智能电力网络仪表监测与分析

徐 艳,熊昱凯,常雨芳，汪 露，谭 野

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

0 引 言

在电力系统中，用户使用电能的情况由智能电力网络仪表来监测，并同时将用户的用电信息传输到电力监测站,这个过程中可以采用RS-485总线[1]实现多从站以及长距离或较长距离通讯.电力监控系统采用RS-485总线，具有设备简单、价格低廉、长距离通信等优点.同时，为了方便用户合理、有效、均衡地利用电能，避免电力系统出现用电负荷尖峰，提高系统的用电负荷效率，对用户端的电能计量装置进行在线监测具有重要的意义.

笔者采用RS-485串行通讯，并在总线传输时使用RS-485 集线器与终端阻抗匹配构成星型网络拓扑结构，将实验所采用的3只智能电力网络仪表DW93-1000[2]综合测量显示的电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数等参数，采用Modbus RTU通讯协议在上位机组态中的监测组态画面中完成通讯功能，实现上位机与智能电力网络仪表的数据交换.

1 RS-485串行通讯

分布式工业控制系统和计算机网络中，在进行数据通讯时，通常会使用串行通讯来实现数据的采集和交换，串行通讯常用的接口标准有RS-232串口标准和RS-485串口标准2种.

在低速率串行通讯时增加通讯距离的单端标准称为RS-232串口标准.RS-232采用单端通讯，收发端的数据信号都是对地信号，因此其共模抑制能力差，而且由于双绞线分布电容的存在，使得其传输距离较小，最高速率为20 kb/s，只能支持点对点通讯[3].

针对RS-232串行通讯存在的问题，提出了RS-485串口标准.串口通讯的发送端将待发送的信号转换成两路差分信号A和B输出，经传输后再在接收端将两路差分信号重新还原成晶体管-晶体管逻辑(Transistor Transistor Logic，以下简称：TTL)电平信号.由于采用差分形式进行传输，传输线通常使用双绞线，所以采用以TTL电平和差分传输的方式进行串行通讯具有极强的抗共模干扰的能力且总线收发器灵敏度较高.RS-485具有较长的通讯距离，最高传输速率可达10 Mb/s.传输速率与距离成反比,在最小传输速率100 kb/s下，可以达到最大通讯距离[1].

RS-485串口通讯采用半双工(在任意时刻，信息既可由A传到B，又可由B传到A，但只能在一个方向上传输)方式，支持多点数据通讯.RS-485串口总线的拓扑结构一般采用终端阻抗匹配结构，即用一条总线将各个进行串行通讯的节点串接起来，这种结构的RS-485总线不支持环形网络或星型网络.如果要使用星型结构，就必须在总线传输的终端使用RS-485中继器或 RS-485集线器.

图1介绍了一种用RS-485中继器连接多个能进行RS-485通讯的仪表的结构.

图1 带有RS-485中继器的总线结构Fig.1 RS-485 bus structure with repeaters

在图1所示的总线分布结构中，由于RS-485总线受差分信号传输特点的限制，总线长度一般在1 200 m左右，而且布线覆盖面积十分有限(一般为几百平方米),为了拓宽传输距离采用了中继器.

在图1的基础上可以采用星型结构连接RS-485总线[4]，如图2所示.它采用独特的等位分差隔离技术和高效的总线分割集中技术，能有效解决工程布线中常见的地电位差异、阻抗匹配及雷击问题.同时，分割网段，提高了通信可靠性，当雷击或者设备故障产生时，出现问题的网段将被隔离，以确保其他网段的正常工作.

图2 星型结构RS-485总线Fig.2 Star RS-485 bus structure

本研究采用图2所示的星型结构连接总线，使用3只智能电力网络仪表DW93-1000综合测量显示电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数.

2 RS-485总线对智能电表的监测

笔者利用智能电力网络仪表DW93-1000采集三站的电力参数，并通过RS-485与上位机监控进行通讯.

