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、帶載能力、通信可靠性等多方面對(duì)485接

2、口設(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(2015)00-0000-00OverviewofdesignfortheRS485interfaceofsmartmeterZhangZhi,LiCongcong,WangPingxin,DaiYanjie(StateGridShandongElectricPowerResearchInstitute,Jinan250001,China)Abstract:Thedemandofacquisitionsuccessrateishigherandhigherw

3、iththeprogressofthegoaloftheconstructionofallacquisitioninSGCC.Therearemanyfactorswhichcanaffecttheacquisitionsuccessrate,butinrecentyears,theacquisitionfailurephenomenonisontherisebecauseoftheunreasonabledesignofRS485interfacewhichdesignareanalyzedandsummarized.Soit'svitaltoensurethereasonbilit

4、yandreliabilityofthedesignschemeforRS485interface.Thedesignprincipleofvariousschemesaregiven,andtheadvantagesanddisadvantagesoftheschemeareconductedwiththecombinationofactualusageonfield.SuggestionsandsolutionsareputforwardfromRS485chipitself,datareceivingsensitivity,onloadcapacity,andcommunicationr

5、eliabilityforRS485interfacedesign.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)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有重要意義。受成本、元器件質(zhì)量等因素的制約，有些電能表生產(chǎn)廠家在RS

6、485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)及存在的不足，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構(gòu)成通信總線，允許在平衡的雙導(dǎo)線上一個(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

7、工工作方式，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接收器則必需能檢測(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、方向控制三個(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)

8、現(xiàn)通信口與主系統(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，因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)總線有芯片驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，帶載能力非常強(qiáng)，通信都是可靠的。只是電能表采用無(wú)極性RS485芯片時(shí)，因?yàn)橐С諥B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(lái)維持非通信狀態(tài)下的總線電平極性，從而使電能表的RS

9、485芯片能夠判斷出總線極性來(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較可靠，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)傳輸距離遠(yuǎn)，但是有些廠家為了壓縮成本而采用雙光耦方案，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芯片的方向控制，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(dòng)的，總線電平由驅(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)，總線沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，總線電平只能靠每個(gè)芯片的上下拉電阻維持，驅(qū)動(dòng)能力非常弱。有極性485芯片

10、采用雙光耦方案時(shí)，因發(fā)送數(shù)據(jù)“1時(shí)總線沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，每塊電能表的485總線必須加上下拉電阻來(lái)維持總線電平。若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(shí)是可以保證通信質(zhì)量的；若上下拉電阻選擇不合理，阻值偏大時(shí)因485傳輸線存在寄生電容，信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間都比較大，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，總線掛載的電能表數(shù)量較多時(shí)總線負(fù)載就很大，超過(guò)芯片的負(fù)載能力就會(huì)導(dǎo)致總線電平不能翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致通信失敗。無(wú)極性485芯片采用雙光耦方案時(shí)，若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(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；若采集器上下拉電阻的阻值較小，上下拉能力就較強(qiáng)，若總線掛載電能表數(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），總線掛載電能表數(shù)量不太多，傳輸線比較標(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；若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2013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2014年之后的采集器為了兼顧無(wú)極性48

12、5芯片大部分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接收器則能檢測(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之間的壓差都能達(dá)到4.5V以上。無(wú)極性RS485芯片因?yàn)闆](méi)有上下拉電阻測(cè)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(wú)極性485的AB線差分電壓都為0V,靜態(tài)測(cè)試一般意義不大。3.2發(fā)送帶載能力

13、測(cè)試電路原理圖如圖4所示。電阻0485圖4接口帶載能力測(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（下圖RL）,通信時(shí)用示波器測(cè)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，為了安全性和阻抗對(duì)稱(chēng)一般采用雙熱敏電阻保護(hù)（雙熱敏電阻可以防止交流電接到所有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線間，相當(dāng)于485芯片AB線間帶載154左右。端子總線輸出電壓

14、為54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）、芯片的帶載能力息息相關(guān)。其中，雙熱敏電阻保護(hù)方案分壓小但安全性高；單熱敏電阻保護(hù)方案分壓大但安全性低。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線壓差一般不超過(guò)3V。3.2.1 三光耦、雙熱敏電阻方案帶載能力示波器測(cè)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雙熱敏電阻帶載能力電壓波形Fig.5Voltagewaveformofdouble

15、thermistors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(shí)，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(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齊，可以認(rèn)為帶載能力比較強(qiáng)。3.2.2 三光耦、單熱敏電阻方案帶載能力示波器測(cè)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單熱敏電阻帶載能力

16、電壓波形Fig.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(gè)波動(dòng)大、另一個(gè)波動(dòng)比較小，（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(duì)稱(chēng)（上圖紅線）。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齊基本上可以認(rèn)為帶載能力比較強(qiáng)。3.2.3雙光耦方案帶載能力示波器測(cè)量AB線電壓及AB線之間壓差如圖

17、7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。當(dāng)采用雙光耦方案時(shí)，因發(fā)送數(shù)據(jù)位“1時(shí)總線沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，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(duì)稱(chēng)，總線驅(qū)動(dòng)能力非常弱，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雙光耦方案帶載能力電壓波形Fig.7Voltagewaveformofd

18、oubleoptocouplersloadcapacity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，若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較高。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)增加總線功耗。經(jīng)驗(yàn)表明，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

19、有有限斜率特性的RS-485接口器件輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns,典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns（24AWGPVC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、帶載能力、通信可靠性等多方面對(duì)485接口設(shè)

20、計(jì)提出了建議。此外，外部因素如雷擊、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，所以如何避免外部因素對(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，2010.2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)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014,38(2):131-135.HuJiangyi，ZhuEnguo,DuXingang，et.al.ApplicationstatusanddevelopmenttrendofpowerconsumptioninformationcollectionsystemJ.Autom

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