智能电能表RS485接口设计方案综述

1、智能电能表RS485接口设计方案综述张志，李琮琮，王平欣，代燕杰(国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250001)摘要：随着国家电网公司用电信息采集系统全采集”建设目标的推进，对采集成功率的要求越来越高。影响用电信息采集系统采集成功率的因素很多，但近年来由于电能表RS485通信接口设计不合理造成采集失败的现象呈上升趋势，因此保证RS485接口设计方案的合理性及可靠性至关重要。文章对目前智能电能表RS485通信接口设计方案进行了分析和总结，给出了各种方案的设计原理，结合现场实际使用情况，对方案的优缺点进行了综合评述，从RS485芯片本身、数据接收灵敏度、带载能力、通信可靠性等多方面对485接

2、口设计提出了建议及解决方案。关键词：智能电能表；RS485接口；采集成功率中图分类号：TM93文献标识码：B文章编号：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引言随着国家电网公司用电信息采集系统全采集”建设目标的推进，对采集成功率的要求越来越高1-2。影响用电信息采集系统采集成功率的因素很多，但近年来由于电能表RS485通信接口设计不合理造成采集失败的现象呈上升趋势。作为智能电能表重要的通信单元，RS485接口设计方案的合理性及可靠性对采集成功率的影响至关重要，对电能表乃至整个集抄系统的安全经济运行都有重要意义。受成本、元器件质量等因素的制约，有些电能表生产厂家在RS

6、485接口设计上并没有考虑数据接收灵敏度、通信可靠性等对采集成功率的影响。如果RS485接口设计不合理，会影响对用户用电数据的监测，且RS485接口设计不合理造成采集失败的现象带有一定隐蔽性，给采集故障的发现带来一定难度，增加了现场运维人员的工作量。故鉴于目前RS485接口设计方案各不相同，文章对各种设计方案进行了详细总结分析，指出了各方案的优点及存在的不足，为智能电能表的推广及进一步开展采集工作提供一些借鉴。1RS485接口概述RS485是一个多发送器的串行通信接口标准，通信接口共用两根平衡的通信线构成通信总线，允许在平衡的双导线上一个发送器驱动多个并联的负载设备，所有RS485通信采用半双

7、工工作方式，一个设备发送，其它设备只能处于接收状态（见图1）。一般RS485芯片在54a欧姆的负载上都能提供最小1.5V的差分输出电压，而RS485接收器则必需能检测到最小为200mv的差分电压输入，这两个值为可靠数据传输提供了足够的裕度，即便信号经过线缆和连接器发生严重衰减时亦如此3-5。图1RS485芯片管脚及逻辑框图Fig.1Chippinsandlogicblockdiagram由RS485芯片管脚逻辑图和描述可知RS485芯片标准接法必须要有接收、发送、方向控制三个管脚，当发送数据时禁止接收，发送完毕后才能接收。2 RS485接口设计方案2.1 三光耦方案RS485接口一般采用光耦实

8、现通信口与主系统之间的隔离，标准接法为三光耦隔离方案如图2所示，发送数据时CPU置RS485芯片为发送状态，此时总线电平由发送驱动器驱动。Fig.2Principlediagramofthreeoptocouplers当采集器和电能表都采用图2所示电路时，不管是采用有极性RS485芯片还是无极性RS485芯片，因为发送数据时总线有芯片驱动器驱动，带载能力非常强，通信都是可靠的。只是电能表采用无极性RS485芯片时，因为要支持AB线正反都可以通信，电能表内部总线不能加上下拉电阻，但是需要采集器采用有极性RS485芯片，且采集器总线要加上下拉电阻来维持非通信状态下的总线电平极性，从而使电能表的RS

9、485芯片能够判断出总线极性来决定内部极性是否翻转。2.2 双光耦方案三光耦方案电路比较可靠，驱动能力强传输距离远，但是有些厂家为了压缩成本而采用双光耦方案，电路原理图如图3所示。图3双光耦原理图Fig.3Principlediagramofdoubleoptocouplers由图3可以看出，MCU的数据发送管脚为RS485芯片的方向控制，RS485芯片的发送数据管脚直接接GND。当发送数据位“0B,RS485总线是有驱动的，总线电平由驱动器驱动；当发送数据位“1时，RS485芯片直接被设置成接收状态，总线没有驱动器驱动，总线电平只能靠每个芯片的上下拉电阻维持，驱动能力非常弱。有极性485芯片

