摘要：高速公路作为交通运输的主要通道，长线路的特点决定了其机电设备的多样性，而高速公路变电所的作用就是给隧道、收费站等机电设备提供能源。随着现代电网实时信息传送量快速增加，通过综合自动化控制模式实现变电所的无人值守和远程监控是变电所管理的一种趋势，而通信协议是实现控制的关键。Modbus协议是一种典型的现场总线协议，是应用于电子控制器上的一种通用语言，具有具有开放、简洁、无需缴纳许可证费用等突出特征，使之成为物联网及工业控制领域中应用最广泛的协议之一。本文就如何利用Modbus通信协议实现对高速公路变电所远程监控进行设计。

关键词：Modbus通信协议；远程监控；高速公路；变电所

1 引言

高速公路变电所的作用主要体现在四个方面，一是电力转换，即电网的高电压转换为高速公路适用的低电压，并将电能分配到各个用电设备；二是供电保障，即提供稳定的电力供应；三是设备监控，能够实时监测变电所内供配电系统中的设备状态，如高压转换器、低压配电装置、柴油发电机组、UPS（不间断电源）、EPS（应急电源）等设备的状态；四是安全管理，即防止非授权人进入，保障人员和设备安全。Modbus通信协议不管是在综合监控还是在智能监控领域都有较高的适配性，所以本文就如何利用Modbus通信协议实现高速公路远程监控进行设计应用[1]。

2 Modbus通信协议

Modbus通讯协议最早是由MODICON公司在1979年提出的，它是一个标准的、真正开放的、在工业自动化领域应用最广泛的网络通讯协议。通过该协议，可以实现不同的控制设备之间、控制设备通过网络与其它功能设备之间进行通信，目前已经成为一种通用的工业标准[2]。其目前主要包含ASCII、RTU、TCP三种协议版本，虽然没有规定物理层，但不管是利用何种网络进行通信，物理机都能够识别和解析数据。

Modbus数据通信采用的是主/从（Maser/Slave）或客户端/服务器（Client/Server）架构的协议，主机（Master）负责发起通信请求，它向从机发送命令，要求从机执行特定的操作，如读取或写入数据等，并根据从机的响应进行相应的处理；从机的主要任务是接收主机的命令，按照主机的要求执行相应的操作，并将执行结果或相关数据返回给主机，从机不能主动发起与主机的通信，只能被动地等待主机的查询和指令请求[3]。

Modbus是一种简单的客户端/服务器端应用协议，其通信原理遵循客户端准备请求并向服务器发送请求、服务器分析并处理客户端的请求，然后向客户端发送结果、如果出现任何差错，服务器将返回一个异常功能码三个主要过程，其大致可以分为正常情况下的通信与异常情况下的通信两部分[5]。

3 Modbus通信协议设计与实施测试

本项目终端侧的数据采集设备和监控网关设备均采用Modbus通信协议标准，通过串行口（RS485）来实现主/从（Master/Slave）站模式传输，逐个从变电所内的数据采集设备读取监测数据。Modbus协议规定了三种协议版本，即ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP，由于RTU的传输效率高，并采用CRC 16位的校验方法，传输具有较高的可靠性。

所以本项目中的通信方式采用的是Modbus RTU传输方式。其重点内容在于通过Modubus RTU报文来实现高速公路变电所内的设备远程数据采集功能，以达到状态监控效果，并通过设备当前数据来判断设备运行。

3.1 整体设计

在高速公路变电所的远程监控系统中，基于Modbus协议的设计需要兼顾实时性、可靠性和可扩展性。以下是具体的设计思路与实现步骤：

（1）核对高速公路供配电系统中设备，如变压器、高压转换器、低压配电装置、柴油发电机组、UPS（不间断电源）、EPS（应急电源）是否符合Modbus通信协议的要求，是否满足远程监控的功能；

（2）现场采用物联网网关设备作为通信监控网关设备，接受来自客户端的请求，当收到请求后，将收到的RTU数据帧拆封，获取数据包并执行来自客户端的请求指令[6]，以及接收来自现场设备的数据响应；

（3）将该协议数据包添加CRC 16校验后，物联网网关设备通过串口发送到现场设备，如果现场设备给予数据回应，则一次Modbus通讯完毕；如果现场设备不给予数据回应，则代表本次通讯失败[7]；

（4）按照设备技术文件，对现场串口服务器连通性、速率进行测试，完成一次Modbus通信调试，并获得现场设备的数据；

（5）首先根据现场环境、设备部署情况及应用场景，采取综合布线方法利用双绞线（网线）与铜芯双绞线电缆组网，采用一主多从的模式完成串口服务器与单个变电所内现场设备间的组网；然后基于光纤传输系统，完成变电所变电所之间、变电所与数据监控中心之间的组网通信。

