Modbus的多功能网络电力仪表的设计
摘要：文中介绍了一种基于RS－485串行通信接口与Modbus协议的多功能网络电力仪表，给出了该仪表的测量原理、详细的硬件结构和软件求解流程。该仪表以dsPIC33FJ128GP706数字信号控制器为核心，利用MCU内置A/D模块对6路电信号进行实时同步采样，经软件计算实现对电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、电能和谐波等电参量的**测量， 经实验验证精度达到0.5S级。再配以Modbus现场总线测量和控制模块可组成电力监控系统，实现配电监控系统的遥测、遥信、遥控、遥调的功能。
关键词：RS－485；Modbus；电力仪表
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
电能监测在电力系统运行管理和技术监督中起着重要的作用，使用一体化、智能化、网络化的多功能网络电力仪表代替机械式的电力仪表已成了工业自动化的大趋势。文中介绍的多功能电力仪表主要针对电力系统的监控需求而设计，具有成本低，精度高，功能扩展方便，工作稳定等优点，同时该表具备完善的通信联网能，适合实时电力监控系统。
1 电力仪表硬件设计
设计的多功能网络电力仪表以数字信号控制器dsPIC33FJ128GP706为核心，以测量的瞬时电压、瞬时电流为基础，通过MCU自带同步A/D转换、数据处理、软件计算，**求解有功功率、 无功功率、功率因数、电能等常用的电参量。该仪表主要以下五部分：信号处理部分、MCU运算单元、显示存储单元、附加模块部分、通信元。如图1所示为电力仪表系统框图，MCU主要负责电参数的采集、有效值运处理、存储、显示、通信等工作。
1．1 输入信号及调理电路设计
输入信号及调理电路主通过互感器及相关电路将三项电压和三项电流转换成A/D能够接受的电压信号，如何减少失真降低噪音是该部分的关键。电流互感器采用5A/2.5mA精密互感器，精0.1%；电压互感器采用额定电流比为mA
图1 电力仪表硬件组成框
图 2mA的精密互感器，精度也为0.1%。电压传感器电路采用电压互感器串联大电阻降压，通过所测的低电压来感知输入的高电压；电流传感器电路采用电流互感器通过取样小电阻测量大电流。
1．2 MCU及A/D同步采样
MCU是系统的核心，dsPIC33FJ128GP706内含DSP引擎，速度可达40 MIPS，具有低电压、超低功耗，强大的处理能力，系统工作稳定以及代码保护功能等优点，同时自带2个10bit/12bitA/D模块，可配置成2路、4路或8路10bit同时采样。因为系统需要测量功率、电能等电量，所以A、B、C三相电压、三相电流的测量对相位有较高的要求，采用MCU内置A/D模块进行电压、电流同步采样，将期中一个A/D模块配置成4路同时采样，另一个A/D模块配置成2路同时采样，两个模块共6路可同时采样3路电压3路电流信号。这6个通道同时采样，有效地降低成本、提高性能、减少由于采样时间不同而产生的相 位误差。
根据采样所得到的瞬时电压，瞬时电流MCU可及时计算出瞬时功率及周期状态标志。根据交流电计算公式，可以计算出电压有效值、电流有效值。由瞬时电压瞬时电流简单的求出瞬时功率、 有功功率。视在功率为电压有效值与电流有效值之乘积，由有功功率和视在功率可以计算出功率因素。
再由傅里叶变换可将u（t）分解为基波和各次谐波分量的形式，从而可得到第k次谐波电压的幅值和有效值。 通过以上计算，得到电压、电流的有效值，功率、电能、谐波等监测量，并进行相应的存储显示和通信。
1．3 存储器及外围模块
数据存储一般采用3种存储方式， EEPROM，NVRAM和FRAM，经比较，FRAM存储容量为128K×1bit，可配置成256K×8 bit，擦写次数为100万亿次，无延时写，兼容SRAM，60ns访问时间，110ns周期时间，低电源监测，防止意外写内存。该表需要存储器保存系统固定参数，用户设定参数和测量数据等信息，因此采用并口2Mbit大容量***1L16，用来存储事件记录、每小时历史数据、日统计数据、报警异常记录、遥测越限记录等数据， 可保存数个月的历史数据。
系统实时时钟选用I2 C串行接口时钟芯片PCF8563，*快 400 kbit/s．提供年，月，日，星期，时，分，秒；用于存储、记录时标和实时时钟的运行。