10、采用双光耦方案时，因发送数据“1时总线没有驱动，每块电能表的485总线必须加上下拉电阻来维持总线电平。若上下拉电阻选择合理，总线挂载电能表数量不太多，通信距离不远时是可以保证通信质量的；若上下拉电阻选择不合理，阻值偏大时因485传输线存在寄生电容，信号的上升沿和下降沿时间都比较大，信号质量很差。特别是远距离传输时通信成功率很差，当上下拉电阻的阻值偏小，总线挂载的电能表数量较多时总线负载就很大，超过芯片的负载能力就会导致总线电平不能翻转，导致通信失败。无极性485芯片采用双光耦方案时，若采集器上下拉电阻的阻值较大，因485传输线存在寄生电容而电能表总线又无电阻驱动，信号的上升沿和下降沿就会非常缓

11、，信号质量很差，通信可靠性非常低；若采集器上下拉电阻的阻值较小，上下拉能力就较强，若总线挂载电能表数量不太多，通信距离不远时是一般可以保证通信质量。2.3 有极性485和无极性485芯片混用在采集器设计合理（三光耦方案、上下拉电阻取值合理），总线挂载电能表数量不太多，传输线比较标准寄生电容较小的情况下。无极性电能表介入有极性网络，不会增加原网络的负载状况，与主端（采集器）通讯没问题；若是有极性电能表介入无极性网络，在不接错极性的情况下通信也没问题。目前现场运行的采集器特别是2013年之前的采集器很多采用双光耦方案，兼容性不强，混用的话通信可靠性不高。但是2014年之后的采集器为了兼顾无极性48

12、5芯片大部分都采用了三光耦方案，也不能排除少数还在采用双光耦方案。3 RS485接口测试普通RS485芯片在54a负载上都能提供最小1.5V的差分输出电压；而RS485接收器则能检测到最小为200mv的差分输入6-7O3.1 静态测试有极性RS485芯片接口在非通信状态下不管是采集器还是电能表都处于接收状态，总线AB之间的电压差靠上下拉电阻维持，在没有负载电阻情况下即AB端悬空的情况下AB之间的压差都能达到4.5V以上。无极性RS485芯片因为没有上下拉电阻测量AB总线电压为0V。在加上54a负载电阻的情况下有极性、无极性485的AB线差分电压都为0V,静态测试一般意义不大。3.2发送带载能力

13、测试电路原理图如图4所示。电阻0485图4接口带载能力测试原理图Fig.4Principlediagramofonloadcapacityofinterface在RS485接口上AB之间端接接一只54的负载电阻（下图RL）,通信时用示波器测量AB线之间电压差。通用的RS485接口保护用热敏电阻阻值一般为50左右，为了安全性和阻抗对称一般采用双热敏电阻保护（双热敏电阻可以防止交流电接到所有485接口的任意管脚之间而不损坏设备，当大于1路485接口时单热敏电阻做不到任意两线之间接交流电不损坏）。测试时将54a电阻端接在电能表端子输出AB线间，相当于485芯片AB线间带载154左右。端子总线输出电压

14、为54负载电阻与热敏电阻的分压，此输出电压与485接口保护方案（热敏电阻个数、阻值）、芯片的带载能力息息相关。其中，双热敏电阻保护方案分压小但安全性高；单热敏电阻保护方案分压大但安全性低。对于RS485芯片参数一般都相差不大，20mA负载时芯片AB线压差一般不超过3V。3.2.1 三光耦、双热敏电阻方案带载能力示波器测量电能表端子A线、B线电压及AB线之间压差如图5所示。-TL,皿qErwkyMPw凯找Um蹴岗N波形图IGNK形AB：间差分电压波形CHZ1,D1iVM1RQE5M加lO_S.0p._Hi巾加的图5双热敏电阻带载能力电压波形Fig.5Voltagewaveformofdouble

