Modbus的多功能網(wǎng)絡電力儀表的設計

摘要：文中介紹了一種基于RS－485串行通信接口與Modbus協(xié)議的多功能網(wǎng)絡電力儀表，給出了該儀表的測量原理、詳細的硬件結構和軟件求解流程。該儀表以dsPIC33FJ128GP706數(shù)字信號控制器為核心，利用MCU內(nèi)置A/D模塊對6路電信號進行實時同步采樣，經(jīng)軟件計算實現(xiàn)對電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、電能和諧波等電參量的**測量， 經(jīng)實驗驗證精度達到0.5S級。再配以Modbus現(xiàn)場總線測量和控制模塊可組成電力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控、遙調的功能。

關鍵詞：RS－485；Modbus；電力儀表

Design Of Multi- Function Network Power Meter Based On Modbus

Abstract：This paper introduced a kind of multi- function network power meter based on RS485 and Modbus specification，and presented the measure principle of the system，detailed circuit components and software flow chart．The Power meter adopted microchip digital signal controller dsPIC33FJ128GP706，and sample simultaneously six channel signal with build-in on-chipA/D．The power meter can measure some power parameters such as voltage， current，frequency，power factor，active power，inactive pow-er，energy and harmonic．The experiment verifies that its precision meets the requirement of 0.5S level．Power monitor system may be composed of Modbus field bus measure and control module，and implement the function of remote measure ，remote communi- cate，remote control ，remote adjust．

Key words ：RS－485；Modbus；power meter

0引言

   電能監(jiān)測在電力系統(tǒng)運行管理和技術監(jiān)督中起著重要的作用，使用一體化、智能化、網(wǎng)絡化的多功能網(wǎng)絡電力儀表代替機械式的電力儀表已成了工業(yè)自動化的大趨勢。文中介紹的多功能電力儀表主要針對電力系統(tǒng)的監(jiān)控需求而設計，具有成本低，精度高，功能擴展方便，工作穩(wěn)定等優(yōu)點，同時該表具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)能，適合實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。

1 電力儀表硬件設計

   設計的多功能網(wǎng)絡電力儀表以數(shù)字信號控制器dsPIC33FJ128GP706為核心，以測量的瞬時電壓、瞬時電流為基礎，通過MCU自帶同步A/D轉換、數(shù)據(jù)處理、軟件計算，**求解有功功率、 無功功率、功率因數(shù)、電能等常用的電參量。該儀表主要以下五部分：信號處理部分、MCU運算單元、顯示存儲單元、附加模塊部分、通信元。如圖1所示為電力儀表系統(tǒng)框圖，MCU主要負責電參數(shù)的采集、有效值運處理、存儲、顯示、通信等工作。

1．1 輸入信號及調理電路設計

   輸入信號及調理電路主通過互感器及相關電路將三項電壓和三項電流轉換成A/D能夠接受的電壓信號，如何減少失真降低噪音是該部分的關鍵。電流互感器采用5A/2.5mA精密互感器，精0.1%；電壓互感器采用額定電流比為mA

 　　　　　　　　　圖1 電力儀表硬件組成框

圖 2mA的精密互感器，精度也為0.1%。電壓傳感器電路采用電壓互感器串聯(lián)大電阻降壓，通過所測的低電壓來感知輸入的高電壓；電流傳感器電路采用電流互感器通過取樣小電阻測量大電流。

1．2 MCU及A/D同步采樣

    MCU是系統(tǒng)的核心，dsPIC33FJ128GP706內(nèi)含DSP引擎，速度可達40 MIPS，具有低電壓、超低功耗，強大的處理能力，系統(tǒng)工作穩(wěn)定以及代碼保護功能等優(yōu)點，同時自帶2個10bit/12bitA/D模塊，可配置成2路、4路或8路10bit同時采樣。因為系統(tǒng)需要測量功率、電能等電量，所以A、B、C三相電壓、三相電流的測量對相位有較高的要求，采用MCU內(nèi)置A/D模塊進行電壓、電流同步采樣，將期中一個A/D模塊配置成4路同時采樣，另一個A/D模塊配置成2路同時采樣，兩個模塊共6路可同時采樣3路電壓3路電流信號。這6個通道同時采樣，有效地降低成本、提高性能、減少由于采樣時間不同而產(chǎn)生的相 位誤差。

    根據(jù)采樣所得到的瞬時電壓，瞬時電流MCU可及時計算出瞬時功率及周期狀態(tài)標志。根據(jù)交流電計算公式，可以計算出電壓有效值、電流有效值。由瞬時電壓瞬時電流簡單的求出瞬時功率、 有功功率。視在功率為電壓有效值與電流有效值之乘積，由有功功率和視在功率可以計算出功率因素。

再由傅里葉變換可將u（t）分解為基波和各次諧波分量的形式，從而可得到第k次諧波電壓的幅值和有效值。 通過以上計算，得到電壓、電流的有效值，功率、電能、諧波等監(jiān)測量，并進行相應的存儲顯示和通信。

1．3 存儲器及外圍模塊

    數(shù)據(jù)存儲一般采用3種存儲方式， EEPROM，NVRAM和FRAM，經(jīng)比較，F(xiàn)RAM存儲容量為128K×1bit，可配置成256K×8 bit，擦寫次數(shù)為100萬億次，無延時寫，兼容SRAM，60ns訪問時間，110ns周期時間，低電源監(jiān)測，防止意外寫內(nèi)存。該表需要存儲器保存系統(tǒng)固定參數(shù)，用戶設定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)等信息，因此采用并口2Mbit大容量***1L16，用來存儲事件記錄、每小時歷史數(shù)據(jù)、日統(tǒng)計數(shù)據(jù)、報警異常記錄、遙測越限記錄等數(shù)據(jù)， 可保存數(shù)個月的歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)實時時鐘選用I2 C串行接口時鐘芯片PCF8563，*快 400 kbit/s．提供年，月，日，星期，時，分，秒；用于存儲、記錄時標和實時時鐘的運行。

