智能電能表RS485接口設(shè)計(jì)方案綜述

1、智能電能表RS485接口設(shè)計(jì)方案綜述張志,李琮琮,王平欣,代燕杰(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,濟(jì)南250001)摘要：隨著國家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)全采集建設(shè)目標(biāo)的推進(jìn),對采集成功率的要求越來越高.影響用電信息采集系統(tǒng)采集成功率的因素很多,但近年來由于電能表RS485通信接口設(shè)計(jì)不合理造成采集失敗的現(xiàn)象呈上升趨勢,因此保證RS485接口設(shè)計(jì)方案的合理性及可靠性至關(guān)重要.文章對目前智能電能表RS485通信接口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析和總結(jié),給出了各種方案的設(shè)計(jì)原理,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用情況,對方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合評述,從RS485芯片本身、數(shù)據(jù)接收靈敏度、帶載水平、通信可靠性等多方面對485接口

2、設(shè)計(jì)提出了建議及解決方案.關(guān)鍵詞：智能電能表；RS485接口；采集成功率中圖分類號：TM93文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1001-1390(2021)00-0000-00OverviewofdesignfortheRS485interfaceofsmartmeterZhangZhi,LiCongcong,WangPingxin,DaiYanjie(StateGridShandongElectricPowerResearchInstitute,Jinan250001,China)Abstract:Thedemandofacquisitionsuccessrateishigherandhigherwi

3、ththeprogressofthegoaloftheconstructionofallacquisitioninSGCC.Therearemanyfactorswhichcanaffecttheacquisitionsuccessrate,butinrecentyears,theacquisitionfailurephenomenonisontherisebecauseoftheunreasonabledesignofRS485interfacewhichdesignareanalyzedandsummarized.Soit'svitaltoensurethereasonbility

4、andreliabilityofthedesignschemeforRS485interface.Thedesignprincipleofvariousschemesaregiven,andtheadvantagesanddisadvantagesoftheschemeareconductedwiththecombinationofactualusageonfield.SuggestionsandsolutionsareputforwardfromRS485chipitself,datareceivingsensitivity,onloadcapacity,andcommunicationre

5、liabilityforRS485interfacedesign.Keywords:smartmeter,RS485interface,acquisitionsuccessrate0引言隨著國家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)全采集建設(shè)目標(biāo)的推進(jìn),對采集成功率的要求越來越高1-2.影響用電信息采集系統(tǒng)采集成功率的因素很多,但近年來由于電能表RS485通信接口設(shè)計(jì)不合理造成采集失敗的現(xiàn)象呈上升趨勢.作為智能電能表重要的通信單元,RS485接口設(shè)計(jì)方案的合理性及可靠性對采集成功率的影響至關(guān)重要,對電能表乃至整個集抄系統(tǒng)的平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有重要意義.受本錢、元器件質(zhì)量等因素的制約,有些電能表生產(chǎn)廠家在RS48

6、5接口設(shè)計(jì)上并沒有考慮數(shù)據(jù)接收靈敏度、通信可靠性等對采集成功率的影響.如果RS485接口設(shè)計(jì)不合理,會影響對用戶用電數(shù)據(jù)的監(jiān)測,且RS485接口設(shè)計(jì)不合理造成采集失敗的現(xiàn)象帶有一定隱蔽性,給采集故障的發(fā)現(xiàn)帶來一定難度,增加了現(xiàn)場運(yùn)維人員的工作量.故鑒于目前RS485接口設(shè)計(jì)方案各不相同,文章對各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)分析,指出了各方案的優(yōu)點(diǎn)及存在的缺乏,為智能電能表的推廣及進(jìn)一步開展采集工作提供一些借鑒.1RS485接口概述RS485是一個多發(fā)送器的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn),通信接口共用兩根平衡的通信線構(gòu)成通信總線,允許在平衡的雙導(dǎo)線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個并聯(lián)的負(fù)載設(shè)備,所有RS485通信采用半雙工工