15、thermistors信源loadcapacityCH1为A线与GND波形,CH2为B线与GND波形，Math为AB之间差分电压波形。双热敏电阻保护时，电能表端子输出AB线之间电压差约为1V,A线、B线电压波形几乎一致，AB线之间正负差分电压波形对称。只要电压差在1V左右，正负差分电压波形对称、波形的上升沿和下降沿陡峭整齐，可以认为带载能力比较强。3.2.2 三光耦、单热敏电阻方案带载能力示波器测量电能表端子A线、B线电压及AB线之间压差如图6所示：CH1为A与GND波形，CH2为B与GND波形，Math为AB之间差分电压波形。MlJJUnsCmi.iiiVtHi1,。凶图6单热敏电阻带载能力

16、电压波形Fig.6Voltagewaveformofsinglethermistorsloadcapacity当采用单个热敏电阻（多见于单相表等单路485接口的设备）保护方案时负载电阻的分压能够大一些，电能表端子输出AB线之间电压差约为1.4V如图6,A线、B线电压波形不一致，一个波动大、另一个波动比较小，（如上图黄线、蓝线，可以区分单热敏电阻和双热敏电阻保护），AB线之间正负差分电压波形对称（上图红线）。单热敏保护时只要差分电压差在1.3V左右，正负差分电压波形对称、波形的上升沿和下降沿陡峭整齐基本上可以认为带载能力比较强。3.2.3双光耦方案带载能力示波器测量AB线电压及AB线之间压差如图

17、7所示：CH1为A与GND波形，CH2为B与GND波形，Math为AB之间差分电压波形。当采用双光耦方案时，因发送数据位“1时总线没有驱动器驱动，AB线差分电压接近于0V（可以判断是否是双光耦方案），如图7红线所示：虽然AB线电压波形一致，但是AB线之间差分电压不对称，总线驱动能力非常弱，不推荐使用此方案。ABL间差分电压波形悍度伯,髓I工EflniRnp类；HIJ-3、光tp即Nl.DOns1D-MP-14。蜕呈”isrnfd声乎MPnii1昭Em，一殴6N披形CHILMCH21.01VMiThl.UUV光标:MOW图7双光耦方案带载能力电压波形Fig.7Voltagewaveformofd

18、oubleoptocouplersloadcapacity对于数据的接收灵敏度测试，可将RS485接口输出端与2只串联的可调电阻连接，使输出差分电压为受00mV,连接到待测电能表RS485接口进行通信测试，若电能表能够正常解析报文发送出数据，即可认为电能表接收灵敏度比较高。3.3匹配电阻的使用建议120a电阻的主要功能为防反射，485接口仅在高速1Mbps时才需要防反射电阻，对于通信速率低于1Mbps而且总线长度较短的应用环境，不需要加120a的匹配电阻，此电阻加上后，只会增加总线功耗。经验表明，当信号的转换时间、上升或下降时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如具

19、有有限斜率特性的RS-485接口器件输出信号的上升或下降时间最小为250ns,典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns（24AWGPVC电缆），那么只要数据速率在100kbps以内，电缆长度不超过100米，就可以不考虑匹配8-10。在电能表的应用中通信速率一般都小于9600bps,电缆长度只要不超过300米一般就不需要接匹配电阻。4结束语由于电能表RS485通信接口设计不合理造成采集失败的现象呈上升趋势，故论文对目前智能电能表RS485通信接口设计方案进行了分析和总结，结合现场实际使用经验，对方案的优缺点进行了综合评述，从芯片本身、数据接收灵敏度、带载能力、通信可靠性等多方面对485接口设

20、计提出了建议。此外，外部因素如雷击、电磁干扰等对485接口的影响也至关重要，也是造成采集失败的原因之一，所以如何避免外部因素对485采集造成影响成为下一步研究的关键。参考文献1刘振亚.智能电网技术M.北京：中国电力出版社，2010.2胡江溢，祝恩国，杜新纲，等.用电信息采集系统应用现状及发展趋势J.电力系统自动化，2014,38(2):131-135.HuJiangyi，ZhuEnguo,DuXingang，et.al.ApplicationstatusanddevelopmenttrendofpowerconsumptioninformationcollectionsystemJ.Autom

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