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(guó)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(guó)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(duì)采集成功率的要求越來(lái)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(lái)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(shì),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(duì)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(chǎng)實(shí)際使用情況,對(duì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)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(duì)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(lèi)號(hào)：TM93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：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(guó)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(duì)采集成功率的要求越來(lái)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(lái)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(shì).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(duì)采集成功率的影響至關(guān)重要,對(duì)電能表乃至整個(gè)集抄系統(tǒng)的平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有重要意義.受本錢(qián)、元器件質(zhì)量等因素的制約,有些電能表生產(chǎn)廠(chǎng)家在RS48

6、5接口設(shè)計(jì)上并沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)接收靈敏度、通信可靠性等對(duì)采集成功率的影響.如果RS485接口設(shè)計(jì)不合理,會(huì)影響對(duì)用戶(hù)用電數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),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(lái)一定難度,增加了現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(kāi)展采集工作提供一些借鑒.1RS485接口概述RS485是一個(gè)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(xiàn)構(gòu)成通信總線(xiàn),允許在平衡的雙導(dǎo)線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(gè)設(shè)備發(fā)送,其它設(shè)備只能處于接收狀態(tài)見(jiàn)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(cè)到最小為200mv的差分電壓輸入,這兩個(gè)值為可靠數(shù)據(jù)傳輸提供了足夠的裕度,即便信號(hào)經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜和連接器發(fā)生嚴(yán)重衰減時(shí)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(gè)管腳,當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)CPU置RS485芯片為發(fā)送狀態(tài),此時(shí)總線(xiàn)電平由發(fā)送驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng).Fig.2Principlediagramofthreeoptocouplers當(dāng)采集器和電能表都采用圖2所示電路時(shí),不管是采用有極性RS485芯片還是無(wú)極性RS485芯片,由于發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)總線(xiàn)有芯片驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),帶載水平非常強(qiáng),通信都是可靠的.只是電能表采用無(wú)極性RS485芯片時(shí),由于要支持AB線(xiàn)正反都可以通信,電能表內(nèi)部總線(xiàn)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(xiàn)要加上下拉電阻來(lái)維持非通信狀態(tài)下的總線(xiàn)電平極性,從而使電能表的RS485

9、芯片能夠判斷出總線(xiàn)極性來(lái)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(dòng)水平強(qiáng)傳輸距離遠(yuǎn),但是有些廠(chǎng)家為了壓縮本錢(qián)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(xiàn)是有驅(qū)動(dòng)的,總線(xiàn)電平由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)位“1時(shí),RS485芯片直接被設(shè)置成接收狀態(tài),總線(xiàn)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),總線(xiàn)電平只能靠每個(gè)芯片的上下拉電阻維持,驅(qū)動(dòng)水平非常弱.有極性485芯片采用雙

10、光耦方案時(shí),因發(fā)送數(shù)據(jù)“1時(shí)總線(xiàn)沒(méi)有驅(qū)動(dòng),每塊電能表的485總線(xiàn)必須加上下拉電阻來(lái)維持總線(xiàn)電平.假設(shè)上下拉電阻選擇合理,總線(xiàn)掛載電能表數(shù)量不太多,通信距離不遠(yuǎn)時(shí)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(shí)因485傳輸線(xiàn)存在寄生電容,信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間都比擬大,信號(hào)質(zhì)量很差.特別是遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)通信成功率很差,當(dāng)上下拉電阻的阻值偏小,總線(xiàn)掛載的電能表數(shù)量較多時(shí)總線(xiàn)負(fù)載就很大,超過(guò)芯片的負(fù)載水平就會(huì)導(dǎo)致總線(xiàn)電平不能翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致通信失敗.無(wú)極性485芯片采用雙光耦方案時(shí),假設(shè)采集器上下拉電阻的阻值較大,因485傳輸線(xiàn)存在寄生電容而電能表總線(xiàn)又無(wú)電阻驅(qū)動(dòng),信號(hào)的上升沿和下降沿就會(huì)非常緩