3.2 设计原则

Modbus通信协议在高速公路变电所远程监控系统中的应用设计需遵循以下五大核心原则，以确保系统的稳定性、安全性和可扩展性：

（1）标准化与兼容性原则：统一的协议适配与标准化接口；

（2）安全防护原则：明确网络隔离与访问控制，确保数据加密与完整性保护；

（3）实时性与可靠性原则：建立实时数据分级处理、通信传输冗余与容错机制；

（4）可扩展性与灵活性原则：通信传输采用分层架构，各模块实行资源弹性配置；

（5）易维护性与经济性原则：可视化运维与低成本部署。

3.3 Modbus远程监控设计

Modbus通信协议作为一种开放、通用的工业通信标准，因其简单性、可靠性和兼容性，在高速公路变电所的远程监控系统中被广泛应用。

本项目利用Modbus通信协议完成高速公路变电所内设备的远程监控，实现数据采集、远程监测、记录历史数据等功能，主要包括以下内容：系统分层架构设计、Modbus通信协议应用、通信安全与可靠三方面。

3.3.1 系统分层架构设计

采用“边缘层-传输层-平台层”的分层架构：

（1）边缘层（设备接入）

本层架构中包含通信传输的硬件选型与组网方式，需综合考虑环境、工作效率等因素选择与项目适配的架构硬件和组网。

1）硬件选型：需要支持Modubus RTU通信的智能电表、PLC、传感器（RS 485）等基础设施设备，以及边缘计算设备物联网网关可实现RTU协议转TCP协议；

2）组网方式：每个变电所内部的通信传输采用RS 485总线星型拓扑，支持的最大节点数为小于等于系统的监测点位数，变电所与变电所之间、变电所与数据监控中心之间的跨变电所通信属于远距离传输，采取光纤转换器（RS 485转光纤）传输。

（2）传输层（数据通信）

本层架构中包含通信传输中的通信协议选择与网络冗余设计，要保证其传输简单、高效并且具有可扩展性。

1）通信协议：单个变电所内的总线网络需设置Modbus通信的参数，如波特率、校验位、停止位、数据位等信息，对于跨变电所之间的通信，需要设置网关的工作模式，如Modbus TCP、ASCII、RTU，以及选择光纤的通信方式，如工业以太网、4G等；

2）网络冗余：针对网络冗余，结合项目实际及通信传输中设备的重要程度，可选择设备冗余、链路冗余及电源与基础设施冗余，设备冗可采取核心设备双机热备、关键节点主备或双活模式以及适配电源模块冗余，链路冗余可采取部署双上行链路连接，电源及基础设施冗余可采取双路供电、以及关键设备部署在多个物理机房或机柜等方式。并验证在断电、断网等异常情况下网络冗余的自主切换能力。

（3）平台层（数据监控中心）

本层架构包含通信传输过程中的软件功能与接口扩展，需要保证其安全、可靠和可扩展等特点。

1）软件功能：需利用编程技术，如Java、C++、Python等实现数据可视化，建立数据库，如MySQL、InfluxDB存储历史数据，基于分层预警机制建立异常数据报警，如触发短信、邮件、平台弹窗等方式通知；

2）接口扩展：可提供API对接其它的高速公路机电系统运维管理平台，支持Profinet、CAN、MQTT等第三方协议通信。

3.2.2 Modbus通信协议应用

Modbus协议实施的核心在于数据点表规划、通信优化策略和异常处理机制。通过合理设计网络拓扑、严格配置通信参数，并结合实际需求选择通信模式，可实现稳定可靠的工业通信。

（1）数据点表规划

按照Modbus通信协议帧的格式，需明确各数据监测点地址域、功能码、数据域、差错校验。

1）地址域：按照变电所内的供配电设备数量选择，可用地址为1～247；

2）功能码：为Modbus通信常用的功能码并根据现场功能选择，01（读线圈寄存器）、02（读离散输入寄存器）、03（读保持寄存器）、04（读输入寄存器）、05（写单个线圈寄存器）、06（写单个保持寄存器）、0F（写多个线圈寄存器）、10（写多个保持寄存器）；

3）数据域：随着功能码不同而改变，包含寄存器地址高位、低位以及读取的数据位数；

4）差错校验：根据所用协议为RTU协议，选择CRC-16校验。

（2）通信优化策略

高速公路供配电系统中，各设备的重要性不同，在通信优化方面采取的是轮巡调度与报文分片的要求，重要程度较高的设备，如变压器、UPS、EPS等优先级高，可缩短采集时间，优先级低的设备，如环境、温度等传感器采集时间高于优先级高的设备，并且单次读取寄存器的数量要小于等于125个，避免TCP/IP分片，以及大数据设备，如高低压电表等采用分块读取，如每次读20个寄存器。

（3）异常处理机制

高速公路供配电系统中设备常出现缺项、谐波干扰、功率因数异常等现象，以及通信传输过程中的超时重试，针对各异常需要定义不用的处理机制，如静态阈值检测技术、超时重试限次报警等，各项数据定义阈值超限，避免通信阻塞。同时在数据检验方面，结合差错校验，如CRC 16校验的方式对数据的可靠性进行检验，确保数据在传输过程中的唯一性、准确性。

3.2.3 通信安全与可靠保障

在数据通信过程中，保障其安全与可靠至关重要，Modbus的简单性是其优势，但也成为安全与可靠性的短板。通过网络隔离、增强加密通信、冗余架构、数据缓存和心跳检测等方式，在不影响实时性的前提下显著提升系统健壮性。