DW93-1000智能电力网络仪表采用松野公司生产的具有RS-485串行通讯和标准Modbus RTU协议的智能电力网络仪表DW93-1000.

监测系统采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的，基于Windows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的监视与控制通用系统“MCGS6.2”，作为上位计算机的监控软件，选用智能电力网络仪表DW93-1000为通讯网络的从站.DW93-1000智能电力网络仪表和RS-485通讯总线[5]均支持Modbus RTU通讯协议，通过在上位机组态中进行相关设置、构建监测组态画面来完成通讯功能，实现上位机与DW93-1000和RS-485总线的数据交换.

具体设置方法如下：

a.在组态的设备窗口中定义串口父设备的参数，初始工作状态：1-启动；最小采集周期：10 ms；串口端口号：0-COM1；通讯波特率：6-9 600 Bd；数据位：1-8位；校验位：0-1位(偶校验)；停止位：0-1位；

b.每台DW93-1000和RS-485配置唯一的设备地址，地址范围为1～254，设备参数：初始工作状态：1-启动；最小采集周期：10 ms；设备地址：1、 2、3；通讯等待时间：200 ms；

c.建立实时数据库，定义通信数据的寄存器地址和数据类型：除系统内建数据对象为字符型以外，其他新建数据对象均为数值型.

图3 为RS-485通讯的组态主画面，通过按钮切换至数据图4所示画面.

图3 RS-485通讯组态主画面Fig.3 Main configuration of RS-485 communication

图3中，采用星型结构连接总线即一台计算机通过RS-485集线器连接3只DW93-1000智能电力网络仪表，将各仪表的数据以表格的形式在数据采集窗口中显示.其中，3只DW93-1000智能电力网络仪表测量三处电阻负载上的电量值，通过调压器使各电阻上端电压为11V，A站3只水泥电阻阻值为2.4Ω，B、C站水泥电阻阻值为10Ω.

图4 组态的数据采集窗口Fig.4 Data acquisition configuration window

在图4中，以表格的形式显示A、B、C三站的A相的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和频率，各项数据以一位小数，零个空格的形式显示.

3 监测分析

将A、B、C站的数据通过RS-485总线与上位机的组态进行通讯，通讯的结果以数据表格的形式显示，如图5所示.

图5 智能仪表的监测结果Fig.5 Monitoring result of intelligent meters

分别采集各站电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)、功率因数角(φ)和频率(F)，A站A相采集的数值分别为：UA=413.0 V,IA=3.0A,PA=160.0 W, QA=5 000 000.0 Var, φA=50 003.0°,FA= 4 248.0 Hz.分析A站A相的数据可知，上位计算机的组态软件采集到的数据不是直接以十进制数显示的，而是以DW93-1000智能电力网络仪表的原始编码显示，即所采集到的数据符合美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，以下简称：IEEE)754标准，若要实时显示各站电量需要对上位机采集到的数据进行处理.

IEEE 754 标准[6]是由IEEE在1985年提出的.该标准规定基数为2，阶码E用移码表示，尾数M用原码表示，根据二进制的规格化方法，最高数字位总是1，该标准将这个1缺省存储，使得尾数表示范围比实际存储的多一位.实数的IEEE 754标准的浮点数格式有3种形式，如表1所示.

标准浮点数的存储在尾数中隐含存储着一个1，因此在计算尾数的真值时比一般形式要多一个整数1.对于阶码E的存储形式是127的偏移，所以在计算其移码时与人们熟悉的128偏移不一样，正数的值比用128偏移求得的少1，负数的值多1，为避免计算错误，方便理解，常将E当成二进制真值进行存储.例如：将数值-0.5按IEEE 754单精度格式存储，先将-0.5换成二进制并写成标准形式：-0.5(10进制)= -0.1(2进制)=-1.0×2-1(2进制，-1是指数)，这里s=1，M为全0，E-127=-1，E=126(10进制)=01111110(2进制)，则存储形式为：1 0111 1110 0000 0000 0000 0000 0000 0000=BF000000H(16进制).

