10kV配电所能耗数据采集与监测系统建设

【摘 要】针对用户的用电能耗监测需要，介绍一种基于Modbus协议将配电所中的电力仪表与工控机组成通讯网络，实现配电运行监控与用户用电能耗数据的实时监控与分析系统。系统运行效果良好。

【关键词】配电系统监控；Modbus协议；RS485；CRC校验

引言

随着我国电力行业的快速发展，配电网建设也得到了快速发展，自动化程度也不断提高，各种智能电力设备被广泛使用，特别是多功能电力仪表，为配电所的电力数据的采集以及提高自动化管理提供条件。但作为配电网最末端的10kV用户配电所，因设备产权、成本和管理等诸多原因，虽然已具备数据采集与监控的条件，但并未得到重视，随着国家对节能减排的高度重视，用户端的用电监控与节能管理日益重要，在此背景下，本文以某一具体用户的配电所为例，介绍一种基于ModBus协议将用户配电所中智能电力仪表通信组网，实现用电能耗数据采集与监控系统的建设方法，一是提高用户配电所自动化管理水平；二是为用户节能减排中的制定节能方案提供数据支持和依据。

1　系统的总体框架

系统由高低压柜内电力仪表、通信转换控制器、数据采集与存储的工控机三部分组成，电力仪表与工控机的通讯协议采用Modbus通信协议，通信的物理链路层为RS485，工控机配备有RS232接口，通过RS232转RS485通信转换器与仪表的通信网连接.如图1所示。

2　配电所设备概况

2.1　配电所电气设备

该配电所的用户为一家研究机构，电压等级为10kV，单台变压器供电（干式变压器），容量为1250kVA，2010年建成投入使用，高压柜为KYN柜，有进线柜与计量柜，共两面柜；低压柜为MNS抽屉柜，共8面柜，其中低压总进线与电容补偿柜各一面，用电负荷出线柜共6面，低压出线回路共32条回路。主要供一栋综合办公楼和两栋研究实验楼用电，其中实验楼的恒温中央空调与办公楼夏季普通空调用电量较大。

2.2　多功能电力仪表

配电所在高低柜每条回路安装了多功能电力仪表，对高压进线与低压每条用电回路进行了电能计量，仪表统一均采用了北京爱博精电公司生产的Acuvim系列仪表，该仪表具有强大的数据采集和处理能力，能测量回路的电流、电压（相电压与线电压）、功率（有功功率，无功功率、视在功率）、电度（有功电度、无功电度）、功率因素、频率和电能质量（电压与电流的谐波含量1次至31次谐波和总谐波含量）等几十种电力参数。该仪表的测量精度满足一般计量要求，电压、电流的测量精度为0.2级，电能与功率的精度为0.5级。

现场仪表在低压侧的电压测量采用三相四线星型接线法（3LN）、电流测量采用三组电流互感器分别测量每相电流的接线法（3CT）。高压侧电压采用三相三线开口三角型接法（2LL），电流测量采用二组电流互感器（2CT）的接线方法，其中另外一相电流与电压可以根据三相电流或电压的向量和为零的原理计算出来。

3　通讯组网与数据采集

3.1　系统通信组网

这几年政府大力推广公共机构建筑能耗数据采集系统的建设，根据该用户现有硬件设备的基础，考虑该用电单位为事业单位性质，因此在该单位的配电所建设了电力数据采集系统。

电力仪表通讯使用RS-485接口，采用Modbus通信协议，工控机自带RS232通讯接口，通过RS232/RS485转换器可与仪表进行通信，电力仪表作为从机，工控机作为主机，从机之间不能通信。RS485比RS232通信具有传输距离长、抗干扰性强与传输速率高等特点，广泛用于各种智能化仪表通信中，几乎成了行业标准。

RS485通讯的接线方式采用环型接法；环型接法是将多台的通讯仪表连成闭合的环状，从一点连接到主机，该接法无需安装反射电阻，适应于从机分布相对集中，通信可靠性要求等场合。本次因仪表较为集中，为提高可靠性，采用环型接线法，网络上共有仪表34台，通信环网采用单点接地，通讯线材选用2*1.0铜芯屏蔽双绞线，如图2所示。

3.2　Modbus协议

Modbus　协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，它已经成为一通用工业标准。Modbus协议是主从站通讯协议，物理层采用RS485或RS232。数据通讯采用Maser/slave方式，Master（主机）端发出数据请求消息，Slave（从机）端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；在Modbus网络上通信时，网络中各从机地址必须唯一，一个网络也只能有一个主机，主机与从机的通信按地址来识别。Modbus通信分为ASCll与RTU两种模式，本次电力仪表使用RTU通信模式。

3.3　仪表Modbus通信协议

本次的仪表采用Modbus协议的RTU模式，通信帧格式如表1所示：

仪表寄存器中地址0100H至0112H为系统存储区，存储了有仪表工作相关的系统参数，包括通讯参数、接线方式、I/O设定等，地址0130H至0150H中存储了仪表的基本测量参数，地址0156H至0165H中存储了电度量参数。以读取频率F（0130H）与电压V1（0131H）、V2（0132H）、V3（0133H）为例，仪表地址为1，通讯帧格式如表2：

表2　读取频率与三相电压通讯帧格式

3.4　CRC校验

CRC校验叫循环冗余校验，是通信中差错控制的主要手段，它是对传输的信息序列按特定的多项式做一次除法操作，将进行除法操作的余数附加在传输信息的后边。在接收端，也进行同样的除法操作过程。如果接收端除法过程的结果不是零，就表明发生了一个错误。CRC错误检查方法能够检测出大约99.95%的错误，但是相对与LCR等校验，计算量大。

4　系统监控软件的设计