Modbus協議在企業電力調度系統的應用

石奕

摘 要：智能監控企業內部電力資源消耗已成為世界各國大型工礦企業應對能源挑戰的共同選擇，是未來能源信息系統的發展方向。智能電表作為智能電力信息建設的重要基礎裝備，加快其發展對于企業內部電力資源實現信息化、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使用智能電表的概況，采用Modbus協議實現智能電表無人采集、控制、采用Modbus/TCP的方式實現與智能電表的數據交互。

關鍵詞：智能電表；Modbus通訊協議；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完全按照國家電網調度自動化技術規范要求實施，目前共接入重鋼110kV變電站，35kV變電站等變電設施。系統有效的幫助調度人員充分、深入和及時的掌握電力系統運行狀態，做出正確的決策和采取相應的措施，使電力系統更加安全、經濟的運行。遠程實時監控電力設施運行情況，包括三相電壓、電流，功率因數，無功補償等情況離不開智能電表的應用，因此把智能電表的數據采集上來是電力調度自動化系統的基礎。

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

2 Modbus協議

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。Modbus協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。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協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產品超過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，廠商開發簡單。

2.2 Modbus傳輸模式

在ModBus系統中有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（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網絡，它定義了在這些網絡上連續傳輸的消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網絡上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉成與串行傳輸無關的幀。

3 電表數據采集

本文采用PD194E電表，具有可編程測量、顯示、數字通訊和電能脈沖輸出功能，能夠完成電量測量、電能計量、數據顯示、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、企業內部電能測量、管理、考核。測量精度為0.5級，實現LED現場顯示和遠程RS-485數字接口通訊、采用MODBUS-RTU通訊協議。提供總有功、總無功電能計量，2路電能脈沖輸出功能和RS485的數字接口來完成電能數據的顯示和遠傳。儀表3排12位LED實現有功電能（吸收）、無功電能（感性）1次側數據，集電極開路的光耦繼電器的電能脈沖（電阻信號）實現有功電能（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來實現電能累積計量。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可測量電網中常用電力參數，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）；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全部保存儀表內部的電量信息表中，通過儀表的數字通訊接口可訪問采集這些數據。

3.2 數字通訊

數據幀的結構：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：

讀數據（功能碼：03/04）：此功能允許用戶獲得設備采集與記錄的數據及系統參數。主機一次請求的數據個數沒有限制，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個采集到的基本數據UA、UB、UC、IA、IB、IC（數據幀中數據每個地址占用2個字節，UA的開始地址為00：00H開始，數據長度為6：06H個字。）查詢數據幀（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的方式使用網關和RS485轉TCP接口把RTU協議格式轉化為TCP方式傳輸到服務器上。[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協議編程實現上位機和智能電表的數據交互完全可實現遠程抄表、校表的功能，達到了大型企業對智能用電的監控要求，本系統目前已投入使用且運行良好。

參考文獻

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

[2]馬強，荊銘，延峰，等.電力調度綜合數據平臺的標準化設計與實現[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].電力系統自動化，2010，34（12）：18-23.