基于Modbus和GPRS的配电房监控系统

田 瑾，袁嫣红

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

基于Modbus和GPRS的配电房监控系统

田 瑾，袁嫣红

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

针对目前配电监控网络数据传输速率低、监控手段单一、系统通用性低等问题，对配电房中数据采集技术、RS485通信技术和远程通信技术进行研究，提出了一种基于嵌入式系统的配电房监控系统.利用ARM为控制核心的嵌入式操作平台，对配电房中电参数和环境参数进行采集，实现基于Modbus通信协议的现场监控与基于GPRS的远程监控.研究结果表明，该系统能够实现快速、稳定的数据传输，对配电房进行现场和远程的实时监控，其人机终端操作简单、界面美观、通用性强.经实际应用，该系统满足了配电监控的要求.

配电监控；ARM；Modbus；GPRS

随着电力系统中非线性、非周期性、冲击性负载(变频电机、开关电源等)的增加，配电设备运行时常常出现谐波、电压闪变、电压波动以及三相负荷不平衡等现象[1-2]，造成电能质量恶化.电力系统中开关触点、母线连接点等接触不良或者电路老化等因素会引起配电线路某点温度过高，甚至出现线路烧融、短路等现象[3-4]，进而导致配电设施发生故障.因此，对配电房中电参数和温度参数的实时监控必不可少.目前的配电房监控技术发展十分迅速，配电监控系统已经具备数字化、功能多样化和网络化的特点，但是多数系统的数据传输速率慢，可靠性不高，且在控制管理方面存在人机界面单一、通用性低、系统维护困难等问题[5-6].为此，本研究设计一种数据传输稳定、快速并且通用性强的配电房监控系统.根据监控要求，可通过数据采集单元的硬件电路实现电参数和环境参数的模块化采集；通过人机终端实时进行现场监控与历史数据查看，并通过快速设置满足不同电参数和支路数的监控要求；结合通用分组无线服务技术(GPRS)远程通信技术，实现配电数据的远程监控.该监控系统应支持本地和网页等多种查看方式，降低人力成本，易维护，有利于提高系统的自动化管理水平.

1 配电房监控系统的总体方案

1.1系统的功能需求分析

配电房监控系统主要可以分为三部分：数据采集单元、现场人机终端和远程监控单元.系统的整体架构如图1所示.数据采集单元负责采集配电房的各种参数信息，并通过RS485总线将数据发送给现场人机终端，再通过GPRS模块发送给服务器；现场人机终端负责各参数的现场监控，实时显示参数值，绘制趋势图，进行故障报警、数据查询和参数设置，并可通过快速设置改变界面风格与支路数，满足不同支路数采集的要求；远程监控单元负责对GPRS模块传来信息的处理，供用户进行网页查看，同时向GPRS模块下发指令，调控下位机的动作.

图1 系统整体架构

1.2系统通信方式的分析与设计

系统主要采用两种通信方式：现场人机终端与数据采集单元通信(RS485通信)，Web服务器与数据采集单元通信(GPRS通信).

1.2.1 RS485通信协议

R485通信采用的Modbus RTU协议[7]主要由三部分组成：地址码、功能码、数据区.地址码和功能码都用一个字节表示，数据区随功能码不同而不同.这里采用03和06两种功能码.其中03功能码用于读取底层监控模块的数据；06功能码用于向底层监控模块写入数据.以主机发送信息为例，其信息帧格式如表1所示，从机返回信息帧格式.主机、从机读取信息帧格式与表1类似.

表1 主机发送信息帧格式

1.2.2 GPRS通信协议

系统中数据采集模块每隔一定时间向GPRS模块发送一遍监测到的数据，同时GPRS模块将接收到的数据发送给服务器，服务器解析、处理接收到的数据.

GPRS模块每次连上服务器的IP地址不固定，导致服务器无法准确识别连上来的设备，容易造成数据处理错误.为此，将GPRS模块中SIM卡的电话号码作为确定模块地址的标志，对11位电话号码进行补0，以6个字节表示.在传输协议中，前8个字节分别为字节总数1个字节、电话号码6个字节、参数类型1个字节；第9个字节开始表示数据，每个数据16位，占用2个字节.其中高8位在前，低8位在后.GPRS通信的数据帧协议如表2所示.

