光伏電站匯流箱通訊故障研究

任斌

摘 要： 地面集中式光伏電站匯流箱分布廣、數(shù)量多，RS485總線負責將匯流箱的各項參數(shù)傳輸至后臺。由于匯流箱采集各支路光伏組件電壓、電流等數(shù)據(jù)，故對電站運行監(jiān)控及各回路組件運行數(shù)據(jù)分析對比起到重要作用。而在實際運行中可能存在因設計不合理、施工質(zhì)量低、大電流高壓電纜干擾等因素，匯流箱通訊不穩(wěn)定及中斷故障頻繁發(fā)生，給運行監(jiān)控人員帶來不便并且增加了運維量。文章分析了產(chǎn)生干擾的原因，并提出了解決方案。

關鍵詞： 匯流箱；通訊；干擾；故障

0 引言

在可再生能源電力行業(yè)發(fā)展方面，國家發(fā)展改革委于2016年12月下發(fā)的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，實現(xiàn)2020年和2030年非化石能源分別占一次能源消費比重15%和20%的目標。其中，“十三五”期間，新增投產(chǎn)常規(guī)水電4000萬千瓦，新開工常規(guī)水電6000萬千瓦；到2020年底，全國風電并網(wǎng)裝機確保達到2.1億千瓦以上；到2020年底，全國太陽能發(fā)電并網(wǎng)裝機確保實現(xiàn)1.1億千瓦以上等。這表明在“十三五”及未來較長一段時期，國家對清潔可再生能源的需求增長較快，市場前景廣闊。

光伏匯流箱作為電站的關鍵設備之一，實時采集和上傳光伏組件的電壓、電流等重要數(shù)據(jù)，起到承上啟下的作用，為分析、判斷光伏組件缺陷、故障提供可靠數(shù)據(jù)支持。另外，隨著通信及自動化技術的不斷發(fā)展，光伏電站正向無人值守、智能化的方向發(fā)展。因此，匯流箱的通訊可靠性就顯得尤為重要。本文依托甘肅某85兆瓦地面集中光伏電站，針對光伏場區(qū)內(nèi)匯流箱通訊不穩(wěn)定及發(fā)生過的通訊故障進行分析，探討解決方案。

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，是一個定義平衡數(shù)字多點系統(tǒng)中的驅(qū)動器和接收器的電氣特性的標準。該標準由電信行業(yè)協(xié)會和電子工業(yè)聯(lián)盟定義。使用該標準的數(shù)字通信網(wǎng)絡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總線有A、B兩根信號線，采用差分信號負邏輯，邏輯“0”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。傳輸速率最高10Mbps，傳輸距離最遠2km，總線最大支持節(jié)點數(shù)32個，特殊驅(qū)動器可支持256個節(jié)點或更多。485 通訊網(wǎng)絡接線必須采用菊花鏈即手拉手方式（不能采用星形）。

1.2 光伏匯流箱

光伏匯流箱作為光伏電站關鍵設備，主要由輸出主斷路器、采集器、防雷模塊、匯流板、光伏熔斷器及智能模塊組成。在實現(xiàn)匯流、防雷功能的同時，還具有對箱內(nèi)電流、電壓、溫度測量，對防雷、母線、光伏組串的故障診斷，以及與主站的通訊功能，便于構成光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)。

2 項目概況

本電站裝機容量為85兆瓦，共安裝同一型號的匯流箱960臺，通訊方式采用RS485 通訊技術，利用雙重屏蔽雙絞線將每路5—6臺匯流箱通過手牽手的方式與通訊管理機相連。根據(jù)匯流箱出廠技術文件及設計說明，該項目匯流箱通訊電纜采用單點接地方式，內(nèi)外屏蔽層未分開接地。項目建成后進行全站光伏區(qū)設備帶電調(diào)試，發(fā)現(xiàn)80%匯流箱通訊不通或通訊不穩(wěn)定。

3 通訊故障原因

目前多數(shù)光伏電站建設為了搶電價并網(wǎng)，存在趕工期現(xiàn)象，導致工程質(zhì)量差，后期進行光伏匯流箱通訊調(diào)試及運行中會發(fā)現(xiàn)很多問題。這些問題若不能及時處理，對匯流箱通信的可靠性提出嚴峻的考驗。

3.1通訊裝置參數(shù)設置錯誤，主要包含站地址設置錯誤、站波特率設置錯誤、通訊模式設置錯誤。

3.2通訊電纜接線錯誤，主要包括A、B、屏蔽層線接反、電纜虛接、通訊管理機內(nèi)實際接線與通訊裝置回路不對應。

3.3 通訊電纜接地方式，本工程施工期間，根據(jù)設備技術說明書及設計圖紙，將內(nèi)外屏蔽層作為一層采用單點接地，無法充分發(fā)揮雙重屏蔽層抗干擾的優(yōu)勢，在電磁干擾較大時力所不及。

3.4電纜敷設方式，本工程敷設匯流箱RS485 通訊電纜，在進入逆變器室時，采用成束與動力電纜并行進入逆變器電纜溝內(nèi)，無專用通道，且與動力電纜緊貼放置在同一電纜固定架上。根據(jù)《GB-50311-2007 綜合布線工程規(guī)范》要求，通訊電纜與其平行敷設動力電纜間距不滿足要求，在實際運行中對通訊產(chǎn)生干擾，經(jīng)現(xiàn)場測試采取單點接地，因接地不可靠導致通訊線路壓降超過2V。