7、作方式,一個設(shè)備發(fā)送,其它設(shè)備只能處于接收狀態(tài)見圖1.一般RS485芯片在54a歐姆的負(fù)載上都能提供最小1.5V的差分輸出電壓,而RS485接收器那么必需能檢測到最小為200mv的差分電壓輸入,這兩個值為可靠數(shù)據(jù)傳輸提供了足夠的裕度,即便信號經(jīng)過線纜和連接器發(fā)生嚴(yán)重衰減時亦如此3-5.圖1RS485芯片管腳及邏輯框圖Fig.1Chippinsandlogicblockdiagram由RS485芯片管腳邏輯圖和描述可知RS485芯片標(biāo)準(zhǔn)接法必須要有接收、發(fā)送、方向限制三個管腳,當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時禁止接收,發(fā)送完畢后才能接收.2 RS485接口設(shè)計(jì)方案2.1 三光耦方案RS485接口一般采用光耦實(shí)現(xiàn)通信

8、口與主系統(tǒng)之間的隔離,標(biāo)準(zhǔn)接法為三光耦隔離方案如圖2所示,發(fā)送數(shù)據(jù)時CPU置RS485芯片為發(fā)送狀態(tài),此時總線電平由發(fā)送驅(qū)動器驅(qū)動.Fig.2Principlediagramofthreeoptocouplers當(dāng)采集器和電能表都采用圖2所示電路時,不管是采用有極性RS485芯片還是無極性RS485芯片,由于發(fā)送數(shù)據(jù)時總線有芯片驅(qū)動器驅(qū)動,帶載水平非常強(qiáng),通信都是可靠的.只是電能表采用無極性RS485芯片時,由于要支持AB線正反都可以通信,電能表內(nèi)部總線不能加上下拉電阻,但是需要采集器采用有極性RS485芯片,且采集器總線要加上下拉電阻來維持非通信狀態(tài)下的總線電平極性,從而使電能表的RS485

9、芯片能夠判斷出總線極性來決定內(nèi)部極性是否翻轉(zhuǎn).2.2 雙光耦方案三光耦方案電路比擬可靠,驅(qū)動水平強(qiáng)傳輸距離遠(yuǎn),但是有些廠家為了壓縮本錢而采用雙光耦方案,電路原理圖如圖3所示.圖3雙光耦原理圖Fig.3Principlediagramofdoubleoptocouplers由圖3可以看出,MCU的數(shù)據(jù)發(fā)送管腳為RS485芯片的方向限制,RS485芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)管腳直接接GND.當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)位“0B,RS485總線是有驅(qū)動的,總線電平由驅(qū)動器驅(qū)動；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)位“1時,RS485芯片直接被設(shè)置成接收狀態(tài),總線沒有驅(qū)動器驅(qū)動,總線電平只能靠每個芯片的上下拉電阻維持,驅(qū)動水平非常弱.有極性485芯片采用雙

10、光耦方案時,因發(fā)送數(shù)據(jù)“1時總線沒有驅(qū)動,每塊電能表的485總線必須加上下拉電阻來維持總線電平.假設(shè)上下拉電阻選擇合理,總線掛載電能表數(shù)量不太多,通信距離不遠(yuǎn)時是可以保證通信質(zhì)量的；假設(shè)上下拉電阻選擇不合理,阻值偏大時因485傳輸線存在寄生電容,信號的上升沿和下降沿時間都比擬大,信號質(zhì)量很差.特別是遠(yuǎn)距離傳輸時通信成功率很差,當(dāng)上下拉電阻的阻值偏小,總線掛載的電能表數(shù)量較多時總線負(fù)載就很大,超過芯片的負(fù)載水平就會導(dǎo)致總線電平不能翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致通信失敗.無極性485芯片采用雙光耦方案時,假設(shè)采集器上下拉電阻的阻值較大,因485傳輸線存在寄生電容而電能表總線又無電阻驅(qū)動,信號的上升沿和下降沿就會非常緩

