光隔防雷型RS485中繼器在林家塢水電站的應用

徐國君，何勝榮

（1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州思綠能源科技有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著通訊技術和計算機技術的快速發(fā)展和廣泛應用，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信也在向開放、高速的網(wǎng)絡化方向發(fā)展，水電站計算機監(jiān)控技術已日趨成熟。同時，由于水電站多位于偏僻的山區(qū)，交通不便，招工難問題日益突出，所以水電站正朝著無人或少人值班、集約化控制和物業(yè)化管理的方向發(fā)展。由于RS485總線僅需一對雙絞線即可構(gòu)成分布式系統(tǒng)，實現(xiàn)多設備組網(wǎng)，成本低、接線簡單方便；因此RS485總線通信方式在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中仍得到廣泛的應用。

多數(shù)水電站地處偏僻山區(qū)，雷電多發(fā)，雷擊引起的電磁感應會通過通信雙絞線損壞自動化設備的RS485通信口，從而造成水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失，影響水電站的安全運行。另一方面，損壞的自動化設備需要維修或更換，增加水電站的直接成本和間接的時間成本，影響水電站的經(jīng)濟效益。因此，需要對綜合自動化設備的RS485通信總線提供有效的防護。

1 概述

林家塢水電站位于浙江省淳安縣，其計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖配置（見圖1）。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可劃分為站控層和現(xiàn)地層，站控層包括2臺現(xiàn)地監(jiān)控主機（兼通訊工作站），通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與現(xiàn)地層的數(shù)據(jù)交換，完成水電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和計算機控制；并通過電信的VPN網(wǎng)絡分別將數(shù)據(jù)上送至楓樹嶺電站通信主機和水電公司的管控中心，再由楓樹嶺電站通信主機通過音頻信號將楓樹嶺、林家塢、銅山一級、二級電站的數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。站控層通過100 M/10 M以太網(wǎng)與現(xiàn)地層連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交換；站內(nèi)以太網(wǎng)也是實現(xiàn)林家塢水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊功能的基礎。現(xiàn)地層由可編程控制器PLC通過RS485通信接口實現(xiàn)與站內(nèi)設備的通訊，并經(jīng)PLC將這些設備的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)完成與站控層的數(shù)據(jù)交換。

圖1 林家塢水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

作為標準通信接口的RS485總線，在林家塢水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中也應用普遍?？删幊炭刂破鱌LC通過RS485通信口實現(xiàn)與站內(nèi)的微機保護裝置、微機勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器、溫度表、溫度巡檢儀和直流系統(tǒng)的通訊。雖然這些設備的通信規(guī)約和通信協(xié)議不盡相同，但都可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換、編制通信程序完成與這些設備的數(shù)據(jù)交換。

2 RS485通信口損壞原因

RS485通信口收發(fā)器采用差分接收和平衡發(fā)送的方式。在接收端，接收器將差分信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號；在發(fā)送端，發(fā)送器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；因此能較強地抑制共模干擾，廣泛應用于設備多、通訊速度要求不是很高的分時通訊系統(tǒng)中。

理論上，RS485總線上最多能連接32個收發(fā)器，最長傳輸距離可達1 200 m；但在實際工程應用中傳輸?shù)木嚯x會因電纜的特性、電纜周圍的電磁強度和設備特性而變化，所能傳輸?shù)淖畲箅娎|長度與信號傳輸?shù)乃俾食煞幢取?/p>

RS485總線采用雙絞線的電纜作為傳輸線，使得多處于偏僻山區(qū)的水電站在雷雨季節(jié)更易發(fā)生因雷擊而引起的感應過電壓，而1條RS485總線連接著多個設備；因此，雷電引發(fā)的瞬變過電壓可損壞總線上的多個RS485設備。

水電站地處強電磁環(huán)境，較高的共模電壓會存在于1條總線上的設備之間。采用差分傳輸方式的RS485接口雖然具有較強的抗共模干擾能力，但當共模電壓大于+12 V或小于-7 V時，就超過了RS485接收器的接收電壓范圍，接收器就會停止工作，電壓過高時會燒毀RS485接口芯片，甚至毀壞總線上所連接的設備。

林家塢水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)自2020年12月改造投運后，在6個月時間內(nèi)出現(xiàn)過2次與溫度表、溫度巡檢儀連接的RS485通信接口損壞；但與微機保護裝置、微機勵磁系統(tǒng)連接的通信接口工作正常，接口損壞的當天也并沒有雷電現(xiàn)象，據(jù)此可判斷是由于溫度表的共模電壓過高所致。

另外，靜電放電、電源系統(tǒng)開關干擾也會使接收器芯片受損。

3 RS485通信光隔防雷方案

通過RS485通信口損壞的原因分析和林家塢水電站出現(xiàn)的現(xiàn)象，設計了如圖所示的光隔防雷RS485中繼器（見圖2）；并在PLC、微機保護、微機勵磁、調(diào)速器、溫度表等設備的端口加裝了光隔防雷RS485中繼器，以消除由于瞬變過壓、靜電放電、共模電壓等帶來的影響，從而達到保護設備的目的。