3.5高頻干擾，本工程通訊管理機安裝在兩臺逆變器中間，逆變器產(chǎn)生的高頻信號，頻率高達幾百KHz，通過功率線耦合到了通訊線上，這種干擾對信號解析影響很大，導致數(shù)據(jù)無法正確解析，出現(xiàn)丟幀或無法通信現(xiàn)象。

4 通訊故障處理方式

4.1檢查參數(shù)設置

一般情況匯流箱通訊參數(shù)主要包含站地址、波特率及通訊協(xié)議，其中地址根據(jù)上位機定義進行設置，如1號匯流箱設置為01，依次類推；波特率根據(jù)匯流箱說明書選擇設置，一般波特率為9600；通訊協(xié)議根據(jù)設備說明書進行設置，一般選擇modbus通訊協(xié)議。

4.2通訊電纜接線檢查

匯流箱 RS-485 通訊組網(wǎng)連接時，僅需將 A、B、屏蔽層接至端子排對應端子即可，且滿足以下要求：

1） 通訊電纜必須用雙絞屏蔽電纜，端子屏蔽層需剝離干凈，以免通訊端子螺絲直接壓接在屏蔽層，造成通訊線虛接；

2） 通訊電纜屏蔽層應連續(xù)，通訊電纜采用菊花鏈即手拉手連接時，屏蔽層之間也要可靠連接在一起，且屏蔽層必須接大地；

3） A、B 接線時注意不要接反，A 與 B 互為雙絞接線。

4） 485 通訊網(wǎng)絡接線必須采用菊花鏈即手拉手方式（不能采用星形）。

4.3更改屏蔽線接地方式

RS-485通訊主要受到的干擾是電磁干擾和高頻干擾，常規(guī)消除干擾的方法包括：①采用屏蔽雙絞線并有效接地，②強電場的地方還要考慮采用鍍鋅管屏蔽，③布線時遠離高壓線，更不能將高壓電源線和信號線捆在一起走線。對于第2、3方式一般在工程建設中選用，但實際施工過程中由于設計、人員工作責任心、偷工減料等原因，并未做到采用鍍鋅管和遠離高壓電纜進行施工。若后期改造成本高，因此一般選用有效接地進行方式消除干擾。而該項目根據(jù)廠家出廠說明書和設計院設計圖紙，匯流箱通訊線只需在通訊管理機柜內(nèi)進行單點接地，但實際運行中發(fā)現(xiàn)該方案不能消除干擾，甚至因為干擾太大將通訊裝置輸出電壓拉低甚至燒壞。現(xiàn)場通過大量試驗，與通訊柜連接的第一個匯流箱內(nèi)增加一組接地線，通訊裝置抗干擾能力可提升2V左右，最終試驗出采用兩點接地即可消除干擾。

4.4通訊板匹配電阻

RS-485是差分電平通信，在距離較長或速率較高時，線路存在回波干擾，此時要在通信線路首末兩端并聯(lián)120Ω匹配電阻。推薦在通信速率大于19.2Kbps 或線路長度大于500米時，才考慮加接匹配電阻。而光伏電站匯流箱RS-485通訊線路最遠一般為150米，因此一般不推薦在線路首末兩端并聯(lián)120Ω匹配電阻。

RS-485通信雙方的地電位差要求小于1V，但是由于干擾等原因造成通訊線路壓降超過2-3V，這樣通訊裝置由于差分電壓太大很難實現(xiàn)正常通訊。另外有些通訊板因為干擾等原因輸出電壓已降低至2V左右（通訊板正常輸出電壓5V），或者干擾太大增加一組接地線后通訊還不穩(wěn)定的問題。目前南瑞繼保工程有限公司生產(chǎn)的一種通訊裝置可通過通訊板內(nèi)部跳線設置，實現(xiàn)匹配電阻的方式提升通訊能力。

如上圖第 1 個串口作為 RS-485 使用時，P5 作為匹配電阻。通常情況下，不設置該跳線；只有在通信狀況不理想時才設置該跳線。

5 結論

隨著節(jié)能減排步伐的加快，光伏電站的規(guī)模也越來越大，電站的智能化和數(shù)字化也是發(fā)展趨勢，光伏匯流箱作為電站的關鍵設備之一，起到承上啟下的作用。提高RS485通訊抗干擾能力成為施工建設及運維工作的技術重點，在485總線系統(tǒng)施工時必須嚴格按照施工規(guī)范施工，特別應注意下面幾點。

1、布線一定要布多股屏蔽雙絞線。多股是為了備用，屏蔽是為了便于出現(xiàn)特殊情況時調(diào)試，雙絞是因為485通訊采用差模通訊原理，雙絞的抗干擾性較好。不采用雙絞線是錯誤的。

2、485 通訊網(wǎng)絡接線必須采用菊花鏈即手拉手方式，堅決避免星型連接和分叉連接。

3、為避免強電對其干擾，485總線應避免和強電走在一起。

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