表2 GPRS通信数据帧协议

2 数据采集单元设计

根据配电房监控要求，数据采集单元需要采集的信息包括电压、电流、功率、谐波、不平衡度等电参数以及温度.整个单元采用模块化设计思想[8-9].其结构如图2所示.采样电路主要由主路模块、支路模块组成，可以根据负载支路的数量自主调整支路数，以满足不同回路数的要求.其主路模块主要负责监测三相电(380 V)的相电压、相电流、功率等数据.其支路模块负责监测单相电(220 V)的电压、电流、功率等相关数据以及线路各点温度.可根据需要灵活地调整信号采集模块的数量，以保证资源的最大化运用.软件设计上要求实时地读取和分析数据.

图2 数据采集单元结构

数据采集单元采用RS485总线进行通信，实时测控各个负载点状态，传送整个系统的电参数、环境参数、报警信息等，并对故障进行预防和及时治理.RS485总线采用差分方式传输信号，两线制接法，传输速率可达1 Mbps，满足了数据通信的要求，可以与Modbus兼容的监控系统之间进行信息和数据的传递.

各采样值经STM32微处理器处理计算，用串口传送到现场人机终端，同时通过GPRS网络传输到远程监控中心.所采用的GPRS通信模块SIM900A无需外接SD卡槽，内嵌了SIM卡，可低功耗实现语音、数据、SMS(手机短信服务)和传真信息的传输.微处理器通过发送 AT(Attention)指令设置此模块并控制其启停以及数据收发.

3 现场人机终端设计

现场人机终端与下位机进行信息交换，实现参数的设置、修改、读取与显示.它与数据采集单元之间采用Modbus协议通信.其开发工具为Qt，最终将人机交互界面显示在移植了Linux系统的触摸屏上.

现场人机终端的人机界面主要包括系统登录、参数显示、参数设置、历史数据查询、信息报警等部分，对下位机传来的数据进行处理分析和显示.它可以设置各个工作参数，绘制实时趋势图，根据保存的历史数据绘制历史趋势图，对故障信息进行报警提示，对故障趋势进行预测并根据故障因素调控下位机的动作，达到监控配电房各种参数的目的.现场人机终端的总体框架如图3所示.

图3 人机终端的总体框架

3.1主监控界面设计

现场人机终端主监控界面主要包括五部分：主路参数、支路参数、趋势图、参数设置、报警.其中，主路参数界面显示配电房中主路的各种参数信息，如电流、电压、功率、电量、谐波、温度等.支路参数界面显示配电房支路参数信息，包括电压、电流、功率、电量与开关量，可对电能进行查询.趋势图界面绘制当前电压、电流和功率的实时趋势.点击历史趋势图按钮可以根据历史日期查看历史趋势图.报警界面实时显示当前的报警信息，一旦下位机有报警信息发送过来，此界面就插入该报警信息，并且显示报警时间.图4所示为其参数设置界面.点击参数值可以进行相应设置，设置完成后发送指令给下位机，对下位进行写操作.人机终端留有USB插口，方便了系统的升级.

图4 人机终端的参数设置界面

3.2界面通用性设计

点击人机终端的登陆界面左下区域可以进入隐藏设置界面(图5).整个监控系统的通用性设计主要体现在隐藏设置界面中.在嵌入式设备上实现界面的动态加载比较困难.它不像PC机界面那样可随时增删界面，修改界面模块，改变界面风格.随着嵌入式技术的飞速发展，满足嵌入式设备界面的动态定制需求变得十分迫切.

图5 隐藏设置界面

根据网页设计中CSS(层叠样式表)与HTML(超文本标记语言)结合应用的思想，可将界面外观的某些属性(如背景颜色、控件形状、色彩等)集合起来放到不同的界面主题文档中[10].用户可根据需求选择界面风格，切换主题动作，实现相应界面的主题文档定位，通过系统初始化操作并根据选择的主题解析不同文档，从而实现界面风格的切换.这里以支路参数界面为例，其对应的文档部分如下：

QPushButton{background-color:rgb(43,58,65);font-size:16px;color:white;border-radius:10px;border:2px groove gray;padding:4px 2px;}

QFrame{background-color: rgb(255, 255, 255);}

QLabel{color: rgb(255, 255, 255);background-color: rgb(43, 58, 65);}

QListWidget{background-color: rgb(90, 112, 135);}

从上述文档内容可以看出，该界面包含了标签、按钮、框架、列表等控件，且每种控件对应不同的样式.文档中包含了控件背景颜色、字体大小、字体颜色、边框等属性信息.在解析文档时将这些属性以字符串的形式读取出来，设置样式表setStyleSheet()即可完成对象的样式设置，实现预期效果.

修改隐藏界面上当前主路和当前支路数，可以改变当前监控的主路号和支路数量.在隐藏设置界面上进行设置后再次回到登录系统界面，点击进入系统按钮进行系统初始化.这比重新启动系统进行初始化大大方便了用户的使用.基于界面与文档结合的思想，用户还可以对支路名称进行点击修改.

