电力系统自动化实验

1. 电力系统自动化实验 电气工程实验中心 ——系统认识和通讯特性实验

2. 实验三 系统认识和通讯特性实验 实验目的 实验内容 实验设备 实验步骤 实验报告

3. 一、实验目的 深入理解配电自动化系统的构成和工作方式 深入理解配电自动化系统的通讯方式和原理 学会对监控终端设备的基本设置 学会CRC校验码的构成及算法

4. 二、实验内容 1. 认识配电自动化系统的体系结构和一次系统的构成本配电监控实验系统分为配电系统实验室和电力监控系统实验室两部分。 其中配电系统实验室模拟建立了0.4KV低压电网，采用2路进线、10路出线的典型结构，并由现场监控单元PM850，PM810，智能框架断路器MT对一次设备进行监控；所有设备均为施耐德电气配电产品，示意图如图1：

5. 图1 一次系统构成示意图

6. 电力监控系统实验室模拟建立一套后台监控系统，实现对电力信息的遥测量、遥信量的采集和处理，对电力设备的遥控、遥调，以及对系统采集量进行记录和报表输出等功能。 系统采用分散、分层结构设计，按间隔单元划分、模块化设计，整个系统分为三层：现场监控层、通讯管理层和系统管理层。 配电数据通过现场监控层进行采集和就地显示，经过配电通讯管理层的协议转换，最终由系统管理层实现集中的管理。其系统配置示意图如图2：

7. 图2 系统体系结构示意图

8. 现场监控层： 所有监控单元相对独立，按一次设备对应分布式配置，安装在开关柜回路内，完成保护、控制、监测和通信等功能，同时具有动态实时显示开关设备工作状态、运行参数、故障信息和事件记录、保护定值等功能。监控单元与开关柜融为一体，构成智能化开关柜，经RS485通信接口接入现场总线。 • 通讯管理层： 完成监控层和管理层之间的网络连接、转换和数据、命令的交换，达到信息资源共享。

9. 系统管理层： 由监控主机、打印机组成。监控主机采用IBM高性能计算机，同时采用中国上海威能电力科技股份有限公司的C5分布式监控系统和法国施耐德电气的专业组态监控软件VIJIO CITECT完成的配电监控系统来进行对比监控，同时集成相关报表输出等功能，系统软件基于多进程、多任务Microsoft Windows NT/2000中文操作系统。 • 对终端设备进行设置 • 对后台主站监控软件的设置

10. 2.对终端设备进行设置 3.对后台主站监控软件的认识 4.认识监控终端和后台监控软件之间的通讯方式-MODBUS协议 Modbus协议是工业控制器网络协议中的一种，此协议定义了一个控制器能认识的消息结构，描述了一个控制器请求访问其它设备、回应来自其它设备的请求以及侦测错误并记录的过程。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。它已经成为一种通用工业标准，可以将不同厂商生产的控制设备（例如：变频器，伺服驱动器，智能仪表，信号采集卡等）连成工业网络，进行集中监控。

11. Modbus主/从协议原理 Modbus串行链路协议是一个主-从协议。在同一时间，只能将一个主站连接到总线，将一个或多个从站（最大数量为247）连接到相同的串行总线。Modbus 通讯总是由主站发起，当从站没有收到来自主站的请求时，将不会发送数据。主站同时只能启动一个Modbus事务处理，从站之间不能相互通信。 主站用两种模式向从站发出Modbus请求，分别为单播模式和广播模式。 单播模式工作方式：由主站寻址单个从站，从站接收并处理完请求之后，向主站返回一个报文（一个应答）。在这种模式下，一个Modbus 事务处理包含2 个报文：一个是主站的请求，另一个是从站的应答。每个从站必须有唯一的地址（1～247），这样才能区别于其它站而被独立地寻址。 广播模式工作方式：主站可以向所有的从站发送请求，对于主站广播的请求没有应答返回，广播请求必须是写命令，所有设备必须接收写功能的广播，地址0被保留用来识别广播通信。

12. Modbus寻址原则 Modbus寻址空间由256个不同地址组成。地址0为广播地址，所有从站必须识别广播地址。Modbus主站没有特定地址，只有从站有一个地址，在Modbus串行总线上，这个地址必须是唯一的。 表1 Modbus寻址空间分配

13. 请求Require-响应 Respond周期 请求-响应周期表如图下图所示。 图3 请求-响应周期表

14. （1）请求 主设备查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如：功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。 （2）响应 如果从设备产生一个正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据（例如寄存器值或状态）。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

15. 传输方式 控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络中进行通信。用户可以选择想要的模式，包括波特率、校验方式等串口通信参数，在配置每个控制器的时候，一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。本实验中采用的是RTU模式。 （1）ASCII模式 当控制器设为在Modbus网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信时，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。 （2）RTU模式 当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信时，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。