（1）安全防护

Modbus通信过程中的安全防护可分为网络隔离与增强加密通信两部分。

1）网络隔离：有部署工业防火墙、数据探针等方法，设置仅允许数据监控中心的管理人员IP可访问网关设备，以及在控制指令和数据传输采集使用独立的通信信道，与其他局域网分隔开，保障数据隐秘传输；

2）增强加密通信：可在独立通信的基础上采取增强加密通信的方式，如基于TLS 1.3的Modbus Secure通信。

（2）可靠性保障

在变电所远程监控自动化系统中，Modbus通信的可靠性直接影响设备监控与控制的稳定性。可针对电源冗余、数据缓存和心跳检测综合可靠性设计，结合安全防护，确保Modbus通信的高可用性。

1）电源冗余：网关及管件设备采用双电源输入，AC 220V或DC 48V；

2）数据缓存：选择网关本地存储24小时数据，断网恢复后自动补传；

3）心跳检测：数据监控中心与网关设置时间间隔发送心跳包，用于检测链路状态。

3.3 实施与测试

Modbus实施与测试的关键在于参数一致性验证、异常场景覆盖和安全加固。通过设备调试、网络组建与系统联调完成通信部署，同时需要分阶段对通信连接、功能、压力及性能和安全等进行测试。对于高可靠性场景，需结合冗余设计，如双总线、双主站和实时监控系统，确保工业通信网络的长期稳定运行。

（1）实施部署

根据Modbus通信协议在高速公路变电所供配电系统的设计思路和关键节点，按照设备调试→网络组建→系统联调的步骤开始部署通信系统。

1）设备调试：首先需要配置各供配电设备Modbus地址与寄存器映射，完成设置报文中设备的地址域，同时按照星型拓扑的布线原则连接变电所内的各供配电设备，并测试RS-485总线终端电阻与极性；

2）组建网络：设备调试完成后，部署跨变电所之间的光纤环网，并配置VLAN隔离监控流量，以及安装物联网网关，确认工作模式为TCP Server，可完成Modbus RTU/TCP协议转换测试；

3）系统联调：需要验证实时数据展示、报警触发、历史存储等功能，同时模拟断网、断电等异常情况场景下，测试通信链路的冗余切换与数据恢复能力。

（2）通信测试

Modbus通信测试是确保高速公路变电所供配电自动化系统中设备间可靠通信的关键环节，涵盖连接测试、功能测试、压力测试以及安全测试等多方面内容，通过全面细致的测试可确保其在系统中稳定、高效运行，为系统的可靠通信提供有力保障。

1）连接测试：从建立连接开始至稳定，验证主站和从站能否成功建立连接。不同协议下的验证方式关键点不同，在TCP连接中，检查至网关连接的IP地址和端口；在串行链路中，检查波特率、数据位、停止位、校验位等参数，以及物理连接状态；

2）功能测试：对Modbus协议中定义的标准功能码进行测试，发送相对应的请求报文，验证其数据响应报文和响应时间，确保每个功能码都能正确执行相应的操作。如果协议中有扩展或特殊的功能码，也需要进行测试，验证其功能是否符合预期；

3）压力及性能测试：在通信链路上，同时连接多个物联网网关设备，验证数据监控中心、各网关负载能否满足要求；同时测试在不同的波特率或网络带宽下，通信的速率和效率，是否能满足实际应用的需求，如果系统支持多个主站或从站同时通信，需要测试并发通信时的性能和稳定性；

4）安全测试：按照设计要点，数据加密使用的是TLS加密方法，可使用Wireshark抓包验证其加密的有效性。

4 结语

针对高速公路变电所内的设备运行监测功能，本文所利用的为Modbus通信协议，其优点为在线式监测（运行时长可控）、集成度高、安装方便、通信方式灵活等。但因其技术成熟、应用广泛，文章所述均为较为普遍的技术，有较大的创新空间，作为高速公路运维管理人员，后续将加强在远程监控、数据检测、通信传输等方面的研究，以实现智慧化运维的目标。

参考文献：

[1]王雨峰、李瑞明、陈先勇、朱重阳，变电站通信管理机Modbus规约通用接口实现，电工技术，2018.01

[2]周树桥、于晖、黄晓津，基于Modbus协议的通信设计及调试方法研究，自动化仪表，2023.09

[3]王鹏，基于Modbus协议的数据采集系统的研究，合肥工业大学，2019

[4]李达，基于Modbus协议的RS485无线布线系统的设计与实现，吉林大学，2009

[5]杨皓东，基于Modbus的用电信息采集子系统设计与实现，电子科技大学，2019.09

[6]吴晨红，基于Modbus通信协议的信号釆集系统，合肥工业大学，2021

[7]俞野秋，基于Modbus和Modbus-TCP协议的远程监控技术研究，上海交通大学，2012.10

作者简介：田传鑫（1997—），男，汉族，云南曲靖人，学士，助理工程师，主要从事高速公路机电系统运维管理相关工作，云南省曲靖市

高祥伟（1986—），男，汉族，云南新平人，本科，政工师，主要从事高速公路运营管理相关工作，云南省玉溪市