基于Modbus总线的智能配电监控系统设计与实现

摘 要： 以某医院智能配电监控系统的设计为例，提出了一种基于现场总线的智能配电监控系统，在分析了该系统的结构及特点的基础上，给出了系统上位机通信软件流程图、从设备通信软件流程图以及最后实现的监控界面图。该系统实现了对配电系统的智能化管理，提高了配电保护的可靠性和管理的效率。
关键词： Moubus协议；智能配电监控系统；监控软件

　随着我国建筑行业的快速发展，对供配电系统的技术要求越来越高。现有的供配电系统设备大都采用断路器、电压互感器和继电器保护装置为机械节点结构，系统运行性能差，易误动作且缺乏智能化的信息管理措施。因此，基于Modbus的智能配电监控系统将会有效提高整个行业的智能化水平。作为目前全球工业领域最流行的协议，Modbus协议支持传统的RS-232、RS-485和以太网设备，广泛应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络[1]。国内外主要低压电器制造商从20世纪90年代就开始不断开发新一代低压电器产品，以大幅度提高电气寿命和运行分断能力，增强电器产品的运行可靠性，同时具有可通信性能，能实现与现场总线的连接。由这些智能电器元件构成的智能型开关柜与Modbus总线技术及上位机构成的配电自动化监控系统具有功能强、系统完善、可靠性高、编程简易、控制简便及通信协议开放等特点[2]。
1 智能配电监控系统的设计
1.1 项目背景
　合肥市第二人民医院是一所集医疗、教学、科研、预防、康复、急救等多项功能为一体的大型综合医院。该项目共设置3个10 kV变配电所，分别在外科病房大楼地下层（4×10 kVA）、门急诊医技大楼地下层（10 kVA）和食堂一层（4×800 kVA）；在门急诊医技楼地下一层战时急救医院内设置柴油发电机房，安装两台200 kVA自备应急柴油发电组。该工程设置智能配电监控管理系统，监控管理主机设置在外科病房大楼地下层BA控制室内，并兼作变电所值班室。3个变电所内所有高低压进出线回路、母联开关及无功补偿设备的电能参数均在控制室内实现监控显示，并在控制室内对所有回路开关设备进行远程控制。本文着重介绍该智能配电监控系统的设计及实现。
1.2 系统结构
　本系统采用分层分布式网络结构，分为现场设备层、通信传输层和监控管理层3个层次，如图1所示[3]。
　（1）现场设备层。现场设备主要由多个智能型高低压配电柜组成。每个智能型配电柜中均安装智能框架断路器、智能塑壳断路器和网络仪表等，采用综合继电器保护装置对高压母线、母联及初相回路进行综合保护和监测，并且相关产品都配有RS-485通信端口。系统通过监控主机的上位机软件实现了对各供配电回路的各种电量参数（如电压、电流、有功功率等）的监测，对各回路的分合状态、故障信息报警和配合软件进行监视、控制。在现场设备层通过对各个现场设备进行地址编排，可以清楚地查看各设备的物理地址，方便查询各个配电线路。整个通信系统采用设备与协议解析分层的原则，它们之间有标准的模块接口，这增强了系统的可组态性和可扩展性。
　（2）通信传输层。在整个分布式控制系统中，通信传输是监控系统的神经网络，提供了各现场的配电和控制设备与计算机之间的数据通信连接。本设计采用Modbus通信协议，使用RS-232接口实现串行的Modbus。
本系统采用的是远程终端单元（RTU）通信模式。Modbus的RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通信采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发送消息修改Slave端的数据，实现双向读写。
使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始，也就是说在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。整个消息帧必须作为一个连续的流传输。如果在一个消息帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。
　Modbus协议需要对数据进行校验，RTU模式采用16 bit CRC校验。CRC域是2 B、包含一个16 bit的二进制值，它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。CRC是先调入一个值是全“1”的16 bit寄存器，然后调用过程将消息中连续的8 bit数据当前寄存器中的值进行处理。CRC校验码添加到消息帧最后，低字节在前，高字节在后，仅对每个消息帧中的8 bit数据进行CRC校验，起始位、停止位以及奇偶校验位均不进行CRC校验。
　（3）监控管理层。通过计算机和软件来实现现场数据的采集、用户界面、系统组态、数据储存管理、报警提示和故障记录等功能。为保证通信的可靠性，可加UPS电源一台，在断电的情况下，可切换至UPS电源，避免数据的丢失。
2 智能配电监控系统的实现
　由图1可以看出，该智能配电监控系统的硬件部分主要采用一台基于Windows平台的计算机作为上位机，监控整个配电系统的运行状态，并可以发出指令，改变系统运行方式，控制断路器通断。智能配电柜中采用具有RS-485通信接口的智能电器元件，经转换器与上位机RS-232接口相连，使用Modbus协议实现通信功能。