附加模块包括开关量输入、开关量输出和模拟量输出等模块，可任意组合使用，但一个模块不可同时使用两块。附加模块实现开关信号的检测，报警或控制输出，电能的脉冲输出和可选测量量的模拟量输出。
1．4 通信电路
该设计外围通信采用RS－485方式，这种方式具有硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点。对于RS－485总线存在的自适应差、自保护功能脆弱、通信效率低等问题，通过一些细节处理可得到解决，提高RS－485总线的运行可靠性。具体处理如下：由于RS－485总线为并接式二线制接口， 一旦有一芯片出现故障就可能将总线“拉死”。因此，在其二线制接口485A、485B与总线之间应加以隔离，即在485A、485B与总线之间各串接一只4～10Ω的PTC电阻， 同时与地之间各跨接6.8V的TVS二极管来消除线路浪涌干扰。对于收发控制端，则采用MCU引脚并通过反相器来进行控制，防止MCU上电时对总线的干扰。为提高RS－485通信效率，保证数据传输质量，系统采用Modbus－RTU总线协议。该表采用隔离型RS－485收发器IS015，图2所示是该设计中采用的具体通信电路。
2 电力仪表软件设计
该仪表软件使用C语言编写，编码效率高，可维护性好，采用模块化程序设计，可根据用户的需求方便地对功能模块进行添加修改，而且代码经过优化，其生成的目标代码大小及执行效率与汇编代码相当。系统软件包括初始化模块、主程序模块、同步采样驱动模块、LCD接口驱动模块及Modbus通信程序模块等。
图2 通信电路图
2．1系统主程序
系统主程序负责A/D采样数据的处理，数据存储，键盘扫 描，LCD显示，计算电压、电流的方均根有效值，功率、电能、谐波等的计算和Modbus网络通信，其中主循环中各个任务的执行由相应的标志位控制， 主程序流程图如图3所示
。
图3 主程序流程图
2．2 采样中断子程序
为降低误差，使用2个定时器分别触发2个A/D模块，使2个模块时间上尽量步。采样中断只负责A/D数据的采集和保存，而各电参量的计算置于主程序中，
如图4所示为A/D中断子程序流程图。
2．3 Modbus通信程序
通信协议采用Modbus－RTU协议，使用主从技术，即仅有一设备（主设备）能初始化传输（查询），其他设备（从设备）根据主设备查询提供的数据做出相应反应。Modbus网络上的设备具有**的通信地址， 主设备按地址来识别从设备，并决定要产生何种操作。文中仪表属从设备，如图5所示是Modbus主－从查询－回应周期。
该仪表采用RS－485总线使该仪表具有局域网络通信功能，网络结构框图如图6所示。通过总线可以及时把现场分表采集的数据传送到控制台的主表，主表接收到数据包后进行解包再将数据存储到指定的存储空间，主表通过RS－232串行接口与电脑进行通信，把现场采集的数据传送到上位机，通过上位机实现对电能质量的实时监控和管理。
包再将数据存储到指定的存储空间，主表通过RS－232串行接口与电脑进行通信，把现场采集的数据传送到上位机，通过上位机实现对电能质量的实时监控和管理。
图6 仪表网络框架示意图
3仪表精度测试与分析
该仪表采用三相交直流多功能标准源对仪表的测量精度 进行了实验验证。为了保证整个量程内的测量精度而又不失一般性，输入测试电流0.050～6.000A，观察10个测试点，输入测试相电压10.0～260.0V，观察7个测试点，进行多个电参量的测量。文中仅例举电流、电压有效值的测量，具体测量结果如表
1、 表2所示。
实验结果表明，该仪表具有高的测量精度，好的线性度和动态范围，满足通常的工业需求，具有良好的实用价值。
4 结束语
该多功能网络电力仪表以dsPIC33FJ128GP706为核心，利用MCU内置A/D模块对6路电压、电流信号进行同步采样。经过计算实现对有功功率、无功功率、功率因数、电能等电参量的**测量，精度达到0.5S级。该表在体系结构和测量精度上都具有一定的优越性，可广泛用于对电力参数进行监测的系 统中， 再配以Modbus现场总线测量和控制模块可组成电力监控和控制系统，实现配电监控系统的遥测、遥信、遥控、遥调等功能。该表具有稳定性和高精度控制系统特性，优良的性价比，在电力保护监控系统发展中拥有广阔的市场前景。
上海硕玛电气有限公司
2015-7
