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基于Modbus协议的三相电力智能配电系统设计

作者:  时间:2009-04-22 17:13  来源:
随着电力自动化技术的发展和电力智能配电系统建设的需要,具有数字化、智能化、网络化、多功能的配电系统日渐成为中低压配电的最基本要求,采用专用的三相电参量采集芯片和高性价比的16位MSP430处理器构建的智能配电系统,并通过RS 485总线实现电力系统通用的Modbus协议,具有适时遥测数据精度高、遥控可靠、遥信号时、低功耗、扩展性好等优点。

  1 三相电力配电系统的硬件设计

  1.1 TI MSP430F149处理器

  TI MSP430F149是一款超低功耗的高性价比精简指令集16位单片机,最小指令周期125 ns,32 kB的FLASH和2 kB RAM,具有丰富的片上外设资源和5个双向8位IO口,并具有JTAG调试接口,非常适合高性价比低功耗系统的设计。

  1.2 SA9904B三相电参量采集芯片

  SAMES公司的SA9904B是专用的电参量采集测量芯片,此芯片具有实时测量三相有功与无功功率/电能、电压有效值和线频率,并可计算功率因数、电流有效值等参数;片内具有精密基准参考电压,保证各电参量的准确采集;具有SPI总线方便与处理器进行接口;芯片自身功耗低于60 mW,具有ESD保护功能。

  1.2.1 SA9904B内部结构及功能

  SA9904B是一个高精度专用电能计量芯片,适用于三相三线和三相四线,内部结构如图1所示。内部集成了六路二阶24位∑一△模/数转换器、参考电压电路以及有功与无功电能、有效值、主频率测量的数字信号处理电路,可以测量并计算出各相的有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、电压有效值、电流有效值、功率因数和频率等重要的电参量,SA9904B提供了标准的SPI总线接口,方便与外部的处理器进行电参量的传递。

SA9904B内部结构

  1.2.2 SA9904B引脚及功能

  SA9904B的引脚如图2所示。其中GND为模拟地;VDD为电源的正极,当使用分流电阻检测电流时,接+2.5 V电压;当使用电流互感器时,接+5 V电压;VSS为电源负极,当使用分流电阻检测电流时,接一2.5 V电压,当使用电流互感器时,接0 V电压;IVPl,IVP2,IVP3分别是三相模拟电压采样输入端,当测量的电压为额定电压时,要保证输入到内部A/D转换器的电流有效值为14μA;IIPl,IINl,IIP2,IIN2,IIP3,IIN3分别是三相的模拟电流采样输入端,当测量的电流为额定电流时,要保证输入到芯片上的A/D转换器的电流有效值为16μA;VREF为参考电源的外接电阻端,通常需要接47 kΩ电阻到地;F50为电压过零脉冲输出端,输出的脉冲频率为交流电压的频率,脉冲宽度为1 ms;CS,DI,DO,SCK分别是SPI接口的片选端、数据输入端、数据输出端和时钟端;OSCl,OSC2为外部晶振的输入、输出端。

SA9904B的引脚

  1.2.3 SA9904B的采样电路及与MSP430F149的接口设计

  SA9904B的采样电路分为三相电压和三相电流采样电路,采样电路一般有直接电阻分压网络采亲和互感器采样两种形式,电阻分压网络采样成本低电路简单,但采样系统直接接入电网,没有隔离,易受电网的冲激干扰,严重时会损坏系统,在工业现场一般不采用这种方式。另一种是电压互感器和电流互感器采样电路,能有效隔离电网对系统的干扰,保证了采样的精度并保护了测控系统。在本次设计中,采样选用电压互感器和电流互感器采样电路,图3给出了一相电路的电压和电流采样,其他两相的采样电路与此相同。对于电压采样电路,选用的电压互感器是电流型电压互感器,典型值是2 mA/2 mA,R1是前端限流电阻,Rsh1是电压互感器的终端电阻,R2是电压采样的限流电阻,且要满足当测量的电压为额定电压时,输入IVPl的电流有效值为14μA,如果额定电压为220 V,那么R1=如果R2选用1 MΩ,那么Rsh1=14 kΩ。对于电流采样电路,采用差分采样输入,可有效抑制干扰,选用的电流互感器的典型值是5 A/5 mA,Rsh2是电流互感器的终端电阻,R3和R4是电流采样的限流电阻,要满足当测量的电流为额定电流时,输入电流通道IINl和IIPl的电流有效值为16μA,如果待测线电流的额定电流为5 A,取R3和R4相等,那么公式如果选用R3=R4=100 kΩ,那么求得Rsh2=320Ω。

  MSP430F149的UARTl采用SPI模式可以和SA9904B的SPI总线直接连接,MSP430F149内部产生标准的SPI时序,采用4线主从通信模式,MSP430F149工作在主机模式,STE为SPI选通控制端,UCLK引脚上的UCLK信号是SPI总线的同步时钟,在第一个UCLK周期,已写入UTXBUF的数据以高位在前低位在后的顺序移入移位寄存器,并由SIMO引脚移出,同时从SOMI引脚锁存数据并送入接收移位寄存器,接收移位寄存器满,则把接入数据放入接收缓存URXBUF中,在接收过程中最先接收到的数据位为高位,此时置位URXIFG位,可用中断或查询的方式把接收到的数据读出,从而完成一次通信过程。SPI总线接口方式如图3所示。

 

SA9904B的采样电路及与MSP430F149的接口

  2.2 Modbus RTU协议通信实现

  Modbus RTU模式的编程要处理数据包的开始和结束时间间隔,即两个数据包之间的至少3.5个字符的时间间隔,才能保证接收数据包的完整性,当接收者接侦测到一个数据包开始时,开始接收数据,并把接收到的第一个数据即地址域和自己的地址相比较,如果相同,则接收完整的数据包并做CRC校验。如果地址不同,则放弃接收过程,等待下一个数据包的开始。在MSP430中实现时,使用了定时器中断来侦测数据包之间的数据间隔,实现的程序流程如图4所示。

实现的程序流程

Modbus RTU数据包格式

公式

  3 结 语

  设计的基于Modbus通信协议的三相电力智能配电系统,所涉及到的软硬件均通过了调试,工作正常,性能稳定。该模块可以单独作为三相电力配电模块使用,也可以方便接入Modbus通信网络,实现了和其他Modbus设备的兼容,可广泛应用于中低压电力配电系统。

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