6kV 高壓開關柜通信線路的改進

孟 杰 賈曉東

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024；2.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035）

某變電站6kV系統(tǒng)使用珠海萬利達系列微機線路（電容器）保護測控裝置，監(jiān)控系統(tǒng)為南瑞NS2000監(jiān)控裝置。通過NCS222通信控制器進行規(guī)約轉換后送到后臺機。6kV系統(tǒng)與通信控制器通過485總線通信，110kV系統(tǒng)與通信控制器通過CAN總線通信，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

為了提高提高485通信網(wǎng)的可靠性，通信的實時性和準確性，增強總線的抗干擾能力，需選用合適的485通信電纜，選用合理的接線方式和布線路徑。

1 電纜的選擇

1.1 雙絞線傳輸速率與距離的關系

RS485采用雙絞線作為傳輸媒體，最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbit/s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kbit/s的傳輸速率下，可以達到最大的通信距離，100m長雙絞線最大傳輸速率可達到1Mbit/s。如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。

1.2 電纜的特性阻抗

在通信總線上信號源發(fā)出的功率越大，信號在通信線上傳輸?shù)脑竭h。信號源內(nèi)阻抗r一定，當負載阻抗和信號源內(nèi)阻抗之間達到一種特定配合關系時，信號源輸出功率最大，這種配合關系叫做阻抗匹配。設信號源是電動勢為ε電源，通信線是阻抗為R的負載，通過電路的電流強度為I，電源輸出功率為P出，根據(jù)全電路歐姆定律

則

當外電路電阻R等于電源內(nèi)電阻r時，信號源輸出功率最大

如果信號源和通信線不匹配，既會影響信號源的輸出頻率和功率的穩(wěn)定性，又使信號源不能給出最大功率，負載又不能得到全部的入射功率。RS485的輸出特性阻抗一般在120Ω以上，因而選用特性阻抗為120Ω的通信電纜是保證信號高速穩(wěn)定傳輸?shù)氖滓獥l件。

1.3 電纜的選擇

RS485通信距離與對應電纜（特性阻抗120Ω）的導體截面積也有一定關系，見表1。

表1 RS485最大無中繼傳輸距離

綜合以上對 485通信線的要求，根據(jù)某變電所6kV開關柜綜合保護裝置與通信控制器的距離（＜100m）和每條通信總線上所掛接的設備數(shù)量（11個），考慮日后通信點數(shù)的增加，選擇型號為RVVSP4×0.3的485通信專用電纜作為通信線，特性參數(shù)和結構分別如表2和如圖2所示。

2 接線方式和布線路徑

2.1 連接方式

RS485總線網(wǎng)絡拓撲結構采用總線型結構，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡，如圖3所示。

表2 電纜特性參數(shù)

圖2 RVVSP4×0.3結構圖

圖3 總線型結構

引出線增加了總線上的接點、接頭的處理、引出線屏蔽的處理，這些都會導致通信網(wǎng)絡抗干擾性和可靠性的降低，于是將總線型結構簡化去掉總線到每個節(jié)點的引出線，得到如圖4所示的手牽手的總線拓撲。

圖4 簡化后的總線型結構

2.2 變電所內(nèi)的干擾

在變電所的6kV配電室內(nèi)，電磁場環(huán)境非常復雜，存在以下幾種干擾源：工頻 50Hz干擾、高頻干擾、雷電引起的干擾、控制回路產(chǎn)生的干擾、高能輻射設備引起的干擾。這些干擾信號，會導致通信傳輸信號的不穩(wěn)定，因此需要通過一些措施將干擾盡可能的降低。

2.3 雙絞線的抗干擾性能分析

使用雙絞線在抑制外部磁場干擾時效果非常有效。雙絞線消除干擾的原理如下所述：

干擾信號對扭絞雙線回路的干擾，見圖5。雙線回路在中點位置進行了一次扭絞。在L1上存在干擾電流I11和I12，在L2上存在干擾電流I21和I22, 干擾電流I=I21+I22-I11-I12，由于兩段線路的條件相同，所以，總干擾電流I=0。

圖5 擾信號對扭絞雙線回路的干擾

選用的RVVSP4×0.3，扭絞長度為1.5cm，按逆時針方向扭絞。相臨線對的扭絞長度為12.7cm，所以為了取得更好的抗干擾效果 485+和 485-接在一對互為雙絞的信號線上。

