智能電能表RS485接口設(shè)計方案綜述

1、智能電能表RS485接口設(shè)計方案綜述張志，李琮琮，王平欣，代燕杰(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南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)目標的推進，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)計方案進行了分析和總結(jié)，給出了各種方案的設(shè)計原理，結(jié)合現(xiàn)場實際使用情況，對方案的優(yōu)缺點進行了綜合評述，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485接

2、口設(shè)計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文獻標識碼：B文章編號：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引言隨著國家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)全采集”建設(shè)目標的推進，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)的安全經(jīng)濟運行都有重要意義。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)場運維人員的工作量。故鑒于目前RS485接口設(shè)計方案各不相同，文章對各種設(shè)計方案進行了詳細總結(jié)分析，指出了各方案的優(yōu)點及存在的不足，為智能電能表的推廣及進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準，通信接口共用兩根平衡的通信線構(gòu)成通信總線，允許在平衡的雙導線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個并聯(lián)的負載設(shè)備，所有RS485通信采用半雙

7、工工作方式，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芯片標準接法必須要有接收、發(fā)送、方向控制三個管腳，當發(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)計方案2.1 三光耦方案RS485接口一般采用光耦實

8、現(xiàn)通信口與主系統(tǒng)之間的隔離，標準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，因為發(fā)送數(shù)據(jù)時總線有芯片驅(qū)動器驅(qū)動，帶載能力非常強，通信都是可靠的。只是電能表采用無極性RS485芯片時，因為要支持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RS

9、485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較可靠，驅(qū)動能力強傳輸距離遠，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)動能力非常弱。有極性485芯片

10、采用雙光耦方案時，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。若上下拉電阻選擇合理，總線掛載電能表數(shù)量不太多，通信距離不遠時是可以保證通信質(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較大，信號質(zhì)量很差。特別是遠距離傳輸時通信成功率很差，當上下拉電阻的阻值偏小，總線掛載的電能表數(shù)量較多時總線負載就很大，超過芯片的負載能力就會導致總線電平不能翻轉(zhuǎn)，導致通信失敗。無極性485芯片采用雙光耦方案時，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；若采集器上下拉電阻的阻值較小，上下拉能力就較強，若總線掛載電能表數(shù)量不太多，通信距離不遠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，傳輸線比較標準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)的負載狀況，與主端（采集器）通訊沒問題；若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，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接口測試普通RS485芯片在54a負載上都能提供最小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，在沒有負載電阻情況下即AB端懸空的情況下AB之間的壓差都能達到4.5V以上。無極性RS485芯片因為沒有上下拉電阻測量AB總線電壓為0V。在加上54a負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)送帶載能力

13、測試電路原理圖如圖4所示。電阻0485圖4接口帶載能力測試原理圖Fig.4Principlediagramofonloadcapacityofinterface在RS485接口上AB之間端接接一只54的負載電阻（下圖RL）,通信時用示波器測量AB線之間電壓差。通用的RS485接口保護用熱敏電阻阻值一般為50左右，為了安全性和阻抗對稱一般采用雙熱敏電阻保護（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，相當于485芯片AB線間帶載154左右。端子總線輸出電壓

14、為54負載電阻與熱敏電阻的分壓，此輸出電壓與485接口保護方案（熱敏電阻個數(shù)、阻值）、芯片的帶載能力息息相關(guān)。其中，雙熱敏電阻保護方案分壓小但安全性高；單熱敏電阻保護方案分壓大但安全性低。對于RS485芯片參數(shù)一般都相差不大，20mA負載時芯片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能力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線之間正負差分電壓波形對稱。只要電壓差在1V左右，正負差分電壓波形對稱、波形的上升沿和下降沿陡峭整齊，可以認為帶載能力比較強。3.2.2 三光耦、單熱敏電阻方案帶載能力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單熱敏電阻帶載能力

16、電壓波形Fig.6Voltagewaveformofsinglethermistorsloadcapacity當采用單個熱敏電阻（多見于單相表等單路485接口的設(shè)備）保護方案時負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、另一個波動比較小，（如上圖黃線、藍線，可以區(qū)分單熱敏電阻和雙熱敏電阻保護），AB線之間正負差分電壓波形對稱（上圖紅線）。單熱敏保護時只要差分電壓差在1.3V左右，正負差分電壓波形對稱、波形的上升沿和下降沿陡峭整齊基本上可以認為帶載能力比較強。3.2.3雙光耦方案帶載能力示波器測量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；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:MOW圖7雙光耦方案帶載能力電壓波形Fig.7Voltagewaveformofd

18、oubleoptocouplersloadcapacity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接口進行通信測試，若電能表能夠正常解析報文發(fā)送出數(shù)據(jù)，即可認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)驗表明，當信號的轉(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

19、有有限斜率特性的RS-485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/ns（24AWGPVC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)計方案進行了分析和總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)場實際使用經(jīng)驗，對方案的優(yōu)缺點進行了綜合評述，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485接口設(shè)

20、計提出了建議。此外，外部因素如雷擊、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，所以如何避免外部因素對485采集造成影響成為下一步研究的關(guān)鍵。參考文獻1劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)M.北京：中國電力出版社，2010.2胡江溢，祝恩國，杜新綱，等.用電信息采集系統(tǒng)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.電力系統(tǒng)自動化，2014,38(2):131-135.HuJiangyi，ZhuEnguo,DuXingang，et.al.ApplicationstatusanddevelopmenttrendofpowerconsumptioninformationcollectionsystemJ.Autom

21、ationofElectricPowerSystems,2014,38(2):131-135.3凌國平，周新建.如何提高測控系統(tǒng)中RS485通信的可靠性J.儀器儀表學報，2005,26(8):470-476.LingGuoping,ZhouXinjian.HowtoimproveRS485communicationreliabilityinmeasureandcontrolsystemJ.ChineseofJournalScientificInstrument,2005,26(8):470-476.4楊瑞霞.基于GPRS電力無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.電測與儀表,2007,12(44):30-

22、32.YangRuixia.Designandimplementationofremotereadingwatt-hourmeterbasedonGPRSJ.ElectricalMeasurementandInstrumentation,2007,12(44):30-32.5周孔均.電能表與采集終端通信測試系統(tǒng)的設(shè)計J.電測與儀表,2006,12(43):24-28.ZhouKong-jun.DesignofCommunicationTestingSystemforWatt-hourMeterandDataCollectionTerminalJ.ElectricalMeasurementand

23、Instrumentation,2006,12(43):24-28.6陳仲平，斐石燕，郭黎光.國家電網(wǎng)智能電能表的低功耗設(shè)計J.電測與儀表，2014,51(11):28-31.ChenZhongping,FeiShiyan,GuoLiguang.Thelow-powerconsumptiondesignforsmartelectricitymeterinChinesenationalpowergridnetworksJ.ElectricalMeasurementandInstrumentation,2014,51(11):28-31.7劉建戈.電能表RS485多系統(tǒng)通信方式分析與應用J.電測與儀表,2009,12(46):24-28.LiuJiange.Analysisonmulti-mastercommunicationofRS485aboutwatt-hourmeterJ.ElectricalMeasurementand8肖勇，周尚禮.電能信息采集終端的抗電快速瞬變脈沖群干擾研究與設(shè)計J.電力系統(tǒng)保護與控制，2009,37（17）:102-105.XiaoYong,ZhouShangli.Analys