11、,信號質(zhì)量很差,通信可靠性非常低；假設(shè)采集器上下拉電阻的阻值較小,上下拉水平就較強(qiáng),假設(shè)總線掛載電能表數(shù)量不太多,通信距離不遠(yuǎn)時是一般可以保證通信質(zhì)量.2.3 有極性485和無極性485芯片混用在采集器設(shè)計(jì)合理三光耦方案、上下拉電阻取值合理,總線掛載電能表數(shù)量不太多,傳輸線比擬標(biāo)準(zhǔn)寄生電容較小的情況下.無極性電能表介入有極性網(wǎng)絡(luò),不會增加原網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況,與主端采集器通訊沒問題；假設(shè)是有極性電能表介入無極性網(wǎng)絡(luò),在不接錯極性的情況下通信也沒問題.目前現(xiàn)場運(yùn)行的采集器特別是2021年之前的采集器很多采用雙光耦方案,兼容性不強(qiáng),混用的話通信可靠性不高.但是2021年之后的采集器為了兼顧無極性485

12、芯片大局部都采用了三光耦方案,也不能排除少數(shù)還在采用雙光耦方案.3 RS485接口測試普通RS485芯片在54a負(fù)載上都能提供最小1.5V的差分輸出電壓；而RS485接收器那么能檢測到最小為200mv的差分輸入6-7O3.1 靜態(tài)測試有極性RS485芯片接口在非通信狀態(tài)下不管是采集器還是電能表都處于接收狀態(tài),總線AB之間的電壓差靠上下拉電阻維持,在沒有負(fù)載電阻情況下即AB端懸空的情況下AB之間的壓差都能到達(dá)4.5V以上.無極性RS485芯片由于沒有上下拉電阻測量AB總線電壓為0V.在加上54a負(fù)載電阻的情況下有極性、無極性485的AB線差分電壓都為0V,靜態(tài)測試一般意義不大.3.2發(fā)送帶載水平

13、測試電路原理圖如圖4所示.電阻0485圖4接口帶載水平測試原理圖Fig.4Principlediagramofonloadcapacityofinterface在RS485接口上AB之間端接接一只54的負(fù)載電阻下列圖RL,通信時用示波器測量AB線之間電壓差.通用的RS485接口保護(hù)用熱敏電阻阻值一般為50左右,為了平安性和阻抗對稱一般采用雙熱敏電阻保護(hù)雙熱敏電阻可以預(yù)防交流電接到所有485接口的任意管腳之間而不損壞設(shè)備,當(dāng)大于1路485接口時單熱敏電阻做不到任意兩線之間接交流電不損壞.測試時將54a電阻端接在電能表端子輸出AB線間,相當(dāng)于485芯片AB線間帶載154左右.端子總線輸出電壓為54

14、負(fù)載電阻與熱敏電阻的分壓,此輸出電壓與485接口保護(hù)方案熱敏電阻個數(shù)、阻值、芯片的帶載水平息息相關(guān).其中,雙熱敏電阻保護(hù)方案分壓小但平安性高；單熱敏電阻保護(hù)方案分壓大但平安性低.對于RS485芯片參數(shù)一般都相差不大,20mA負(fù)載時芯片AB線壓差一般不超過3V.3.2.1 三光耦、雙熱敏電阻方案帶載水平示波器測量電能表端子A線、B線電壓及AB線之間壓差如圖5所示.-TL,皿qErwkyMPw凱找Um蹴崗N波形圖IGNK形AB：間差分電壓波形CHZ1,D1iVM1RQE5M加lO_S.0p._Hi巾加的圖5雙熱敏電阻帶載水平電壓波形Fig.5Voltagewaveformofdoubletherm

15、istors信源loadcapacityCH1為A線與GND波形,CH2為B線與GND波形,Math為AB之間差分電壓波形.雙熱敏電阻保護(hù)時,電能表端子輸出AB線之間電壓差約為1V,A線、B線電壓波形幾乎一致,AB線之間正負(fù)差分電壓波形對稱.只要電壓差在1V左右,正負(fù)差分電壓波形對稱、波形的上升沿和下降沿陡峭整潔,可以認(rèn)為帶載水平比擬強(qiáng).3.2.2 三光耦、單熱敏電阻方案帶載水平示波器測量電能表端子A線、B線電壓及AB線之間壓差如圖6所示：CH1為A與GND波形,CH2為B與GND波形,Math為AB之間差分電壓波形.MlJJUnsCmi.iiiVtHi1,.兇圖6單熱敏電阻帶載水平電壓波形F

