光伏匯流箱中RS485通訊抗干擾方法分析*

作者/ 魯錦鋒1, 2 王蒙1, 2 張婷1, 2 周洪偉1, 2 張磊1, 2  1.特變電工新疆新能源股份有限公司(新疆 烏魯木齊 830011)  2.特變電工西安電氣科技有限公司(陜西 西安 710119)

摘要：本文介紹了RS485通訊的基本原理以及RS485在光伏電站中的組網(wǎng)方式，重點(diǎn)分析了光伏電站對RS485通訊的干擾源種類(lèi)，并給出抗干擾方法，結合現場(chǎng)大量驗證和不斷優(yōu)化，證明了方法的可行性和有效性。

引言

　　隨著(zhù)節能減排步伐的加快，光伏電站的規模也越來(lái)越大，電站的智能化和數字化也是發(fā)展趨勢，光伏匯流箱作為電站的關(guān)鍵設備之一，起到承上啟下的作用，RS485接口是智能匯流箱的標配接口，RS485總線(xiàn)負責將匯流箱的各項參數傳輸至后臺，由于現場(chǎng)應用環(huán)境的復雜性，RS485通訊通常受到各種各樣的外部干擾，導致通訊異常。提高RS485通訊抗干擾能力成為匯流箱廠(chǎng)家的技術(shù)重點(diǎn)。

1 基本原理

　　1.1 RS485原理

　　RS-485又名TIA-485-A、ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485，是一個(gè)定義平衡數字多點(diǎn)系統中的驅動(dòng)器和接收器的電氣特性的標準[1]。該標準由電信行業(yè)協(xié)會(huì )和電子工業(yè)聯(lián)盟定義。使用該標準的數字通信網(wǎng)絡(luò )能在遠距離條件下以及電子噪聲大的環(huán)境下有效傳輸信號。

　　RS485總線(xiàn)有A、B兩根信號線(xiàn)，采用差分信號負邏輯，邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2~6)V表示;邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2~6)V表示。傳輸速率最高10Mbps，傳輸距離最遠2km，總線(xiàn)最大支持節點(diǎn)數32個(gè)，特殊驅動(dòng)器可支持256個(gè)節點(diǎn)或更多。組網(wǎng)方式必須為手牽手，如圖1所示(b)為正確手牽手方式，(a)、(c)、(d)均為錯誤組網(wǎng)方式。

　　1.2 光伏匯流箱

　　光伏匯流箱作為光伏電站關(guān)鍵設備，主要作用有匯流、防護和監測。將多串光伏組件的電流匯流后，進(jìn)行防護并送至逆變器，同時(shí)，對各組串電流、電壓、環(huán)境溫濕度、斷路器狀態(tài)、防雷器狀態(tài)等進(jìn)行采集，并通過(guò)RS485總線(xiàn)傳輸到通信管理機，最終上傳后臺。如圖2所示。多塊電池板串聯(lián)后接入匯流箱，多臺匯流箱并聯(lián)進(jìn)入逆變器。虛線(xiàn)部分為RS485總線(xiàn)，將多臺匯流箱通過(guò)手牽手走線(xiàn)方式互聯(lián)。

2 干擾源和抗干擾方法

　　2.1 高頻干擾

　　高頻干擾是指RS485通訊信號上疊加的高頻信號，頻率高達幾百KHz，主要來(lái)源是逆變器，通過(guò)功率線(xiàn)耦合到了通訊線(xiàn)上，這種干擾對信號解析影響很大，導致數據無(wú)法正確解析，出現丟幀或無(wú)法通信現象。

　　高頻干擾分布廣泛，不但在通訊線(xiàn)上存在，而且存在于逆變器和匯流箱的機殼上，導致設備附近的大地不干凈，如果依靠簡(jiǎn)單接地來(lái)消除高頻干擾，會(huì )導致更嚴重的影響。

　　高頻干擾往往與共模干擾同時(shí)存在，相互疊加后，RS485總線(xiàn)電壓可能高達幾十伏，遠大于RS485芯片的工作電壓，嚴重時(shí)會(huì )燒毀RS485芯片。

　　圖3是RS485一級防護電路，主要用來(lái)消除高頻干擾和共模干擾，瞬變電壓擬制二極管TVS既能吸收共模干擾，也能吸收差模干擾，可將總線(xiàn)電壓鉗位到12V以?xún)?，保護RS485芯片。

　　后端二階LC低通濾波器可有效濾除高頻干擾信號，防止信號失真。

　　TVS管的選擇要考慮RS485芯片的最高工作電壓，一般選擇P6KE12CA。LC濾波器截止頻率一般選擇50KHz以上，保證對RS485信號無(wú)影響，如：L=220μH，C=0.01μF。

　　2.2 過(guò)壓干擾

　　過(guò)壓干擾主要包括雷擊、靜電、電源開(kāi)關(guān)等[2]。雷擊是造成過(guò)壓的主要原因，尤其是山地電站，匯流箱分布在山頂和山地不同位置，RS485總線(xiàn)沿著(zhù)山勢走線(xiàn)，山頂位置的匯流箱容易受到感應雷的干擾，在RS485總線(xiàn)上產(chǎn)生短時(shí)高壓脈沖，輕則通訊不穩定，重則燒毀通訊器件[3]。