11、,信號(hào)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(xiàn)掛載電能表數(shù)量不太多,通信距離不遠(yuǎn)時(shí)是一般可以保證通信質(zhì)量.2.3 有極性485和無(wú)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(xiàn)掛載電能表數(shù)量不太多,傳輸線(xiàn)比擬標(biāo)準(zhǔn)寄生電容較小的情況下.無(wú)極性電能表介入有極性網(wǎng)絡(luò),不會(huì)增加原網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況,與主端采集器通訊沒(méi)問(wèn)題；假設(shè)是有極性電能表介入無(wú)極性網(wǎng)絡(luò),在不接錯(cuò)極性的情況下通信也沒(méi)問(wèn)題.目前現(xiàn)場(chǎng)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(huà)通信可靠性不高.但是2021年之后的采集器為了兼顧無(wú)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(cè)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(cè)到最小為200mv的差分輸入6-7O3.1 靜態(tài)測(cè)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(xiàn)AB之間的電壓差靠上下拉電阻維持,在沒(méi)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(wú)極性RS485芯片由于沒(méi)有上下拉電阻測(cè)量AB總線(xiàn)電壓為0V.在加上54a負(fù)載電阻的情況下有極性、無(wú)極性485的AB線(xiàn)差分電壓都為0V,靜態(tài)測(cè)試一般意義不大.3.2發(fā)送帶載水平

13、測(cè)試電路原理圖如圖4所示.電阻0485圖4接口帶載水平測(cè)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(shí)用示波器測(cè)量AB線(xiàn)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(duì)稱(chēng)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(shí)單熱敏電阻做不到任意兩線(xiàn)之間接交流電不損壞.測(cè)試時(shí)將54a電阻端接在電能表端子輸出AB線(xiàn)間,相當(dāng)于485芯片AB線(xiàn)間帶載154左右.端子總線(xiàn)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(gè)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(duì)于RS485芯片參數(shù)一般都相差不大,20mA負(fù)載時(shí)芯片AB線(xiàn)壓差一般不超過(guò)3V.3.2.1 三光耦、雙熱敏電阻方案帶載水平示波器測(cè)量電能表端子A線(xiàn)、B線(xiàn)電壓及AB線(xiàn)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(xiàn)與GND波形,CH2為B線(xiàn)與GND波形,Math為AB之間差分電壓波形.雙熱敏電阻保護(hù)時(shí),電能表端子輸出AB線(xiàn)之間電壓差約為1V,A線(xiàn)、B線(xiàn)電壓波形幾乎一致,AB線(xiàn)之間正負(fù)差分電壓波形對(duì)稱(chēng).只要電壓差在1V左右,正負(fù)差分電壓波形對(duì)稱(chēng)、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(cè)量電能表端子A線(xiàn)、B線(xiàn)電壓及AB線(xiàn)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(gè)熱敏電阻多見(jiàn)于單相表等單路485接口的設(shè)備保護(hù)方案時(shí)負(fù)載電阻的分壓能夠大一些,電能表端子輸出AB線(xiàn)之間電壓差約為1.4V如圖6,A線(xiàn)、B線(xiàn)電壓波形不一致,一個(gè)波動(dòng)大、另一個(gè)波動(dòng)比擬小,如上圖黃線(xiàn)、藍(lán)線(xiàn),可以區(qū)分單熱敏電阻和雙熱敏電阻保護(hù),AB線(xiàn)之間正負(fù)差分電壓波形對(duì)稱(chēng)上圖紅線(xiàn).單熱敏保護(hù)時(shí)只要差分電壓差在1.3V左右,正負(fù)差分電壓波形對(duì)稱(chēng)、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(cè)量AB線(xiàn)電壓及AB線(xiàn)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(shí),因發(fā)送數(shù)據(jù)位“1時(shí)總線(xiàn)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),AB線(xiàn)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(xiàn)所示：雖然AB線(xiàn)電壓波形一致,但是AB線(xiàn)之間差分電壓不對(duì)稱(chēng),總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(lèi)；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(duì)于數(shù)據(jù)的接收靈敏度測(cè)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(cè)電能表RS485接口進(jìn)行通信測(cè)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(shí)才需要防反射電阻,對(duì)于通信速率低于1Mbps而且總線(xiàn)長(zhǎng)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(huì)增加總線(xiàn)功耗.經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明,當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、上升或下降時(shí)間超過(guò)電信號(hào)沿總線(xiàn)單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)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(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns,典型雙絞線(xiàn)上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns24AWGPVC電纜,那么只要數(shù)據(jù)速率在100kbps以?xún)?nèi),電纜長(zhǎng)度不超過(guò)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(zhǎng)度只要不超過(guò)300米一般就不需要接匹配電阻.4結(jié)束語(yǔ)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(shì),故論文對(duì)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(chǎng)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn),對(duì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)電力出版社,2021.2胡江溢,祝恩國(guó),杜新綱,等.用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2021,38(2):131-135.HuJiangyi,ZhuEnguo,DuXingang,et.al.ApplicationstatusanddevelopmenttrendofpowerconsumptioninformationcollectionsystemJ.AutomationofElectric

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