2.4 屏蔽電纜的接地

采用通信電纜屏蔽層接地是抑制電磁干擾最有效和最廉價的方法。

1）接地方式的選擇

通信電纜的屏蔽層接地分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。單點接地是指設備中信號電路先參考于一點，然后把該點接至設施的接大地系統(tǒng)，如圖6所示。其優(yōu)點是簡單實用，地線上其他部分的電流不會耦合進電路。

圖6 單點接地

根據(jù)485通信的特點選擇單點接地作為通信電纜屏蔽層的接地方式，具體做法為一條總線上到各設備通信線的屏蔽層連為一體在一端接地。這樣各保護裝置及通信控制裝置都置于同一等電位平臺上，這個等電位面應該與地網(wǎng)只有一點的聯(lián)系，這樣的等電位面的電位，可以隨著接地網(wǎng)的電位變化而浮動，同時也避免地電位差串入等電位面，從而保持各聯(lián)網(wǎng)設備的地之間無電位差，保證聯(lián)網(wǎng)通信的可靠運行。

2）采用一點接地時的干擾情況分析

圖7 一點接地時的干擾情況

屏蔽電纜的干擾源在外導線中產(chǎn)生的干擾磁通以虛線同心圓表示，這些磁通的一部分包圍屏蔽電纜心和其屏蔽層（可近似認為包圍這兩種的磁通相等），如圖7（a）所示。它在電纜心和屏蔽層中感生一電勢Es，產(chǎn)生屏蔽層電流Is，如圖7（b）所示。電勢Es等于屏蔽層電流在屏蔽層電阻Rs和自感抗上Xs的電壓降落，即：Es=IsRs+jIsXs。屏蔽層電流所產(chǎn)生的磁通包圍著屏蔽層，也全部包圍著電纜心，這些磁通和外導線產(chǎn)生的干擾磁通方向相反，故稱為反向磁通，在圖7（a）中以實線同心圓表示。按電磁感應原理可知，在理想情況下，如果屏蔽層電阻為零，這種反向磁通可將干擾磁通全部抵消，即反向磁通在電纜心中產(chǎn)生的互感電動勢Er和干擾磁通在電纜心中感應的電動勢Es大小相等，方向相反。設屏蔽層對電纜心的互感抗為Xm，則：Er=IsRs-jIsXm。

因屏蔽層將電纜心完全包圍在內(nèi)，故Xm=Xs。從上式可看出，如果屏蔽層電阻Rs=0，則 Es=-Er。但是屏蔽層不可能沒有電阻，因此干擾磁通在電纜心中感應的電動勢不能被抵消的部分為Es+Er=IsRs，即與屏蔽層的電阻成正比。因此，在通信電纜屏蔽層一點接地系統(tǒng)中，干擾電勢的大小與屏蔽層的電阻率有關，要有效地消除電磁耦合的干擾，就必須采用電阻率小的材料做成屏蔽層。

我們選用的通信電纜RVVSP 4×0.3屏蔽層采用純銅編織網(wǎng)90%覆蓋，有效地阻止干擾源對通信信號的干擾?？傮w線路如圖8所示。

2.5 布線路徑的選擇

圖8 改進后通信線路圖

485通信線布線路徑應盡量避免與大功率電力線平行，更不能穿在同一管內(nèi)。電纜溝內(nèi)大量的6kV電纜在周圍形成一個很強的電磁場，此次改造由于條件的限制，盡量減少485通信線在電纜溝內(nèi)布線，電纜溝內(nèi)的通信線固定在溝壁上，盡量遠離電力線路，遠離干擾。

3 結論

通過使用阻抗匹配的485通信專用電纜，和規(guī)范化的接線方式，使6kV通信系統(tǒng)的可靠性、實時性、有了很大的提高，尤其在抗干擾性能方面增加了屏蔽一點接地和使用雙絞線雙重抗干擾措施。通信系統(tǒng)可靠性和抗干擾性的提高，降低了在遙控操作時出現(xiàn)“遙控失敗”的機率，縮短了簡報信息的上傳時間，為運行人員分析問題，處理問題提供了準確及時的信息，為事故狀態(tài)下恢復供電贏得了時間，減少了損失。

[1]余錫存等主編.單片機原理及接口技術[M].西安電子科技大學出版社,2000.

[2]馬駿嬌編寫.基于 485總線的實驗教學系統(tǒng)研究[D].大連:大連理工大學,2004.

[3]虞日躍,史洪.RS一485總線的理論與實踐[J].電子技術應用,200l.

[4]馬新平.NSC系列通信控制裝置技術使用說明書,2004 V3.01.