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(duì)RS485通訊的干擾源種類(lèi)，并給出抗干擾方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大量驗(yàn)證和不斷優(yōu)化，證明了方法的可行性和有效性。

引言

　　隨著節(jié)能減排步伐的加快，光伏電站的規(guī)模也越來(lái)越大，電站的智能化和數(shù)字化也是發(fā)展趨勢(shì)，光伏匯流箱作為電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，起到承上啟下的作用，RS485接口是智能匯流箱的標(biāo)配接口，RS485總線負(fù)責(zé)將匯流箱的各項(xiàng)參數(shù)傳輸至后臺(tái)，由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，RS485通訊通常受到各種各樣的外部干擾，導(dǎo)致通訊異常。提高RS485通訊抗干擾能力成為匯流箱廠家的技術(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(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)[1]。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)能在遠(yuǎn)距離條件下以及電子噪聲大的環(huán)境下有效傳輸信號(hào)。

　　RS485總線有A、B兩根信號(hào)線，采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“0”以?xún)删€間的電壓差為+(2~6)V表示;邏輯“1”以?xún)删€間的電壓差為-(2~6)V表示。傳輸速率最高10Mbps，傳輸距離最遠(yuǎn)2km，總線最大支持節(jié)點(diǎn)數(shù)32個(gè)，特殊驅(qū)動(dòng)器可支持256個(gè)節(jié)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(cuò)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(shè)備，主要作用有匯流、防護(hù)和監(jiān)測(cè)。將多串光伏組件的電流匯流后，進(jìn)行防護(hù)并送至逆變器，同時(shí)，對(duì)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總線傳輸?shù)酵ㄐ殴芾頇C(jī)，最終上傳后臺(tái)。如圖2所示。多塊電池板串聯(lián)后接入?yún)R流箱，多臺(tái)匯流箱并聯(lián)進(jìn)入逆變器。虛線部分為RS485總線，將多臺(tái)匯流箱通過(guò)手牽手走線方式互聯(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(hào)上疊加的高頻信號(hào)，頻率高達(dá)幾百KHz，主要來(lái)源是逆變器，通過(guò)功率線耦合到了通訊線上，這種干擾對(duì)信號(hào)解析影響很大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正確解析，出現(xiàn)丟幀或無(wú)法通信現(xiàn)象。

　　高頻干擾分布廣泛，不但在通訊線上存在，而且存在于逆變器和匯流箱的機(jī)殼上，導(dǎo)致設(shè)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(dǎo)致更嚴(yán)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總線電壓可能高達(dá)幾十伏，遠(yuǎn)大于RS485芯片的工作電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀RS485芯片。

　　圖3是RS485一級(jí)防護(hù)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，可將總線電壓鉗位到12V以?xún)?nèi)，保護(hù)RS485芯片。

　　后端二階LC低通濾波器可有效濾除高頻干擾信號(hào)，防止信號(hào)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(duì)RS485信號(hào)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總線沿著山勢(shì)走線，山頂位置的匯流箱容易受到感應(yīng)雷的干擾，在RS485總線上產(chǎn)生短時(shí)高壓脈沖，輕則通訊不穩(wěn)定，重則燒毀通訊器件[3]。

　　圖4所示電路是在一級(jí)防護(hù)基礎(chǔ)上再增加一級(jí)過(guò)壓防護(hù)，形成兩級(jí)防護(hù)。當(dāng)RS485總線上有過(guò)壓產(chǎn)生時(shí)，氣體放電管F3進(jìn)行差模保護(hù)，F(xiàn)1和F2進(jìn)行共模保護(hù)，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)?nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)485芯片的防護(hù)。

　　氣體放電管要選擇耐壓耐流能力強(qiáng)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(hào)沿總線傳輸時(shí)，由于總線的分布電感、電容及電阻的存在，導(dǎo)致信號(hào)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(hào)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(dǎo)致通訊異常^[4]。

　　反射波產(chǎn)生的主要原因是總線阻抗不連續(xù)。引起阻抗不連續(xù)的原因主要是多臺(tái)設(shè)備連接時(shí)，RS485信號(hào)線不斷轉(zhuǎn)接，信號(hào)線上阻抗大小不一致，尤其當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)娇偩€末端時(shí)，阻抗更小，反射波就更嚴(yán)重。

　　解決阻抗不連續(xù)的方法有兩種：第一，在RS485總線的兩端各橋接一個(gè)與總線阻抗同等大小的匹配電阻，使總線阻抗連續(xù)，這種方法操作簡(jiǎn)單，成本低，一般適用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試不通時(shí)使用;第二，使用RS485專(zhuān)用的線纜，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(hù)套，可用于干擾嚴(yán)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(nèi)層屏蔽一端接地。

　　在布線施工時(shí)，多臺(tái)匯流箱手牽手連接，建議不要將線纜剪短，而是只將絕緣層撥開(kāi)，內(nèi)部金屬導(dǎo)線保持連續(xù)，這樣也可以有效改善阻抗不連續(xù)問(wèn)題。

　　2.4 其他措施

　　(1)軟件方面主要考慮波特率和校驗(yàn)，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(shè)置波特率9600bps，如果干擾較大，且總線距離超過(guò)500米，可適當(dāng)降低至4800bps或2400bps，與軟件校驗(yàn)配合使用，可以提高通訊的可靠性。

　　(2)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，會(huì)直接影響總線穩(wěn)定性，即使RS485芯片支持最大32個(gè)節(jié)點(diǎn)或者更多，但仍然建議每條總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)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計(jì)算，每條總線通常連接12~14臺(tái)設(shè)備^[5]。

　　(3)浮地，這里的意思是RS485總線的屏蔽層與大地間無(wú)導(dǎo)體連接，其優(yōu)點(diǎn)是RS485信號(hào)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(hào)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　公司系列光伏匯流箱產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中綜合考慮多種外部和內(nèi)部因素，通過(guò)內(nèi)部軟硬件優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)，其RS485通訊能力不斷加強(qiáng)，在提升客戶(hù)認(rèn)可度的同時(shí)，公司也積累了經(jīng)驗(yàn)。系列產(chǎn)品出貨量累計(jì)3GW，超過(guò)3萬(wàn)臺(tái)產(chǎn)品得到實(shí)際應(yīng)用，并網(wǎng)運(yùn)行最長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)3年。表1是光伏匯流箱產(chǎn)品應(yīng)用的幾個(gè)具體項(xiàng)目。

4 結(jié)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(duì)匯流箱使用過(guò)程中容易出現(xiàn)的通訊問(wèn)題，詳細(xì)分析了造成問(wèn)題的主要原因，并對(duì)每種原因給出了解決方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，表明解決方法可行性高，能夠有效達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高了RS485通訊的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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本文來(lái)源于中國(guó)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。