4 远程监控单元设计

本研究设计远程监控单元的目的在于使配电运行监控系统与企业管理系统相结合，使管理者通过浏览器及时了解配电房现场设备的参数信息及运行状况.这里主要介绍远程通信系统的总体设计和数据库设计.

4.1远程通信系统总体设计

远程监控单元主要包括服务器、PC机.其中，服务器连接多个数据采集设备，实现多个设备的同时在线监控；PC机为远程监控主机.用户可以查看PC机上的浏览器进而访问Web服务器，从而获得数据库的信息，实现配电房的远程在线监控.用户通过查看网页监测各设备的电参数和温度参数、趋势图与报警信息，同时网页端也可通过服务器下发参数设置指令给下位机，达到调控下位机的目的.浏览器、数据库、服务器构成3层B/S结构[11].该结构由浏览器、Web服务器、数据库服务器三部分组成(图6).

图6 B/S体系结构

4.2数据库设计

在配电监控系统中，用户需要查看配电的实时数据和历史数据，以便分析配电设施运行状况.数据每隔几秒采集一次，产生的数据量大，对数据安全性也有一定的要求，因此可采用数据库管理系统对配电数据进行管理.用户发出远程监控请求，实质上是请求访问远程服务器上的数据库.数据库中存储了系统数据采集单元通过GPRS模块发送的数据.

系统采用高性能的MySQL数据库管理系统存储系统信息，如服务器的登录账号和密码、设备ID、设备参数等(包括主路参数、支路参数、报警信息、温度等).可用6张数据表完成对这些数据的查询与存储.数据库的部分数据表结构如图7所示.在数据表中：用户表User存储用户登录信息；权限表Pope存储用户权限；设备表Equipment存储设备信息；日志表Daily存储配电房的运行日志；当前参数表CurPara存储配电房的当前运行参数；设置参数表Para存储配电房的设置参数值[12].

图7 数据库的部分数据表结构

5 系统测试

本研究在配电房的配电柜中安装数据采集模块，与现场人机终端和服务器进行通信，对该系统的现场人机终端进行不间断查看，计算数据更新时间，关注界面运行流畅度并且查看数据完整性，发现人机终端可以及时、顺畅地显示各类参数信息，读取一次数据的时间远远小于系统要求的3 s，并且，在报警信息产生时马上发出声音报警，绘制趋势图无中断现象，历史数据保存完整，界面风格切换与路数切换无卡顿现象.主路电流历史趋势图查询界面的测试结果如图8所示.在网页远程监控端下发参数设置指令并观察各设备不同参数的显示效果，发现网页端可以稳定下发指令，实时更新数据并且绘制趋势图.其实时主路电流趋势如图9所示.该系统可实现稳定、实时、可靠的现场监控与远程监控.

图8 主路电流历史趋势图查询界面测试结果

图9 网页浏览主路电流实时趋势图

6 结束语

在当今信息化时代，监控技术与计算机技术、嵌入式技术和网络技术的结合已成为必然趋势.本研究提出采用RS485和GPRS通信的配电房监控系统，可以方便地实现配电房现场监控和远程监控功能.其现场人机终端不仅操作简单、运行流畅、界面美观、通信稳定.其支路数可设置人机终端界面编程方式，提高了监控系统的通用性.该系统已在某公司进行了实际使用，达到了设计要求，提高了配电房监控系统的自动化管理水平，降低了人工成本.今后将重点研究温度趋势预测，使监控系统具有更大的使用价值.

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MonitoringSystemforDistributionRoomBasedonModbusandGPRS

TIAN Jin,YUAN Yan-hong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China)

To solve the problems including low transmission speed of monitoring network data, Single monitor mode and low application of system, a distribution monitoring system based on embedded system is proposed after studying the power distribution room data collection technology, the RS485 communication technology and the remote communication technology. Using embedded operating platform with the ARM as the core, CLP parameters and environmental parameters in the transformer room are collected. Meanwhile, live monitoring based on Modbus protocol and remote monitoring based on GPRS are completed. Research results show that the system can realize fast and stable data transmission,?can conduct on-site and remote monitoring of the distribution room in real time. At the same time, The man-machine interface has simple operation, beautiful interface and high versatility. In practical application, the system meets the requirement of distribution monitoring.

power distribution monitoring; ARM; Modbus; GPRS

2017-05-17

浙江省科技计划资助项目(2016C34008)

田 瑾(1994-),女,河南开封人,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统.

1006-3269(2017)03-0029-05

TP277

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.007