基于Modbus協(xié)議的三相電力智能配電系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：介紹了一種基于Modbus協(xié)議的三相電力智能配電系統(tǒng)。系統(tǒng)以16位MSP430處理器為控制核心，采用SAMES SA9904B三相電參量芯片實現(xiàn)三相電力系統(tǒng)的多種電參量的采集和處理，通過標準的Modbus協(xié)議可實現(xiàn)對電力設(shè)備的實時在線監(jiān)測、保護、控制和電能計量等。該系統(tǒng)可以單獨作為三相電力配電模塊使用，也可以方便接入Modbus通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了與其他Modbus設(shè)備的兼容，可廣泛應(yīng)用于中低壓電力配電系統(tǒng)，達到了電力系統(tǒng)配電自動化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。
關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議；智能配電系統(tǒng)；SA9904B；MSP430

    隨著電力自動化技術(shù)的發(fā)展和電力智能配電系統(tǒng)建設(shè)的需要，具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能的配電系統(tǒng)日漸成為中低壓配電的最基本要求，采用專用的三相電參量采集芯片和高性價比的16位MSP430處理器構(gòu)建的智能配電系統(tǒng)，并通過RS 485總線實現(xiàn)電力系統(tǒng)通用的Modbus協(xié)議，具有適時遙測數(shù)據(jù)精度高、遙控可靠、遙信號時、低功耗、擴展性好等優(yōu)點。

1 三相電力配電系統(tǒng)的硬件設(shè)計
1．1 TI MSP430F149處理器
    TI MSP430F149是一款超低功耗的高性價比精簡指令集16位單片機，最小指令周期125 ns，32 kB的FLASH和2 kB RAM，具有豐富的片上外設(shè)資源和5個雙向8位IO口，并具有JTAG調(diào)試接口，非常適合高性價比低功耗系統(tǒng)的設(shè)計。
1．2 SA9904B三相電參量采集芯片
    SAMES公司的SA9904B是專用的電參量采集測量芯片，此芯片具有實時測量三相有功與無功功率／電能、電壓有效值和線頻率，并可計算功率因數(shù)、電流有效值等參數(shù)；片內(nèi)具有精密基準參考電壓，保證各電參量的準確采集；具有SPI總線方便與處理器進行接口；芯片自身功耗低于60 mW，具有ESD保護功能。
1．2．1 SA9904B內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能
    SA9904B是一個高精度專用電能計量芯片，適用于三相三線和三相四線，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)部集成了六路二階24位∑一△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、參考電壓電路以及有功與無功電能、有效值、主頻率測量的數(shù)字信號處理電路，可以測量并計算出各相的有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)和頻率等重要的電參量，SA9904B提供了標準的SPI總線接口，方便與外部的處理器進行電參量的傳遞。