    附加模塊包括開關量輸入、開關量輸出和模擬量輸出等模塊，可任意組合使用，但一個模塊不可同時使用兩塊。附加模塊實現(xiàn)開關信號的檢測，報警或控制輸出，電能的脈沖輸出和可選測量量的模擬量輸出。

1．4 通信電路

   該設計外圍通信采用RS－485方式，這種方式具有硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點。對于RS－485總線存在的自適應差、自保護功能脆弱、通信效率低等問題，通過一些細節(jié)處理可得到解決，提高RS－485總線的運行可靠性。具體處理如下：由于RS－485總線為并接式二線制接口， 一旦有一芯片出現(xiàn)故障就可能將總線“拉死”。因此，在其二線制接口485A、485B與總線之間應加以隔離，即在485A、485B與總線之間各串接一只4～10Ω的PTC電阻， 同時與地之間各跨接6.8V的TVS二極管來消除線路浪涌干擾。對于收發(fā)控制端，則采用MCU引腳并通過反相器來進行控制，防止MCU上電時對總線的干擾。為提高RS－485通信效率，保證數(shù)據(jù)傳輸質量，系統(tǒng)采用Modbus－RTU總線協(xié)議。該表采用隔離型RS－485收發(fā)器IS015，圖2所示是該設計中采用的具體通信電路。

2 電力儀表軟件設計

   該儀表軟件使用C語言編寫，編碼效率高，可維護性好，采用模塊化程序設計，可根據(jù)用戶的需求方便地對功能模塊進行添加修改，而且代碼經(jīng)過優(yōu)化，其生成的目標代碼大小及執(zhí)行效率與匯編代碼相當。系統(tǒng)軟件包括初始化模塊、主程序模塊、同步采樣驅動模塊、LCD接口驅動模塊及Modbus通信程序模塊等。

              　　      圖2　通信電路圖

2．1系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序負責A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)存儲，鍵盤掃 描，LCD顯示，計算電壓、電流的方均根有效值，功率、電能、諧波等的計算和Modbus網(wǎng)絡通信，其中主循環(huán)中各個任務的執(zhí)行由相應的標志位控制， 主程序流程圖如圖3所示

。

                        圖3 主程序流程圖

2．2 采樣中斷子程序

   為降低誤差，使用2個定時器分別觸發(fā)2個A/D模塊，使2個模塊時間上盡量步。采樣中斷只負責A/D數(shù)據(jù)的采集和保存，而各電參量的計算置于主程序中，

如圖4所示為A/D中斷子程序流程圖。

2．3 Modbus通信程序

   通信協(xié)議采用Modbus－RTU協(xié)議，使用主從技術，即僅有一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢），其他設備（從設備）根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應反應。Modbus網(wǎng)絡上的設備具有**的通信地址， 主設備按地址來識別從設備，并決定要產(chǎn)生何種操作。文中儀表屬從設備，如圖5所示是Modbus主－從查詢－回應周期。

該儀表采用RS－485總線使該儀表具有局域網(wǎng)絡通信功能，網(wǎng)絡結構框圖如圖6所示。通過總線可以及時把現(xiàn)場分表采集的數(shù)據(jù)傳送到控制臺的主表，主表接收到數(shù)據(jù)包后進行解包再將數(shù)據(jù)存儲到指定的存儲空間，主表通過RS－232串行接口與電腦進行通信，把現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機，通過上位機實現(xiàn)對電能質量的實時監(jiān)控和管理。

包再將數(shù)據(jù)存儲到指定的存儲空間，主表通過RS－232串行接口與電腦進行通信，把現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機，通過上位機實現(xiàn)對電能質量的實時監(jiān)控和管理。

圖6 儀表網(wǎng)絡框架示意圖

3儀表精度測試與分析

該儀表采用三相交直流多功能標準源對儀表的測量精度 進行了實驗驗證。為了保證整個量程內(nèi)的測量精度而又不失一般性，輸入測試電流0.050～6.000A，觀察10個測試點，輸入測試相電壓10.0～260.0V，觀察7個測試點，進行多個電參量的測量。文中僅例舉電流、電壓有效值的測量，具體測量結果如表

1、   表2所示。

實驗結果表明，該儀表具有高的測量精度，好的線性度和動態(tài)范圍，滿足通常的工業(yè)需求，具有良好的實用價值。

  4 結束語

該多功能網(wǎng)絡電力儀表以dsPIC33FJ128GP706為核心，利用MCU內(nèi)置A/D模塊對6路電壓、電流信號進行同步采樣。經(jīng)過計算實現(xiàn)對有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能等電參量的**測量，精度達到0.5S級。該表在體系結構和測量精度上都具有一定的優(yōu)越性，可廣泛用于對電力參數(shù)進行監(jiān)測的系 統(tǒng)中， 再配以Modbus現(xiàn)場總線測量和控制模塊可組成電力監(jiān)控和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控、遙調等功能。該表具有穩(wěn)定性和高精度控制系統(tǒng)特性，優(yōu)良的性價比，在電力保護監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展中擁有廣闊的市場前景。

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