　　圖4所示電路是在一級防護基礎上再增加一級過(guò)壓防護，形成兩級防護。當RS485總線(xiàn)上有過(guò)壓產(chǎn)生時(shí)，氣體放電管F3進(jìn)行差模保護，F1和F2進(jìn)行共模保護，此時(shí)過(guò)電壓被鉗制到約400V左右，再經(jīng)過(guò)熱敏電阻PTC進(jìn)行限流， TVS二次鉗壓后，到485芯片的電壓被鉗位到12V以?xún)?，從而?shí)現對485芯片的防護。

　　氣體放電管要選擇耐壓耐流能力強的，如JSE-141N-2643能承受10/700μs，4KV/100A雷擊沖擊;熱敏電阻選擇限流最好的PTC電阻，如JK250U-120U。

　　2.3 反射波干擾

　　RS485信號沿總線(xiàn)傳輸時(shí)，由于總線(xiàn)的分布電感、電容及電阻的存在，導致信號傳輸有一定延時(shí)，電壓與電流在傳輸過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與信號波方向相反的行波，稱(chēng)為反射波。反射波降低了電路的噪聲容限，容易引起波形失真，導致通訊異常^[4]。

　　反射波產(chǎn)生的主要原因是總線(xiàn)阻抗不連續。引起阻抗不連續的原因主要是多臺設備連接時(shí)，RS485信號線(xiàn)不斷轉接，信號線(xiàn)上阻抗大小不一致，尤其當信號傳輸到總線(xiàn)末端時(shí)，阻抗更小，反射波就更嚴重。

　　解決阻抗不連續的方法有兩種：第一，在RS485總線(xiàn)的兩端各橋接一個(gè)與總線(xiàn)阻抗同等大小的匹配電阻，使總線(xiàn)阻抗連續，這種方法操作簡(jiǎn)單，成本低，一般適用于現場(chǎng)調試不通時(shí)使用;第二，使用RS485專(zhuān)用的線(xiàn)纜，例如：鎧裝型雙絞屏蔽電纜 ASTP-120Ω(for RS485 & CAN) one pair 18 AWG ，電纜外徑12.3mm左右，黑色護套，可用于干擾嚴重、鼠害頻繁以及有防雷、防爆要求的場(chǎng)所。使用時(shí)，建議鎧裝層兩端接地，最內層屏蔽一端接地。

　　在布線(xiàn)施工時(shí)，多臺匯流箱手牽手連接，建議不要將線(xiàn)纜剪短，而是只將絕緣層撥開(kāi)，內部金屬導線(xiàn)保持連續，這樣也可以有效改善阻抗不連續問(wèn)題。

　　2.4 其他措施

　　(1)軟件方面主要考慮波特率和校驗，波特率太高容易受到高頻干擾和共模干擾影響，造成誤碼。實(shí)際使用中，匯流箱通常最大設置波特率9600bps，如果干擾較大，且總線(xiàn)距離超過(guò)500米，可適當降低至4800bps或2400bps，與軟件校驗配合使用，可以提高通訊的可靠性。

　　(2)節點(diǎn)數量過(guò)多，會(huì )直接影響總線(xiàn)穩定性，即使RS485芯片支持最大32個(gè)節點(diǎn)或者更多，但仍然建議每條總線(xiàn)上節點(diǎn)數小于16個(gè)，匯流箱實(shí)際使用中按照每兆瓦兩條通訊總線(xiàn)計算，每條總線(xiàn)通常連接12~14臺設備^[5]。

　　(3)浮地，這里的意思是RS485總線(xiàn)的屏蔽層與大地間無(wú)導體連接，其優(yōu)點(diǎn)是RS485信號不受大地電性能的影響，能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，有效防止大地不干凈問(wèn)題。其缺點(diǎn)是RS485信號易受寄生電容的影響，抗共模干擾能力降低，可以在浮地(屏蔽層)與大地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷，跨接電阻一般用1MΩ。

3 現場(chǎng)應用

　　公司系列光伏匯流箱產(chǎn)品在現場(chǎng)應用中綜合考慮多種外部和內部因素，通過(guò)內部軟硬件優(yōu)化和現場(chǎng)調試維護，其RS485通訊能力不斷加強，在提升客戶(hù)認可度的同時(shí)，公司也積累了經(jīng)驗。系列產(chǎn)品出貨量累計3GW，超過(guò)3萬(wàn)臺產(chǎn)品得到實(shí)際應用，并網(wǎng)運行最長(cháng)時(shí)間超過(guò)3年。表1是光伏匯流箱產(chǎn)品應用的幾個(gè)具體項目。

4 結束語(yǔ)

　　本文介從紹了RS485通訊原理和光伏電站匯流箱通訊方式，針對匯流箱使用過(guò)程中容易出現的通訊問(wèn)題，詳細分析了造成問(wèn)題的主要原因，并對每種原因給出了解決方法，結合現場(chǎng)驗證，表明解決方法可行性高，能夠有效達到設計要求，提高了RS485通訊的可靠性。

參考文獻：

　　[1]B&B Electronics. RS-422 and RS-485 Application Note, 1997.

　　[2]于月森,葉王慶.RS-485總線(xiàn)可靠性應用研究[J].微計算機信息, 2007,23(23):274-276.

　　[3]侯金華,楊根科,琚長(cháng)江,薛吉,江浩.可編程控制器RS-485通信接口防護設計[J]..電器與能效管理技術(shù),2014,24(1):38-41.

　　[4]張道德,張錚,楊光友.RS-485總線(xiàn)抗干擾的研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,20(3):138-140.

　　[5]穆斌.RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用中的安全與可靠性[J].光學(xué)精密工程,2003,11(2):193-197.

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第57頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。