console.WriteLine（"Register {0}={1}"， startAddress + i， registers[i]）；

byte slaveId = 1；

ushort startAddress = 1；

// write three coils

master.WriteMultipleCoils（slaveId， startAddress， new bool[] { true， false， true }）；

4 結語

通過利用Modbus協(xié)議編程實現(xiàn)上位機和智能電表的數(shù)據(jù)交互完全可實現(xiàn)遠程抄表、校表的功能，達到了大型企業(yè)對智能用電的監(jiān)控要求，本系統(tǒng)目前已投入使用且運行良好。

參考文獻

[1]董偉英.芻議如何做好電網(wǎng)運行中的電力調度工作[J].中國新技術新產(chǎn)品，2012，（3）：247-247.

[2]馬強，荊銘，延峰，等.電力調度綜合數(shù)據(jù)平臺的標準化設計與實現(xiàn)[J].電力自動化設備，2011，31（11）：125-129.

[3]陳啟鑫，康重慶，夏清，等.低碳電力調度方式及其決策模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（12）：18-23.