16、ig.6Voltagewaveformofsinglethermistorsloadcapacity當(dāng)采用單個熱敏電阻多見于單相表等單路485接口的設(shè)備保護(hù)方案時負(fù)載電阻的分壓能夠大一些,電能表端子輸出AB線之間電壓差約為1.4V如圖6,A線、B線電壓波形不一致,一個波動大、另一個波動比擬小,如上圖黃線、藍(lán)線,可以區(qū)分單熱敏電阻和雙熱敏電阻保護(hù),AB線之間正負(fù)差分電壓波形對稱上圖紅線.單熱敏保護(hù)時只要差分電壓差在1.3V左右,正負(fù)差分電壓波形對稱、波形的上升沿和下降沿陡峭整潔根本上可以認(rèn)為帶載水平比擬強(qiáng).3.2.3雙光耦方案帶載水平示波器測量AB線電壓及AB線之間壓差如圖7所示：CH1為A與G

17、ND波形,CH2為B與GND波形,Math為AB之間差分電壓波形.當(dāng)采用雙光耦方案時,因發(fā)送數(shù)據(jù)位“1時總線沒有驅(qū)動器驅(qū)動,AB線差分電壓接近于0V可以判斷是否是雙光耦方案,如圖7紅線所示：雖然AB線電壓波形一致,但是AB線之間差分電壓不對稱,總線驅(qū)動水平非常弱,不推薦使用此方案.ABL間差分電壓波形悍度伯,髓I工EflniRnp類；HIJ-3、光tp即Nl.DOns1D-MP-14.蛻呈isrnfd聲乎MPnii1昭Em,一毆6N披形CHILMCH21.01VMiThl.UUV光標(biāo):MOW圖7雙光耦方案帶載水平電壓波形Fig.7Voltagewaveformofdoubleoptocoupl

18、ersloadcapacity對于數(shù)據(jù)的接收靈敏度測試,可將RS485接口輸出端與2只串聯(lián)的可調(diào)電阻連接,使輸出差分電壓為受00mV,連接到待測電能表RS485接口進(jìn)行通信測試,假設(shè)電能表能夠正常解析報(bào)文發(fā)送出數(shù)據(jù),即可認(rèn)為電能表接收靈敏度比擬高.3.3匹配電阻的使用建議120a電阻的主要功能為防反射,485接口僅在高速1Mbps時才需要防反射電阻,對于通信速率低于1Mbps而且總線長度較短的應(yīng)用環(huán)境,不需要加120a的匹配電阻,此電阻加上后,只會增加總線功耗.經(jīng)驗(yàn)說明,當(dāng)信號的轉(zhuǎn)換時間、上升或下降時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配.例如具有有限斜率特性的RS-48

19、5接口器件輸出信號的上升或下降時間最小為250ns,典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns24AWGPVC電纜,那么只要數(shù)據(jù)速率在100kbps以內(nèi),電纜長度不超過100米,就可以不考慮匹配8-10.在電能表的應(yīng)用中通信速率一般都小于9600bps,電纜長度只要不超過300米一般就不需要接匹配電阻.4結(jié)束語由于電能表RS485通信接口設(shè)計(jì)不合理造成采集失敗的現(xiàn)象呈上升趨勢,故論文對目前智能電能表RS485通信接口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析和總結(jié),結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn),對方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合評述,從芯片本身、數(shù)據(jù)接收靈敏度、帶載水平、通信可靠性等多方面對485接口設(shè)計(jì)提出了建議.此外,外部因素如

20、雷擊、電磁干擾等對485接口的影響也至關(guān)重要,也是造成采集失敗的原因之一,所以如何預(yù)防外部因素對485采集造成影響成為下一步研究的關(guān)鍵.參考文獻(xiàn)1劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)M.北京：中國電力出版社,2021.2胡江溢,祝恩國,杜新綱,等.用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及開展趨勢J.電力系統(tǒng)自動化,2021,38(2):131-135.HuJiangyi,ZhuEnguo,DuXingang,et.al.ApplicationstatusanddevelopmenttrendofpowerconsumptioninformationcollectionsystemJ.AutomationofElectric

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