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摘要：本文首先搭建了监控系统的整体架构，再采用抗干扰性能高的PIC芯片分别制作了中心通信处理机和监控终端，最后设计了PC端监控软件，该方案以Modbus总线进行数据传送。试验表明，本文所设计的监控终端和中心通信处理机简单，抗干扰能力强，采用Modbus协议进行数据传送，传输稳定可靠，监控系统扩展性强。
关键字：电力监控系统；Modbus协议；串口通信
1.引言
电力是国家的支柱能源和经济命脉，其安全稳定运行不仅关系到国家的经济发展，而且维系国家安全。同时，由于电力电子技术的广泛应用，电网谐波含量在不断增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，由于谐波引起的损耗及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失电量非常可观。因此，建立健全电力监控体系，不仅能提高电力系统的稳定性和安全性，也能使改善电能质量，达到节能降耗的效果。但是电力系统目前的监控手段主要局限于设备监控方面，并且研究和应用还处于初级阶段。
本文设计了一种电力监控系统通信平台，不仅能检测各终端设备的数据状态，还能在监控中心对数据进行分析，并发出指令控制各电力系统终端设备，使电力系统运行在安全、稳定状态。试验表明，本文所设计的监控终端和中心通信处理机简单，抗干扰能力强，采用Modbus协议进行数据传送，传输稳定可靠，监控系统扩展性强。
2.监控系统通信构架
图1为监控系统通信架构图，主要由监控中心PC（上位机）、中心通信处理机、监控终端和Modbus总线等四部分组成。监控终端采集电力系统诸如无功功率控制屏、变压器保护屏、高压线路保护屏及线路开关柜等电力系统部件的实时数据，实时数据经由Modbus总线传输给中心通信处理机，经过预处理后，再上传至监控中心PC，监控中心PC对数据进行管理、存储，对超过预警范围的数据进行报警等。
图１ 监控系统通信架构图
3.监控终端设计
监控终端主要用来采集电力系统各个部件的实时模拟数据和开关信号，根据采集信号对相应部件进行故障处理，并将数据通过Modbus总线传输至中心通信处理机。虽然电力系统各个部件所需检测参数不同，但基本功能类似，且监控终端需要实现的功能简单，所以选用Microchip公司的PIC16F690作为微处理器，它自带12路10位的AD采样，带有增强型的USART 模块，开发平台MPLAB可实现编程、在线调试，给程序开发带来便利，并且该处理器的抗干扰能力强。
监控终端硬件构成如图2所示，包括信号调理、电气隔离、复位和时钟电路等。模拟量主要包括电压电流等参数，数字量则是运行的一些状态信号。但检测到信号出现异常时则输出控制信号进行必要操作，如报警、切断继电器等。
图2 监控终端硬件电路示意图
4.中心通信处理机设计
中心通信处理机负责收集所管理区域监控终端采集的数据，并对收集的数据进行预处理，最后将处理好的数据经RS232串口通信上传至上位机。预处理过程发现异常情况进行报警，同时还将所有终端重要信息显示处理。
中心通信处理机以PIC24HJ32GP302为核心处理器，该款处理器与PIC16F690可共用MPLAB开发平台，带有两个UART通信模块，8KB的SRAM，以及强大的数据运算功能，非常适合于数据处理。
图3 中心处理机硬件电路示意图
5.Ｍodbus通信的串口实现
从图1可以清晰的看到现场实时数据从监控终端到监控中心的流程。鉴于电力监控系统所需监控设备较多，数据量较大，采用可靠性和扩展性较好的Modbus RTU协议进行通信，。中心通信处理机通过串口0与监控中心PC 通信，此时PC为Master端；通过串口1与各监控终端进行通信，此时中心通信处理机为Master端。根据Modbus协议，，所有通信过程都是由主机发起，终端设备不具备发起通信的功能。
PIC24HJ32GP302 内部有两个全双工 UART1 和 UART2，均具有4级深度先进先出（First-In-First-Out， FIFO）发送数据缓冲区和4级深度FIFO 接收数据缓冲区。对UART1和UART2的控制和访问是通过相关的特殊功能寄存器即UxMODE 和UxSTA来实现的。
6.监控中心软件设计
监控中心软件采用分层、模块化的设计思想，根据监控软件要实现的功能，把程序分解成通信模块、用户管理、命令管理、数据管理、报表打印、图形界面、报警等若干模块，监控中心软件功能结构如图4所示。
图4 监控中心软件功能结构框图
当系统正常监控运行状态，通信模块负责接收来自中心通信处理机发送的数据，同时把接受到的数据送到数据管理模块进行处理并同时存入数据库，图形显示模块完成监控站运行状态的实时显示，报表打印模块完成定时打印日报表、月报表；当有异常事故发生时，报警模块提示报警信息。监控中心软件还可通过Modbus通信传输控制信号，实现对电力系统各个设备控制和操作进行控制。图5为监控中心PC利用Modbus通信设置控制命令的操作界面。
图5 设备控制命令的ModBus通信设置操作界面
7.结论
本文设计了一种电力监控系统通信平台，文中介绍了监控系统的整体架构，利用抗干扰性能高的PIC芯片分别制作了中心通信处理机和监控终端，并设计了PC端监控软件，该系统利用串口通信实现Modbus总线的数据传送。试验表明，本文所设计的监控终端和中心通信处理机简单，抗干扰能力强，采用Modbus RTU协议进行数据传送，传输稳定可靠，监控系统扩展性强。以后需要深入研究的工作在于处理采集数据，分析电力系统发生谐波成分，并通过监控中心PC发出指令控制相关电力设备的动作，进而减少电力系统谐波分量，改善电能质量。
参考文献：
[1] 阳宪惠主编.现场总线技术及其应用[M].清华大学出版社.1999年6月.
[2] 翁自勇, 燕善俊.基于Modbus协议的电力监控系统设计[J]. 金陵科技学院学报，2012，28(1):14-17.
[3] 郭永伟.基于Modbus协议的电力监控系统设计[D]. 电子科技大学,2007年.
[4] 倪玮强，李大中，宁薇薇.工业变电站监控软件管理组态模块功能设计[J].仪器仪表与分析监测，2006，4:4-5.
[5] 董立君，刘书伟，侯逸青.VB下基于Modbus 规约的串口通信.工业控制计算机，2006，19(8):8-9.
论文作者:曾延华
论文发表刊物:《科技中国》2016年5期
论文发表时间:2016/7/26
标签：通信论文; 处理机论文; 终端论文; 数据论文; 中心论文; 监控系统论文; 电力系统论文; 《科技中国》2016年5期论文;