阮徳團，李東東，劉 翔

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

為了改善日益嚴(yán)峻的全球資源環(huán)境現(xiàn)狀、滿足更高水平的居民用電質(zhì)量需求，全球電力行業(yè)正大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，以期實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用和用電方式的智能化.[1-3]

作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能用電可使居民用戶直接感受智能電網(wǎng)所帶來的便利生活.[4-6]在2011年11月頒布的國家能源科技“十二五”規(guī)劃中明確提出大力研發(fā)智能用電技術(shù)，智能電網(wǎng)用戶端設(shè)備及系統(tǒng)測試技術(shù)等智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù).[7]在建設(shè)智能電網(wǎng)的過程中，智能電網(wǎng)用戶端設(shè)備，以及系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計受到了廣泛的關(guān)注和重視.

目前，已有大量文獻(xiàn)介紹智能用電相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計.文獻(xiàn)[8]提出了一種以智能家庭路由器為上位機節(jié)點，監(jiān)控設(shè)備為下位機節(jié)點的智能用電系統(tǒng)架構(gòu).文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種具有無線通信控制功能的插座模塊，對與其連接的家用電器進(jìn)行管理，并且用戶可通過Internet對插座模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問.文獻(xiàn)[10]提出了一種基于實時電價的智能用電系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該智能用電系統(tǒng)的組成及關(guān)鍵部件的功能特征.上述文獻(xiàn)側(cè)重于有關(guān)智能用電系統(tǒng)整體架構(gòu)的理論設(shè)計，而對互動終端與下位機通訊實現(xiàn)的介紹較少.

本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)工具和智能負(fù)荷控制器，設(shè)計了一種適用于家庭的智能用電實驗系統(tǒng)，模擬現(xiàn)實家庭的用電情況，可根據(jù)實時采集的系統(tǒng)內(nèi)家用電器的實時用電信息以及當(dāng)前時段的實時電價，合理調(diào)控家電設(shè)備的運行.本系統(tǒng)采用Modbus-RTU協(xié)議，通過ZigBee無線通信，實現(xiàn)了上位PC機與下位機智能負(fù)荷控制器的通信.

1 智能用電實驗系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的智能用電實驗系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實現(xiàn)家用電器的用電信息采集和遠(yuǎn)程控制、家庭局域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，以及與上級電力公司的信息雙向交互.該系統(tǒng)主要面向用戶側(cè)，由智能交互終端、家庭局域網(wǎng)絡(luò)、智能負(fù)荷控制器、智能家電、分布式電源、儲能以及電動汽車等部分組成.具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 智能用電實驗系統(tǒng)架構(gòu)

為使居民用戶能直接感受智能電網(wǎng)所帶來的便利生活，本文設(shè)計的智能用電實驗系統(tǒng)可支持居民分布式電源、電動汽車等設(shè)備的接入和管理，可智能控制用電設(shè)備的使用，從而實現(xiàn)對居民能源使用的監(jiān)測與管理.

1.1 智能交互終端

智能交互終端是本智能用電實驗系統(tǒng)的核心，是用戶與電力公司信息交互的門戶.其主要功能如下.

(1)接收智能負(fù)荷控制器、智能家電發(fā)送的設(shè)備用電信息并進(jìn)行實時顯示，使用戶能直觀地了解用電設(shè)備詳細(xì)的用能信息.

(2)接收電力公司發(fā)布的電價信息及上層能源管理系統(tǒng)發(fā)布的調(diào)控指令，同時將系統(tǒng)內(nèi)的能源總消耗信息發(fā)送至上層能源管理系統(tǒng).為保護(hù)用戶隱私，系統(tǒng)內(nèi)各用電設(shè)備的詳細(xì)用電信息只有在用戶允許的情況下才能被上傳至上層能源管理系統(tǒng).

(3)根據(jù)電價信息以及上層能源管理系統(tǒng)發(fā)布的調(diào)控指令，合理控制居民分布式電源和居民電器的使用.

本文設(shè)計的智能交互終端是由ZigBee收發(fā)模塊與PC機上的LabVIEW平臺聯(lián)接組成，采用Modbus-RTU協(xié)議，通過 ZigBee無線通信，將ZigBee收發(fā)模塊接收到的設(shè)備用電信息傳送至LabVIEW平臺上實時顯示，同時，用戶也可根據(jù)需求在LabVIEW平臺界面上實現(xiàn)對用電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制.

1.2 家庭局域網(wǎng)絡(luò)

家庭局域網(wǎng)絡(luò)(HAN)是高級量測體系(AMI)建設(shè)的基礎(chǔ).本文設(shè)計的智能用電系統(tǒng)的HAN是將智能交互終端、智能負(fù)荷控制器與各種家用電器連接起來，組成局域網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)家庭能源管理的功能.ZigBee是基于 IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的一種低速無線個域技術(shù)，協(xié)議架構(gòu)簡單，具有短距離、低功耗和低成本等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于居民智能用電網(wǎng)絡(luò).本文設(shè)計的智能用電實驗系統(tǒng)也是基于ZigBee無線通信技術(shù)來構(gòu)建HAN.