表1 IEEE 754三种浮点数的格式参数

Table 1 Three kinds IEEE 754 floating-point parameters

类型位数阶码E尾数M十六进制十进制短实数1位8位23位0x7FH+127长实数1位11位52位0x3FFH+1 023延伸双精确度1位15位64位0x3FFFH+16 383

一个实数N在IEEE 754标准中可以用

N=(-1)s×M×2E 的形式表示，其中：

s(sign)为符号位，决定实数N是正数(s=0)还是负数(s=1)，对数值“0”的符号位特殊处理；

M(significand)为有效数字，为二进制小数，M的取值范围为1≤M<2或0≤M<1；E(exponent)为指数，是2的幂，对浮点数加权.

根据以上的对IEEE 754的说明，可以将采集到的符合IEEE 754标准的A站的A相各电量数据进行处理，处理之后的值为：

A相电压：41 300 000→1.1011E1=11.011 V，

A相电流：30 000 000→0.4650E1=4.65 A，

A相有功功率：16 000 000→1.0339=1.033 9 W，

A相无功功率:70 003 000→1.586 9=1.586 9 Var，

A相功率因数:50 003 000→8.6025E-1=0.860 3，

A相频率：42 480 000→5.0E1=50 Hz.

结合实验条件：A站电压为11 V，电阻为2.4 Ω，则电流为11/2.4=4.58 A，与根据IEEE 754标准处理的数据相一致，因此上位机中组态软件中采集到的数据为各站智能电表实时采集的数据，即上位计算机通过RS-485总线与所采用的3只智能电力网络仪表进行串行通讯，可以实时显示各站的电量信息，能够实现对各站电力参数的监测.

由于采用RS-485总线，多台仪表在一根线上实现了互联，使安装和调试的费用大大的减少，系统的综合成本极大地降低.使用的通讯模式为Modbus方式，它采用RS-485接口，通讯距离为上百米到上千米，在多点互联时确实方便并且成本也较低，但是在某些场合它却不能满足需要，如需要和办公自动化(OA)实现无缝连接以及在不同工厂间通信系统的连接等场合[5]存在数据传输过慢的问题.

4 结 语

使用RS-485总线，能够实现多站联网，构成分布式系统，实现长距离通讯.同时可以对电能计量装置进行在线监测，对电表进行远方通讯等.笔者选用DW93-1000电表进行RS-485总线通讯，将采集到的A、B、C三站的实时电量信息与上位计算机的组态软件进行串行通讯，并对符合IEEE 754标准的各电量值进行分析计算，计算结果表明采用星型连接的RS-485总线可以实时显示各站的电量信息，能够实现对各站电力参数的监测.

参考文献：

[1] 郭永吉，王兴贵．Modbus RTU模式下工控机与智能仪表的通讯实现[J]．甘肃科学学报，2008，20(1)：102-104．

[2] 松野电气(武汉)有限公司.DW93-1000系列智能电量综合测量仪[EB/OL].[2012-02-19].http://www.sokyotw.com/Simplified/ProductView.asp?ID=174&sortID=183.

[3] 王琦，秦娟英，周伟．用RS-485构成总线型多点数据采集系统[J]．计算机自动测量与控制，2000,8(6)：45-47，52．

[4] 穆斌，罗珣．RS-485总线网络应用中的安全与可靠性[J]．光学精密工程，2003，11(2)：90-94．

[5] 李革梅，刘福岩，张增亮．基于RS-485总线的设备分布检测系统的研究[J]．计算机与现代化，2009(3)：56-59，69．

[6] 薛海涛，和卫星，陈晓平．数据采集系统中Modbus协议的实现[J]．微计算机信息，2007，23(28)：68-69，281．