摘  要： 以某醫院智能配電監控系統的設計為例，提出了一種基于現場總線的智能配電監控系統，在分析了該系統的結構及特點的基礎上，給出了系統上位機通信軟件流程圖、從設備通信軟件流程圖以及最后實現的監控界面圖。該系統實現了對配電系統的智能化管理，提高了配電保護的可靠性和管理的效率。
關鍵詞： Moubus協議；智能配電監控系統；監控軟件

　隨著我國建筑行業的快速發展，對供配電系統的技術要求越來越高。現有的供配電系統設備大都采用斷路器、電壓互感器和繼電器保護裝置為機械節點結構，系統運行性能差，易誤動作且缺乏智能化的信息管理措施。因此，基于Modbus的智能配電監控系統將會有效提高整個行業的智能化水平。作為目前全球工業領域最流行的協議，Modbus協議支持傳統的RS-232、RS-485和以太網設備，廣泛應用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通信網絡[1]。國內外主要低壓電器制造商從20世紀90年代就開始不斷開發新一代低壓電器產品，以大幅度提高電氣壽命和運行分斷能力，增強電器產品的運行可靠性，同時具有可通信性能，能實現與現場總線的連接。由這些智能電器元件構成的智能型開關柜與Modbus總線技術及上位機構成的配電自動化監控系統具有功能強、系統完善、可靠性高、編程簡易、控制簡便及通信協議開放等特點[2]。
1 智能配電監控系統的設計
1.1 項目背景
　合肥市第二人民醫院是一所集醫療、教學、科研、預防、康復、急救等多項功能為一體的大型綜合醫院。該項目共設置3個10 kV變配電所，分別在外科病房大樓地下層（4×10 kVA）、門急診醫技大樓地下層（10 kVA）和食堂一層（4×800 kVA）；在門急診醫技樓地下一層戰時急救醫院內設置柴油發電機房，安裝兩臺200 kVA自備應急柴油發電組。該工程設置智能配電監控管理系統，監控管理主機設置在外科病房大樓地下層BA控制室內，并兼作變電所值班室。3個變電所內所有高低壓進出線回路、母聯開關及無功補償設備的電能參數均在控制室內實現監控顯示，并在控制室內對所有回路開關設備進行遠程控制。本文著重介紹該智能配電監控系統的設計及實現。
1.2 系統結構
　本系統采用分層分布式網絡結構，分為現場設備層、通信傳輸層和監控管理層3個層次，如圖1所示[3]。
　（1）現場設備層。現場設備主要由多個智能型高低壓配電柜組成。每個智能型配電柜中均安裝智能框架斷路器、智能塑殼斷路器和網絡儀表等，采用綜合繼電器保護裝置對高壓母線、母聯及初相回路進行綜合保護和監測，并且相關產品都配有RS-485通信端口。系統通過監控主機的上位機軟件實現了對各供配電回路的各種電量參數（如電壓、電流、有功功率等）的監測，對各回路的分合狀態、故障信息報警和配合軟件進行監視、控制。在現場設備層通過對各個現場設備進行地址編排，可以清楚地查看各設備的物理地址，方便查詢各個配電線路。整個通信系統采用設備與協議解析分層的原則，它們之間有標準的模塊接口，這增強了系統的可組態性和可擴展性。
　（2）通信傳輸層。在整個分布式控制系統中，通信傳輸是監控系統的神經網絡，提供了各現場的配電和控制設備與計算機之間的數據通信連接。本設計采用Modbus通信協議，使用RS-232接口實現串行的Modbus。
本系統采用的是遠程終端單元（RTU）通信模式。Modbus的RTU協議規定了消息、數據的結構、命令和就答的方式，數據通信采用Maser/Slave方式，Master端發出數據請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發送數據到Master端以響應請求；Master端也可以直接發送消息修改Slave端的數據，實現雙向讀寫。
使用RTU模式，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，也就是說在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結束。整個消息幀必須作為一個連續的流傳輸。如果在一個消息幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域。
　Modbus協議需要對數據進行校驗，RTU模式采用16 bit CRC校驗。CRC域是2 B、包含一個16 bit的二進制值，它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新計算收到的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。CRC是先調入一個值是全“1”的16 bit寄存器，然后調用過程將消息中連續的8 bit數據當前寄存器中的值進行處理。CRC校驗碼添加到消息幀最后，低字節在前，高字節在后，僅對每個消息幀中的8 bit數據進行CRC校驗，起始位、停止位以及奇偶校驗位均不進行CRC校驗。
　（3）監控管理層。通過計算機和軟件來實現現場數據的采集、用戶界面、系統組態、數據儲存管理、報警提示和故障記錄等功能。為保證通信的可靠性，可加UPS電源一臺，在斷電的情況下，可切換至UPS電源，避免數據的丟失。
2 智能配電監控系統的實現
　由圖1可以看出，該智能配電監控系統的硬件部分主要采用一臺基于Windows平臺的計算機作為上位機，監控整個配電系統的運行狀態，并可以發出指令，改變系統運行方式，控制斷路器通斷。智能配電柜中采用具有RS-485通信接口的智能電器元件，經轉換器與上位機RS-232接口相連，使用Modbus協議實現通信功能。

