Modbus协议在企业电力调度系统的应用

石奕

摘 要：智能监控企业内部电力资源消耗已成为世界各国大型工矿企业应对能源挑战的共同选择，是未来能源信息系统的发展方向。智能电表作为智能电力信息建设的重要基础装备，加快其发展对于企业内部电力资源实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用。本文介绍了重庆钢铁电力调度系统使用智能电表的概况，采用Modbus协议实现智能电表无人采集、控制、采用Modbus/TCP的方式实现与智能电表的数据交互。

关键词：智能电表；Modbus通讯协议；消息帧

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0167-02

1 概述

重庆钢铁电力调度自动化系统完全按照國家电网调度自动化技术规范要求实施，目前共接入重钢110kV变电站，35kV变电站等变电设施。系统有效的帮助调度人员充分、深入和及时的掌握电力系统运行状态，做出正确的决策和采取相应的措施，使电力系统更加安全、经济的运行。远程实时监控电力设施运行情况，包括三相电压、电流，功率因数，无功补偿等情况离不开智能电表的应用，因此把智能电表的数据采集上来是电力调度自动化系统的基础。

本文中采用高精度智能电表，与传统的机械表相比，采用了智能电能计量芯片，具有高精度、多参数测量、校表方便等优势。电表内置微控制器，自带信息存储功能，数据信息提取间隔精确到分钟或者更短，采用LCD屏显示相关数据，并具备RS485、MODEM（调制解调器）接口，可方便实现远程抄表、远程校表等功能。[1]

2 Modbus协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

2.1 Modbus具有以下几个特点

（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。

（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

2.2 Modbus传输模式

在ModBus系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCII（美国信息交换码），另一种模式是RTU（远程终端设备）。

用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。

3 电表数据采集

本文采用PD194E电表，具有可编程测量、显示、数字通讯和电能脉冲输出功能，能够完成电量测量、电能计量、数据显示、采集及传输，可广泛应用变电站自动化、配电自动化、智能建筑、企业内部电能测量、管理、考核。测量精度为0.5级，实现LED现场显示和远程RS-485数字接口通讯、采用MODBUS-RTU通讯协议。提供总有功、总无功电能计量，2路电能脉冲输出功能和RS485的数字接口来完成电能数据的显示和远传。仪表3排12位LED实现有功电能（吸收）、无功电能（感性）1次侧数据，集电极开路的光耦继电器的电能脉冲（电阻信号）实现有功电能（吸收）和无功电能（感性）远传，采用远程的计算机终端、PLC、DI开关采集模块采集仪表的脉冲总数来实现电能累积计量。另外此输出方式还是电能的精度检验的方式。[2]

3.1 电表使用

测量显示：PD194E-9S4G可测量电网中常用电力参数，如：Uan、Ubn、Ucn（相电压）；Uab、Ubc、Uca（线电压）；Ia、Ib、Ic（电流）；Ps（总有功功率）；Qs（总无功功率）；PFs（总功率因数）；FR（频率）以及4个四象限电能：有功电能（吸收）、有功电能（释放）、无功电能（感性）、无功电能（容性），所有的测量电量参数全部保存仪表内部的电量信息表中，通过仪表的数字通讯接口可访问采集这些数据。

3.2 数字通讯

数据帧的结构：即报文格式，见表1。

功能码：告诉被寻址到的终端执行何种功能。PD194E-9S4G只支持03/04的功能码，见表2。

通讯报文举例：

读数据（功能码：03/04）：此功能允许用户获得设备采集与记录的数据及系统参数。主机一次请求的数据个数没有限制，但不能超出定义的地址范围，见表3。下面的例子是读地址为12的从机读6个采集到的基本数据UA、UB、UC、IA、IB、IC（数据帧中数据每个地址占用2个字节，UA的开始地址为00：00H开始，数据长度为6：06H个字。）查询数据帧（主机）。

综上所述：本文采用Modbus RTU的方式连接智能电表与服务器，通过TCP的方式使用网关和RS485转TCP接口把RTU协议格式转化为TCP方式传输到服务器上。[3]

ModbusRTU代码如下：

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 結语

通过利用Modbus协议编程实现上位机和智能电表的数据交互完全可实现远程抄表、校表的功能，达到了大型企业对智能用电的监控要求，本系统目前已投入使用且运行良好。

参考文献

[1]董伟英.刍议如何做好电网运行中的电力调度工作[J].中国新技术新产品，2012，（3）：247-247.

[2]马强，荆铭，延峰，等.电力调度综合数据平台的标准化设计与实现[J].电力自动化设备，2011，31（11）：125-129.

[3]陈启鑫，康重庆，夏清，等.低碳电力调度方式及其决策模型[J].电力系统自动化，2010，34（12）：18-23.