1.3 智能負(fù)荷控制器

為了實現(xiàn)用電信息的可視化，合理安排居民生活用電，獲取各種家用電器的詳細(xì)用電信息并實現(xiàn)各家用電器的組網(wǎng)是十分重要的.智能負(fù)荷控制器是智能用電實驗系統(tǒng)的下位機節(jié)點，可實現(xiàn)對家庭用電設(shè)備的實時電量信息采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制.為了實現(xiàn)用電設(shè)備之間的組網(wǎng)，智能負(fù)荷控制器中具有 ZigBee模塊，可通過ZigBee協(xié)議與智能互動終端通信，使用電設(shè)備更好地參與到需求響應(yīng)中.智能負(fù)荷控制器的具體功能如下:

(1)用電信息采集功能 實時采集各用電設(shè)備的電壓、電流、功率及耗電量等用電信息;

(2)無線通信功能 采用ZigBee通信協(xié)議，構(gòu)建智能負(fù)荷控制器、智能家電和智能交互終端的家庭局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)用電設(shè)備的用電信息采集和遠(yuǎn)程控制;

(3)智能控制功能 接收交互終端的指令，對用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)控操作.

2 智能負(fù)荷控制器與智能交互終端通訊協(xié)議的實現(xiàn)

智能負(fù)荷控制器與智能交互終端的通信遵循Modbus通信協(xié)議，各智能負(fù)荷控制器間、智能負(fù)荷控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與智能交互終端之間通過此協(xié)議進(jìn)行通信.Modbus協(xié)議定義了一種消息結(jié)構(gòu)，不管各控制器經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，都可以識別和使用這種消息結(jié)構(gòu).Modbus通信使用主從技術(shù)，上位機主設(shè)備開始時進(jìn)行初始化查詢操作，下位機從設(shè)備針對上位機主設(shè)備的查詢數(shù)據(jù)操作做出相應(yīng)反應(yīng).在此系統(tǒng)中，交互終端作為主設(shè)備，智能負(fù)荷控制器作為從設(shè)備，由交互終端發(fā)出查詢信息，智能負(fù)荷控制器接收查詢信息并做出反饋.

2.1 通訊信息的傳輸過程

Modbus通信協(xié)議有ASCII和RTU兩種傳輸模式，本文采用RTU模式.在RTU模式下，每個8 Bit包含兩個4 Bit的十六進(jìn)制字符，在同樣的波特率下，要比 ASCII傳輸更多的數(shù)據(jù).Modbus-RTU模式下的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示.

表1 ModBus-RTU數(shù)據(jù)幀格式

交互終端將命令發(fā)送到智能負(fù)荷控制器時，各智能負(fù)荷控制器將接收命令中的地址碼與自身設(shè)置的地址碼進(jìn)行比較，符合相應(yīng)地址碼的，智能負(fù)荷控制器對其進(jìn)行CRC校驗，若校驗正確，則執(zhí)行與功能碼相對應(yīng)的任務(wù)，并將執(zhí)行結(jié)果(數(shù)據(jù))返送給智能交互終端.返回的信息數(shù)據(jù)幀格式同樣由地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)及CRC校驗碼組成.若CRC校驗不正確，則智能負(fù)荷控制器不執(zhí)行任何動作.

(1)地址碼 是每次ModBus-RTU數(shù)據(jù)幀的第一字節(jié)，從0～255，表示設(shè)置為相應(yīng)地址的智能負(fù)荷控制器將接收由智能交互終端發(fā)送來的信息.在本文設(shè)計的HAN中，每個智能負(fù)荷控制器都對應(yīng)唯一的地址碼，并且智能負(fù)荷控制器的地址碼與交互終端發(fā)送的信息地址碼相符，才能響應(yīng)返送信息.當(dāng)智能負(fù)荷控制器返送信息時，返送數(shù)據(jù)均以其地址碼開始.交互終端發(fā)送的地址碼表示信息將要送達(dá)的智能負(fù)荷控制器地址，而智能負(fù)荷控制器返回的地址碼可表明該信息來自于哪個智能負(fù)荷控制器.

(2)功能碼 是每次ModBus-RTU數(shù)據(jù)幀傳送的第2個字節(jié).ModBus通訊協(xié)議中可以定義的功能碼為1～127.智能負(fù)荷控制器僅使用其中一部分功能碼.在交互終端發(fā)送的通訊信息幀中，功能碼表示智能負(fù)荷控制器所要執(zhí)行的任務(wù).在智能負(fù)荷控制器產(chǎn)生的響應(yīng)信息幀中，返回的功能碼與接收的功能碼一致，表示負(fù)荷控制器已響應(yīng)交互終端的命令且已執(zhí)行了相關(guān)操作.

(3)數(shù)據(jù)區(qū) 其內(nèi)容表示智能負(fù)荷控制器需要返回何種信息或執(zhí)行哪些動作.這些信息可以是數(shù)據(jù)(如開關(guān)量、模擬量、寄存器等)和參考地址等.