　該系統的軟件部分是整個系統實現的關鍵，主要包括兩個部分。（1）下位機的驅動及通信程序的設計，使下位機具備和PC通信的能力，以實現監控系統對各控制線路的數據采集；（2）上位機的通信軟件設計，主要包括上位機的通信軟件設計和監控系統的數據庫設計。
2.1 上位機通信軟件設計
　上位機串口通信是采用高級語言在Windows平臺上編程的，系統在WIN2000系統下采用Visual C++6.0直接運用第三方編寫的通信驅動軟件實現串口通信，采用多線程完成對通信數據的打包、數據解析以及對命令的打包和發送，實現了串口的初始化、串口參數設置以及串口事件監視等。一般而言，在對串口進行初始化操作時應關閉串口和串口中斷。
　上位機Modbus協議的軟件流程圖如圖2所示。首先主設備對串口進行初始化，然后對現場設備層的各個站點進行輪詢，以0.5 s為一個周期，發送運行參數消息幀后等待那個從設備的響應。如果超時，則進行下一個，并且實時判斷從設備的響應消息是否正確，無論幀錯誤還是響應超時都將產生一個錯誤，并在實時數據庫系統中顯示并記錄下來。調試時，如果連續三輪對同一站點輪詢都出錯，則此站點將被屏蔽，直到調試人員來重新調整。第一次讀取協議規定的所有參數，以后如果整個系統都正常，既沒有調整參數也沒過載時，上位機將以0.5 s為周期發送運行參數消息幀一直輪詢。

2.2 從設備通信軟件設計
　采用Modbus RTU協議模式時，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，整個消息幀必須作為一個連續的流傳輸。如果在幀完成之前有超過3.5個字符的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一個字節是一個新消息的地址域。同樣，如果一個新消息在小于3.5個字符的時間內接著前一個消息開始，接收設備將認為它是前一消息的延續，這將導致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能正確。因此，時間間隔必須計算準確，本次設計采用一個0.5 s定時器完成。
當從設備在上電時就對串口進行了初始化，采用中斷的方式實時檢測串口事件，一旦接收到消息，就會產生相應的中斷。接收到完整的消息幀后根據Modbus協議對消息幀進行解析，首先判斷地址是否相符，如果不符合就不回應主設備，如果符合就對該消息進行校驗。其中包括CRC校驗，一旦錯誤就生成并發送出錯命令回應幀，返回主設備；如果正確則解析該消息幀并根據要求回應相應的參數。從設備通信軟件流程圖如圖3所示。

2.3 數據庫及監控界面設計
　本設計采用微軟的Access作為后臺的數據庫管理系統，前臺界面開發工具為Visual C++6.0，數據庫訪問技術采用ADO。該系統中的數據存儲主要涉及三個實體：現場設備信息實體、設備的運行信息實體以及設備的故障判斷標準實體[4]。為簡化起見，將設備信息實體和設備的故障判斷標準合并在一起。數據庫中定義了兩張表，一張包含設備的一些基本信息以及相應的故障判斷標準，另一張包含某一線路設備當前運行的具體狀態信息。
　監控界面可以動態顯示配電系統主接線圖，如圖4所示。主監控界面包括配電主接線圖、通信狀況、負荷曲線、溫度監控、歷史記錄、故障報警記錄和報表管理等菜單。在主界面的高壓配電主接線圖中選擇某條線路，點擊顯示按鈕可實時顯示出此時該回路的電流I、開關狀態以及回路名稱等，以了解高壓設備的運行狀況；而點擊低壓實時數據按鈕可選擇顯示某條線路的電流I、電壓U、有功功率P、無功功率Q、視在功率S、需要系數Kx及頻率f。其中，電流和電壓為有效值，其余為計算值。

3 系統應用效果
　（1） 可及時、準確地了解各設備的運行狀態
管理者可通過計算機在監控中心隨時了解全院任何一個時刻的總用電情況，值班電工也可全面及時、準確地了解配電設備的各項運行參數。通過“配電主接線圖”功能了解高壓設備的運行狀態，為管理者確定運行方式提供了必要的信息。通過報表管理可以了解各個供電單元每天、每月或者每季度的用電情況，綜合評估該單元經濟效益。通過“低壓實時數據”能隨時掌握每一供電單元的用電情況。“參數查看”一欄可以提供每個用電單元的技術信息（供電范圍、電纜型號、投入時間），為增減該單元設備提供依據，從而提高了電能的管理效率，降低了運行成本。
　（2）配電設備運行安全、穩定
通過“高低壓實時數據”、“負荷曲線”、“報警一覽”、“溫度監控”掌握設備運行狀態，合理安排巡視重點及設備檢測保養周期，有效提高了設備的安全性、可靠性和穩定性。
　（3）節能
　通過“低壓實時數據”掌握每一供電單元的用電峰段、平段及谷斷，盡可能減少高峰時段用電。根據“日報表”了解各供電單元的用電情況，分析評價該單元的電能使用效率，合理安排電能消耗。對于重點耗電設備（如水井、中央空調、電梯、鍋爐等）實施重點監測。通過對有功、無功及功率因數的檢測，適時投入、退出電容器，使功率因數保持在較好范圍內，以節省電費支出。同時，由于配電監控系統可靠性高、抗干擾能力強、實時性好且維護簡單，也節省了人力投入，減少了不少開支。
　本文提出的基于Moubus總線的智能配電監控系統實現了對配電系統的智能化管理，在主監控室就可以對各個站點實行集中監控管理，節省了人力資源的同時提高了配電保護的可靠性以及管理的效率。此外，在二院項目的實際使用中發現，Moubus總線開放性好、靈活度高且現場適應性好，可廣泛應用于其他工業控制領域，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 吉秀卿，魏來.現場總線在電力行業中的應用[M].北京：中國電力出版社，2010.
[2] 陳平，王宏.智能低壓配電系統的分析及實現[J].低壓電器，2010（21）：25-28.
[3] 陳堂，趙祖康，陳星鶯，等.配電系統極其自動化技術[M].北京：中國電力出版社，2007.
[4] 戴瑜興，馬茜.現場總線技術在智能斷路器系統設計中的應用[M].北京：清華大學出版社，2010.