1．2．2 SA9904B引腳及功能
    SA9904B的引腳如圖2所示。其中GND為模擬地；VDD為電源的正極，當使用分流電阻檢測電流時，接+2．5 V電壓；當使用電流互感器時，接+5 V電壓；VSS為電源負極，當使用分流電阻檢測電流時，接一2．5 V電壓，當使用電流互感器時，接0 V電壓；IVPl，IVP2，IVP3分別是三相模擬電壓采樣輸入端，當測量的電壓為額定電壓時，要保證輸入到內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為14μA；IIPl，IINl，IIP2，IIN2，IIP3，IIN3分別是三相的模擬電流采樣輸入端，當測量的電流為額定電流時，要保證輸入到芯片上的A／D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為16μA；VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接47 kΩ電阻到地；F50為電壓過零脈沖輸出端，輸出的脈沖頻率為交流電壓的頻率，脈沖寬度為1 ms；CS，DI，DO，SCK分別是SPI接口的片選端、數(shù)據(jù)輸入端、數(shù)據(jù)輸出端和時鐘端；OSCl，OSC2為外部晶振的輸入、輸出端。
1．2．3 SA9904B的采樣電路及與MSP430F149的接口設(shè)計
    SA9904B的采樣電路分為三相電壓和三相電流采樣電路，采樣電路一般有直接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采親和互感器采樣兩種形式，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣成本低電路簡單，但采樣系統(tǒng)直接接入電網(wǎng)，沒有隔離，易受電網(wǎng)的沖激干擾，嚴重時會損壞系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場一般不采用這種方式。另一種是電壓互感器和電流互感器采樣電路，能有效隔離電網(wǎng)對系統(tǒng)的干擾，保證了采樣的精度并保護了測控系統(tǒng)。在本次設(shè)計中，采樣選用電壓互感器和電流互感器采樣電路，圖3給出了一相電路的電壓和電流采樣，其他兩相的采樣電路與此相同。對于電壓采樣電路，選用的電壓互感器是電流型電壓互感器，典型值是2 mA／2 mA，R1是前端限流電阻，Rsh1是電壓互感器的終端電阻，R2是電壓采樣的限流電阻，且要滿足當測量的電壓為額定電壓時，輸入IVPl的電流有效值為14μA，如果額定電壓為220 V，那么R1=如果R2選用1 MΩ，那么Rsh1=14 kΩ。對于電流采樣電路，采用差分采樣輸入，可有效抑制干擾，選用的電流互感器的典型值是5 A／5 mA，Rsh2是電流互感器的終端電阻，R3和R4是電流采樣的限流電阻，要滿足當測量的電流為額定電流時，輸入電流通道IINl和IIPl的電流有效值為16μA，如果待測線電流的額定電流為5 A，取R3和R4相等，那么如果選用R3=R4=100 kΩ，那么求得Rsh2=320Ω。

    MSP430F149的UARTl采用SPI模式可以和SA9904B的SPI總線直接連接，MSP430F149內(nèi)部產(chǎn)生標準的SPI時序，采用4線主從通信模式，MSP430F149工作在主機模式，STE為SPI選通控制端，UCLK引腳上的UCLK信號是SPI總線的同步時鐘，在第一個UCLK周期，已寫入UTXBUF的數(shù)據(jù)以高位在前低位在后的順序移入移位寄存器，并由SIMO引腳移出，同時從SOMI引腳鎖存數(shù)據(jù)并送入接收移位寄存器，接收移位寄存器滿，則把接入數(shù)據(jù)放入接收緩存URXBUF中，在接收過程中最先接收到的數(shù)據(jù)位為高位，此時置位URXIFG位，可用中斷或查詢的方式把接收到的數(shù)據(jù)讀出，從而完成一次通信過程。SPI總線接口方式如圖3所示。

2．2 Modbus RTU協(xié)議通信實現(xiàn)
    Modbus RTU模式的編程要處理數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束時間間隔，即兩個數(shù)據(jù)包之間的至少3．5個字符的時間間隔，才能保證接收數(shù)據(jù)包的完整性，當接收者接偵測到一個數(shù)據(jù)包開始時，開始接收數(shù)據(jù)，并把接收到的第一個數(shù)據(jù)即地址域和自己的地址相比較，如果相同，則接收完整的數(shù)據(jù)包并做CRC校驗。如果地址不同，則放棄接收過程，等待下一個數(shù)據(jù)包的開始。在MSP430中實現(xiàn)時，使用了定時器中斷來偵測數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)間隔，實現(xiàn)的程序流程如圖4所示。

3 結(jié) 語
    設(shè)計的基于Modbus通信協(xié)議的三相電力智能配電系統(tǒng)，所涉及到的軟硬件均通過了調(diào)試，工作正常，性能穩(wěn)定。該模塊可以單獨作為三相電力配電模塊使用，也可以方便接入Modbus通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了和其他Modbus設(shè)備的兼容，可廣泛應(yīng)用于中低壓電力配電系統(tǒng)。