基于智能电表的电能监测系统设计

颜世佳 朱香佳 刘茗中 刘彩云 朱桂明

摘要：根据工厂及办公场所对电能数据监测的需求，设计了一种基于智能电表的电能监测系统，介绍了智能电表与串口服务器的硬件构成及Modbus协议部分内容，并給出了监测系统的软件设计。该系统为设备的电能监测提供了一种联网技术方案，经测试，其能够以低成本实现电能数据监测，保证监测的可靠性与实时性，对电能监测系统的发展起到了一定的推动作用。

关键词：串口服务器;智能电表;Modbus协议;电能监测系统

0    引言

企业生产过程中存在电能浪费情况，不符合节能要求。为此，新工厂常采用自带电能监测功能的生产设备，并配有网络环境用于数据传输，实现电能的监测。但多数工厂由于设备老旧与环境问题，未配备电能采集装置，且不具备重新布置线缆的能力。因此建立一种利用智能电表组成的电能监测系统对设备进行实时监测，为能源管理提供数据支持。

1    监测系统硬件构成

1.1    智能电表

由于电压等级不同，为方便表示，智能电表硬件框图以单相智能电表为例，如图1所示。

在待测设备的电源加装智能电表，电流采样模块采用串联接入方式计量电流数据，电压采样模块采用并联方式接入待测电路计量电压数据，电源模块通过交直流变换为各模块供电。同时，电压、电流数据经过内部总线传输至电功率测量芯片进行计算，得出实时电压、电流、功率以及电能等相关电参数，数据同步至控制模块，再由控制模块完成数据的存储、显示与通信等功能。

1.2    串口服务器

由于智能电表采用串行通信接口，协议为Modbus RTU，不能通过以太网与主机交互，因此加装串口服务器，将串口信号转成网口信号，实现电能数据在电表与主机间的双向传输，使电表具备以太网传输能力[1]。此外，串口服务器在配置完成后无需改动，波特率、IP地址及端口模式均为固定值。如果需要新增电能表，仅需设置电能表波特率与站号，即可使新增智能电表入网，实现设备的快速添加，减少了配置过程[2]。串口服务器硬件框图如图2所示。

2    监测系统部分软件功能设计

本监测系统软件具备Modbus协议的识别与通信功能[3]。使用微软VS2017进行开发，调用网络通信及日志组件的Modbus协议程序集，减少开发时间，增加系统稳定性。数据库则采用SQL Server管理系统进行电能数据的存储[4]。通过对电能监测系统的功能需求分析，主要实现功能的程序为主机、从机指令的收发。部分功能代码如下：

private void timer1_Tick（object sender， EventArgs e）//利用定时器，每秒发送一次报文

{byte[] data = null;

data = new byte[] { 0x01， 0x03， 0x00， 0x00， 0x00， 0x12， 0xC5， 0xC7 };

newclient.Send（data）; }

void RecMsg（）

{while （true）

{ byte[] arrMsgRec = new byte[1024];//将接收到的数据存入到输入arrMsgRec中;

int length = -1;

try

{length = newclient.Receive（arrMsgRec）; //接收数据，并返回数据的长度;

string msg = "";

for （int i = 0; i < length; i++）

{msg += arrMsgRec[i].ToString（"X2"）;}

ShowMsgDelegate（msg.Trim（））;}

catch （SocketException se）

{ShowMsg（"异常;" + se.Message）; return;}

catch （Exception e）

{ShowMsg（"异常：" + e.Message）;

return;}}}

3    测试结果

本系统需要读取电能表寄存器中的电能参数，以一号电能表为例，主机发送的指令如表1所示。从机返回36个字节的寄存器数据，按照通信规则解析后如表2所示。

电能监测系统运行界面如图3所示。

4    结语

本次设计的系统实现成本较低，对车间、办公场所的改动和生产工作的影响较小，可以基于电能监测系统快速获取每台设备及区域的电能数据，解决老旧设备设施电能数据获取困难和无法利用网络传输的问题。该系统实现了对生产区域的电能信息统计与实时监控，可为企业提供管理服务，如对楼层用电与设备用电的情况统计;可监测设备的运行状态，发现未工作设备等;有利于促进企业优化生产工艺，提升产品附加值。

[参考文献]

[1] 葛明.多路串口服务器的设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[2] 刘姝黎，史健芳，杨静.串口服务器在单点交通信号控制系统中的应用与设计[J].微电子学与计算机，2018，35（2）：67-70.

[3] 贺洪江，程琳.基于STM32和Modbus的电参数采集系统[J].自动化与仪表，2014，29（6）：26-29.

[4] 徐鹏鹏.基于S7-300/200 PLC和Modbus协议的电力参数采集系统[J].工矿自动化，2011，37（12）：104-107.

收稿日期：2020-07-02

作者简介：颜世佳（1995—），男，江苏连云港人，助理工程师，主要从事数据采集、智能仪表、智能船舶等方面的工作。