16. Modbus消息帧 （1）ASCII帧 使用ASCII模式，消息以冒号“：”字符（ASCII码 3AH）开始，以回车换行符结束（ASCII码 0DH，0AH），其它域可以使用的传输字符是十六进制的0...9，A...F。网络上的设备不断侦测“：”字符，当有一个“：”接收到时，每个设备都解码下个域（地址域）来判断是否发给自己的。 消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1秒，否则接收的设备将认为是传输错误。一个典型的ASCII模式消息帧如下表2所示。 表3-2 ASCII消息帧 起始位 设备地址 功能代码 数据 LRC校验 结束符 1个字符 2个字符 2个字符 n个字符 2个字符 2个字符

17. 2）RTU帧 使用RTU模式，两个连续发送的数据帧之间至少要有3.5个字符的停顿时间间隔，如表3-3中的T1-T2-T3-T4就是表示此3.5个字符的停顿时间间隔的。传输的第一个域是设备地址，可以使用的传输字符是十六进制的0...9，A...F。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内，当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。如果发送完一个数据帧，间隔时间小于3.5个字符时间又发送第二个数据帧，那么接收站点就会误认为它们是同一个数据帧，从而造成接受数据混乱。一个典型的RTU模式消息帧如下所示。 RTU消息帧 起始位 设备地址 功能代码 数据 CRC校验 结束符 T1-T2-T3-T4 8Bit 8Bit n个8Bit 16Bit T1-T2-T3-T4

18. Modbus差错控制 标准的Modbus网络有两种错误校验方法。错误校验域的内容视所选的校验方法而定。 （1）ASCII 当选用ASCII模式作字符帧，错误校验域包含两个ASCII字符。这是使用LRC（纵向冗长校验）方法对消息内容计算得出的，不包括开始的冒号符及回车换行符。LRC字符附加在回车换行符前面。 （2）RTU 当选用RTU模式作字符帧，错误校验域包含一个16Bits值（用两个8位的字符来实现）。错误校验域的内容是通过对消息内容进行CRC（循环冗长校验）方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节，故CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节。

19. Modbus功能码与数据类型 Modbus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。详见ModBus相关资料。 Modbus网络只是一个主机，所有通信都由它发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。 其功能码与数据类型关系表详见相关资料

20. 5. 对监控终端设备进行通讯设置 6. 报文发送测试 7. 接收报文分析

21. 三、实验设备 7台Prisma配电柜 PM810电力参数测量仪 C5分布式监控系统

22. 四、实验步骤 1.设置终端设备 PM810电力参数测量仪装有一个大的背光的LCD显示屏， 最多可以显示5行信息，其主显示界面如下： 图4 电力参数测量仪主显示界面

23. 为了对进行设置，按以下说明进行 • 滚动第一级菜单列表直到看见SETUP选项 • 按下SETUP，输入密码（默认密码是0000） • 保存之前，按↑按钮，直到出现保存改动提示 • 执行下面的部分中的步骤来设置电力参数测量仪，具体根据指导老师要求去设置。 ①.通讯设置 • 按→按钮至MAINT，进入下级菜单点至SETUP，输入默认密码，直点至看见COMMS • 按COMMS • 选择通讯协议：MBUS(MODBUS)或者JBUS（本实验采用MBUS） • 设置ADDR（地址，001-010，每一组同学对应一个地址) • 选择BAUD（波特率，默认采用9600）：9600、19200或者38400 • 选择校验方式：ODD、EVEN或者NONE（默认采用EVEN） • 按↑按钮返回SETUP设置界面

24. ②日期、时间和语言设置 • 按→按钮直到看见DATE • 按DATE并输入月份、日期、年份和显示方式 • 按↑按钮返回SETUP设置界面 • 按→按钮直到看见TIME • 按TIME输入小时、分钟、秒和显示方式 • 按↑按钮返回SETUP设置界面 • 按→按钮直到看见LANG • 按LANG并选择语言：ENG(英语)、SPAN(西班牙语)、FREN(法语) • 按↑按钮返回SETUP设置界面 ③CT、PT设置 • 按→按钮直到看见METER，按METER • 按CT并输入CT的一、二次侧额定电流，按OK • 按↑按钮返回METER SETUP设置界面 • 按PT输入SCALE（比例）值：X1、X10、X100、没有PT（对直接连接方式） • 输入PRIM（原边）值 • 输入SEC（副边）值 • 按↑按钮返回METER SETUP设置界面 • 按↑按钮返回SETUP设置界面 • 按↑按钮保存改动