(4)CRC校驗 上位機和下位機可用CRC校驗判斷接收的信息是否正確.由于電子噪聲或一些其他干擾的影響，在傳輸過程中可能會產(chǎn)生錯誤的信息，CRC可以檢驗上位機智能交互終端和下位機智能負(fù)荷控制器在通信數(shù)據(jù)傳送過程中的信息是否發(fā)生錯誤，并且可以放棄錯誤數(shù)據(jù)，從而增加了系統(tǒng)通訊的可靠性.

2.2 通信示例

上位PC機與下位智能負(fù)荷控制器通信時數(shù)字和模擬量的讀寫操作示例如下.

例1 功能碼03(0x03):讀多路寄存器.

讀取地址為02，開始地址為0048H的7個寄存器數(shù)據(jù).

上位PC發(fā)送命令:[設(shè)備地址][命令號03][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低 8位][CRC校驗的低 8位][CRC校驗的高8位].

智能負(fù)荷控制器響應(yīng):[設(shè)備地址][命令號03][返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù) 1][數(shù)據(jù)2]……[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位].

例2 功能碼05(0x05):寫1路開關(guān)量輸出.

“FF00”表示輸出開關(guān)量為“1”，立刻控制繼電器“合”;“0000”表示輸出開關(guān)量為“0”，立刻控制繼電器“分”.交互終端控制地址為01的智能負(fù)荷控制器的繼電器開通.

上位PC機發(fā)送命令:[設(shè)備地址][命令號05][需下置的寄存器地址高8位][低8位][下置的數(shù)據(jù)高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位].

智能負(fù)荷控制器響應(yīng):如果正確，則將把發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng).

例3 功能碼01(0x01):讀取一路開關(guān)量輸出狀態(tài).

交互終端讀取地址為01的智能插座的繼電器輸出狀態(tài).

上位PC機發(fā)送命令:[設(shè)備地址][命令號01][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位].

智能負(fù)荷控制器響應(yīng):[設(shè)備地址][命令號01][返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]……[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位].

3 上位PC機LabVIEW程序設(shè)計

本文采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)工具編寫上位機程序，完成基于Modbus-RTU協(xié)議的串口通信和數(shù)據(jù)處理.

利用NI公司提供的NI Modbus的VI庫文件包來編寫 LabVIEW 程序.將庫文件中的 NI Modbus.llb文件復(fù)制到 LabVIEW 安裝目錄下的vi.lib 文件夾中，將 nimodbus.mnu 文件復(fù)制到user.1ib文件夾下，重啟LabVIEW 軟件后即可在程序框圖的函數(shù)面板里的用戶庫下看到所有的NI Modbus子VI.上位PC機運用LabVIEW 軟件提供的 NI Modbus用戶庫實現(xiàn)初始化串口、數(shù)據(jù)收發(fā)和下位機遠(yuǎn)程控制等功能.本文程序設(shè)計中應(yīng)用到的NI Modbus子 VI程序說明如下.

(1)MB Serial Init 將VISA中指定的串口初始化，如設(shè)置波特率為9 600 b/s.

(2)MB Serial Master Query Read Holding Registers VI 上位PC機讀取下位機智能負(fù)荷控制器的多個寄存器，下位機支持電壓、電流、有功功率、無功功率、有功總電能(高位)、有功總電能(低位)及功率因數(shù)等7種數(shù)據(jù)類型.開始地址為0048H，不同的下位機對應(yīng)不同的設(shè)備地址.

(3)MB Serial Master Query Read Coil VI上位機使用該VI讀取下位機的一路開關(guān)量輸出狀態(tài)，相當(dāng)于Modbus協(xié)議的功能碼01.

(4)MB Serial Master Query Write Single Coil VI 上位機向下位機寫入一個單線圈，控制下位機智能負(fù)荷控制器的開關(guān)，相當(dāng)于Modbus協(xié)議的功能碼05.

上位機主界面程序如圖2所示.

圖2 Labview與智能負(fù)荷控制器的MODBUS通訊程序

下位機智能負(fù)荷控制器將采集的數(shù)據(jù)保存到各電量寄存器中，上位PC機需對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到其實際值.測量電量寄存器地址和通訊數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 測量電量寄存器地址和通訊數(shù)據(jù)

本文以下位機智能負(fù)荷控制器連接臺燈為例進(jìn)行了相關(guān)實驗.實驗結(jié)果顯示，上位PC機可準(zhǔn)確讀取下位機智能負(fù)荷控制器的實時用電信息，系統(tǒng)工作正常，通信可靠.

4 結(jié)語

本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)工具和智能負(fù)荷控制器，設(shè)計了一種適用于家庭的智能用電實驗系統(tǒng).采用 Modbus-RTU協(xié)議，通過ZigBee無線通信，實現(xiàn)了上位PC機與下位機智能負(fù)荷控制器的通信.仿真結(jié)果表明:該系統(tǒng)操作方便，通信可靠，可實現(xiàn)智能負(fù)荷控制器的信息采集和遠(yuǎn)程控制.相對而言，本文設(shè)計的上位機程序還比較簡單，下一步的研究重點在于提高響應(yīng)電力公司電價信息和上級能源管理系統(tǒng)調(diào)控指令的能力，以實現(xiàn)與上級能源管理系統(tǒng)的信息交互.

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