Modbus的多功能網絡電力儀表的設計

Modbus的多功能網絡電力儀表的設計

摘要：文中介紹了一種基於RS－485串行通信接口與Modbus協議的多功能網絡電力儀表，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數字信號控製器為核心，利用MCU內置A/D模塊對6路電信號進行實時同步采樣，經軟件計算實現對電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、電能和諧波等電參量的**測量， 經實驗驗證精度達到0.5S級。再配以Modbus現場總線測量和控製模塊可組成電力監控係統，實現配電監控係統的遙測、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

   電能監測在電力係統運行管理和技術監督中起著重要的作用，使用一體化、智能化、網絡化的多功能網絡電力儀表代替機械式的電力儀表已成了工業自動化的大趨勢。文中介紹的多功能電力儀表主要針對電力係統的監控需求而設計，具有成本低，精度高，功能擴展方便，工作穩定等優點，同時該表具備完善的通信聯網能，適合實時電力監控係統。

1 電力儀表硬件設計

   設計的多功能網絡電力儀表以數字信號控製器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、數據處理、軟件計算，**求解有功功率、 無功功率、功率因數、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所示為電力儀表係統框圖，MCU主要負責電參數的采集、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是係統的核心，dsPIC33FJ128GP706內含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，係統工作穩定以及代碼保護功能等優點，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。因為係統需要測量功率、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、減少由於采樣時間不同而產生的相 位誤差。

    根據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標誌。根據交流電計算公式，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。

再由傅裡葉變換可將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、諧波等監測量，並進行相應的存儲顯示和通信。

1．3 存儲器及外圍模塊

    數據存儲一般采用3種存儲方式， EEPROM，NVRAM和FRAM，經比較，FRAM存儲容量為128K×1bit，可配置成256K×8 bit，擦寫次數為100萬億次，無延時寫，兼容SRAM，60ns訪問時間，110ns周期時間，低電源監測，防止意外寫內存。該表需要存儲器保存係統固定參數，用戶設定參數和測量數據等信息，因此采用並口2Mbit大容量***1L16，用來存儲事件記錄、每小時曆史數據、日統計數據、報警異常記錄、遙測越限記錄等數據， 可保存數個月的曆史數據。

係統實時時鐘選用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；用於存儲、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。附加模塊實現開關信號的檢測，報警或控製輸出，電能的脈衝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、控製方便、成本低廉等優點。對於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：由於RS－485總線為並接式二線製接口， 一旦有一芯片出現故障就可能將總線“拉死”。因此，在其二線製接口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隻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湧乾擾。對於收發控製端，則采用MCU引腳並通過反相器來進行控製，防止MCU上電時對總線的乾擾。為提高RS－485通信效率，保證數據傳輸質量，係統采用Modbus－RTU總線協議。該表采用隔離型RS－485收發器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，可根據用戶的需求方便地對功能模塊進行添加修改，而且代碼經過優化，其生成的目標代碼大小及執行效率與彙編代碼相當。係統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係統主程序

係統主程序負責A/D采樣數據的處理，數據存儲，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網絡通信，其中主循環中各個任務的執行由相應的標誌位控製， 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個定時器分彆觸發2個A/D模塊，使2個模塊時間上儘量步。采樣中斷隻負責A/D數據的采集和保存，而各電參量的計算置於主程序中，

如圖4所示為A/D中斷子程序流程圖。

2．3 Modbus通信程序

   通信協議采用Modbus－RTU協議，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）根據主設備查詢提供的數據做出相應反應。Modbus網絡上的設備具有**的通信地址， 主設備按地址來識彆從設備，並決定要產生何種操作。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絡通信功能，網絡結構框圖如圖6所示。通過總線可以及時把現場分表采集的數據傳送到控製台的主表，主表接收到數據包後進行解包再將數據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，把現場采集的數據傳送到上位機，通過上位機實現對電能質量的實時監控和管理。

包再將數據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，把現場采集的數據傳送到上位機，通過上位機實現對電能質量的實時監控和管理。

圖6 儀表網絡框架示意圖

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，好的線性度和動態範圍，滿足通常的工業需求，具有良好的實用價值。

  4 結束語

該多功能網絡電力儀表以dsPIC33FJ128GP706為核心，利用MCU內置A/D模塊對6路電壓、電流信號進行同步采樣。經過計算實現對有功功率、無功功率、功率因數、電能等電參量的**測量，精度達到0.5S級。該表在體係結構和測量精度上都具有一定的優越性，可廣泛用於對電力參數進行監測的係 統中， 再配以Modbus現場總線測量和控製模塊可組成電力監控和控製係統，實現配電監控係統的遙測、遙信、遙控、遙調等功能。該表具有穩定性和高精度控製係統特性，優良的性價比，在電力保護監控係統發展中擁有廣闊的市場前景。

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