25. ④系统类型设置 • 按→按钮直到看见METER，按METER • 按SYS • 选择SYS（系统类型，本系统为4线3CT），按OK • 选择FREQ（频率，默认为60HZ），按OK • 按↑按钮返回METER SETUP设置界面 • 按↑按钮返回SETUP设置界面

26. 2.设置后台主站监控软件 ⑴ C5分布式监控系统 C5分布式监控系统是上海威能电力科技股份有限公司研究开发的在线监控软件，系统根据国内大多数用户的需求，融合国内主流系统优点，并追踪国际SCADA系统标准化和开放性的要求而开发。系统也参考了工业监控系统和组态系统，整个系统功能强大，设计新颖，性能稳定，技术先进，遵循标准，全方位开放，具备更广泛的适应性。 系统可以应用于通讯、水处理、煤炭、电力等多个行业，可以完成综合自动化、调度自动化、配变监测、电能质量、配网自动化等多个系统，可以为调度所调度人员，变电站值班人员提供的很好的操作平台。 （2）系统启动 在“开始”菜单的“运行”中输入“hmi”后，点击“确定”后，系统自动启动，进入系统主界面。进入主界面后，按照工作权限规定，在“开始”—“登陆”中，进行正确登陆。系统主界面如下：

27. 图5监控系统主界面

28. 在主界面右下角点击 “报表”按钮，会弹出报表系统主界面，除浏览报表外，在此处可以进行报表的定制、打印和导出等操作。 图6报表系统主界面

29. 在主界面右下角点击 “事项”按钮，会弹出事项告警主界面，可以显示系统事项、SCADA事项、操作事项等信息，并可进行输出。 图7事项告警主界面

30. 在主界面右下角点击“置库”工具按钮，自动进入置库界面。可以进行权限配置、采集信息配置及通讯通道等相关配置。 图8数据库管理器主界面

31. 在主界面右下角点击“绘图”工具按钮，自动进入JK组态编辑系统界面。在主界面右下角点击“绘图”工具按钮，自动进入JK组态编辑系统界面。 • 绘图包是用于绘制画面和图形的工具。C5的一幅图形由多个图层组成。 • 每个图层与一个特征(设备类型)关联，当绘制对应特征的图元时，自动切换到该图层。每个图层可以设置在一定缩放系数下显示与否。 • 各种图形按是否可变可分为静态图元和动态图元；按复杂性又分为一般图元、复合图元、线性图元、设备图元等等；按组成又分为：单个图元、组合图元。 • 参考一次系统构成图，自行绘制一进线一出线的示意图，通过此过程熟悉对图形进行的各种操作，以加深对组态系统的认识。

32. 图9数据库管理器主界面

33. 3. MODBUS通讯报文发送与接收 (1)测试工具 图10 测试工具 Commix 根据监控终端设备中数据配置串口收发工具Commix的参数，并理解参数意义。

34. (2)报文学习 根据实验内容中对MODBUS协议的介绍以及提供的文档《PM800用户手册》，学会编写modbus数据请求报文，《PM800用户手册》主要包括了对pm800通讯所使用协议的说明以及存储数据的寄存器地址。寄存器列表从文档87页开始，并请同学们注意文档85页的高亮部分。 图 11 寄存器列表 使用Commix工具对pm800发送报文，并接收回发的报文，读懂报文，对发送、接收的报文进行记录。

35. （3）通信协议报文发送要求 • 遥测： 要求采集的数据有3相电压、3相电流、频率、功率因数、有功、无功，总共10个量。 • 遥控： 参考下面的说明，完成对pm800的遥控操作，完成合闸、分闸各一次。 I/O指针号： 本体KY： I/O点1 位置A模块R1: I/O点3 位置A模块R2: I/O点4 位置B模块R1: I/O点11 位置B模块R2: I/O点12 命令： 写 I/O指针号 到寄存器 8001，设置控制对象 写命令3310 到寄存器 8000，设置继电器为外部控制 写命令3321 到寄存器 8000，命令指定继电器动作 写命令3320 到寄存器 8000，命令指定继电器恢复

36. 举例：遥控A位置的PM8M26模块的继电器R1，写寄存器步骤：举例：遥控A位置的PM8M26模块的继电器R1，写寄存器步骤： 寄存器 8001 3 寄存器 8000 3310 寄存器 8000 3321 寄存器 8000 3320 • 寄存器16进制对应列表： 8000 1F40 8001 1F41 3310 0CEE 3321 0CF9 寄存器有1位的偏移，8000－7999；8001－8000；

37. 五、实验报告 • 简述设备设置中遇到的问题。 将所有发送、接收的报文制作成表，并将遥测的数据转换成10进制，形式可参考下表。 发送报文 接收报文 数据 列举一组通讯测试中发送/接受的报文，并逐字节分析其意义。

38. THANKS！