圖2 光隔防雷RS485中繼器電路圖

3.1 RS485總線防雷保護電路

為防止因雷電引發(fā)的瞬變過電壓、浪涌沖擊、電源線與RS485線短路、靜電放電等潛在危害，在RS485總線的線路端采取了防雷擊保護措施。

圖2中D4為氣體放電管，用來抑制雷擊浪涌。在A1、B1上各串接1個4～10 Ω的PTC電阻F1、F2，并在A1、B1各自對地端和兩者之間接6.8 V的TVS管D1、D2、D3；當TVS管兩端經(jīng)受瞬態(tài)能量沖擊時，能快速地降低其兩端的阻抗，并通過對地泄能和其本身的能量吸收，將其兩端間的電壓鉗制在TVS管的標稱值上，起到保護電路后端元件的作用。氣體放電管作為第一級防護，F(xiàn)1、F2兩個PTC用來退耦。當有雷擊發(fā)生時，F(xiàn)1和F2熔斷，較強的能量通過氣體放電管泄放到大地上。由于F1、F2可以自恢復，所以剩余的較小能量通過F1、F2到達TVS管進行泄放。

氣體放電管需要根據(jù)實際的應用場景以及防護的等級選型。PTC需要考慮限流和耐壓的問題，熔斷電流要大于RS485正常工作時總線流過的電流，但是需要小于后級電路所能承受的最大電流。耐壓值要大于氣體放電管的擊穿電壓，TVS的鉗位電壓不能小于RS485正常工作的電壓；但是要小于芯片可以承受的最大電壓，同時需要根據(jù)防護等級造型。

當RS485總線的A-B線電壓大于+200 mV時，總線狀態(tài)表示為“1”；當A-B線小于-200 mV時，總線狀態(tài)表示為“0”；當A-B線在-200 mV和+200 mV之間時，則總線狀態(tài)為“不確定”。所以在A線上設1個上拉偏置電阻R21，在B線上設1個下拉偏置電阻R22，以盡量避免這種不確定狀態(tài)。為了保證RS485整個通訊系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性，在A、B線中間設1個匹配電阻R23。

3.2 RS485總線隔離保護電路

為消除水電站強電磁環(huán)境下各個設備之間存在的共模電壓，使用光耦、帶隔離的DC-DC電源、RS485芯片構(gòu)成總線隔離電路。圖2中T1、T2為高速光耦2631，U1、U2為MAX485芯片，使用隔離型DC-DC電源實現(xiàn)Vcc、Vdd兩組電源的隔離，且與總線上的設備電源隔離；而信號的隔離傳輸則通過光耦來實現(xiàn)。從總線A1、B1處接收差分信號，經(jīng)過MAX485芯片U2轉(zhuǎn)換成TTL信號。由于U2芯片與總線系統(tǒng)不共地，可有效抑制高共模電壓的產(chǎn)生，再經(jīng)過高速光耦T2將TTL信號傳輸至U1，由U1將TTL信號轉(zhuǎn)換成差分信號，實現(xiàn)RS485信號的隔離中繼傳輸；反之，從設備側(cè)1A、1B傳輸?shù)娇偩€側(cè)A1、B1，則依次經(jīng)過U1、T1、U2，實現(xiàn)中繼傳輸。

4 RS485通信網(wǎng)絡需注意的幾個問題

RS485使用的是半雙工通信方式，從發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)接收是需要時間間隔的，如果收發(fā)時序配合不好，就會出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象；所以當出現(xiàn)收發(fā)不正?；蛘`碼現(xiàn)象時，則應適當增加收發(fā)的間隔時間。

為防止干擾信號誤觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐中盘枺O置上拉和下拉的偏置電阻。

采用1條雙絞線電纜作總線，盡量縮短從總線到每個節(jié)點的引線長度，以減少引線的反射信號對總線信號的影響，提高信號傳輸質(zhì)量。

總線的各個節(jié)點之間應采用同一規(guī)格的電纜，設備盡可能做到均勻分布，這樣可提高總線特性阻抗的連續(xù)性，減少信號的反射。

可靠的接地是抗雷擊浪涌獲得防護效果的基礎，應使接地電阻小于10 Ω；良好的電路板設計和元件布置也可提高防護效果。對防護等級要求更高的地方，可以選擇性能更好的防護器件。

5 結(jié)語

防雷保護和光隔離保護是防感應雷、工頻過電壓、操作過電壓、靜電放電以及抑制共模電壓的有效措施；如圖2所示，即使遇到最惡劣的雷擊情況，由于采取了光電隔離保護電路，也只會損壞光隔防雷型RS485中繼器，而不會造成連接到RS485總線上的微機保護、微機勵磁、溫度表等設備的損壞。水電站內(nèi)的智能設備來自不同的生產(chǎn)廠家，維修或更換這些設備不僅會造成直接的經(jīng)濟損失，還會造成時間成本，進而影響水電站的發(fā)電效益；而更換RS485中繼器操作簡單，型號單一，可大大縮短系統(tǒng)恢復的時間，減少經(jīng)濟損失。

光隔防雷型RS485中繼器自2021年7月在林家塢水電站加裝投運至今，1年多來運行穩(wěn)定，取得了良好的效果。