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光伏汇流箱中RS485通讯抗干扰方法分析*

作者:鲁锦锋 王蒙 张婷 周洪伟 张磊时间:2016-10-27来源:电子产品世界
编者按:本文介绍了RS485通讯的基本原理以及RS485在光伏电站中的组网方式,重点分析了光伏电站对RS485通讯的干扰源种类,并给出抗干扰方法,结合现场大量验证和不断优化,证明了方法的可行性和有效性。

作者/ 鲁锦锋1, 2 王蒙1, 2 张婷1, 2 周洪伟1, 2 张磊1, 2  1.特变电工新疆新能源股份有限公司(新疆 乌鲁木齐 830011)  2.特变电工西安电气科技有限公司(陕西 西安 710119)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201610/311933.htm

摘要:本文介绍了的基本原理以及在光伏电站中的组网方式,重点分析了光伏电站对的干扰源种类,并给出方法,结合现场大量验证和不断优化,证明了方法的可行性和有效性。

引言

  随着节能减排步伐的加快,光伏电站的规模也越来越大,电站的智能化和数字化也是发展趋势,光伏汇流箱作为电站的关键设备之一,起到承上启下的作用,RS485接口是智能汇流箱的标配接口,RS485总线负责将汇流箱的各项参数传输至后台,由于现场应用环境的复杂性,RS485通常受到各种各样的外部干扰,导致通讯异常。提高RS485通讯能力成为汇流箱厂家的技术重点。

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,是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准[1]。该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。

  RS485总线有A、B两根信号线,采用差分信号负逻辑,逻辑“0”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑“1”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。传输速率最高10Mbps,传输距离最远2km,总线最大支持节点数32个,特殊驱动器可支持256个节点或更多。组网方式必须为手牵手,如图1所示(b)为正确手牵手方式,(a)、(c)、(d)均为错误组网方式。

  1.2 光伏汇流箱

  光伏汇流箱作为光伏电站关键设备,主要作用有汇流、防护和监测。将多串光伏组件的电流汇流后,进行防护并送至逆变器,同时,对各组串电流、电压、环境温湿度、断路器状态、防雷器状态等进行采集,并通过RS485总线传输到通信管理机,最终上传后台。如图2所示。多块电池板串联后接入汇流箱,多台汇流箱并联进入逆变器。虚线部分为RS485总线,将多台汇流箱通过手牵手走线方式互联。

2 干扰源和方法

  2.1 高频干扰

  高频干扰是指RS485通讯信号上叠加的高频信号,频率高达几百KHz,主要来源是逆变器,通过功率线耦合到了通讯线上,这种干扰对信号解析影响很大,导致数据无法正确解析,出现丢帧或无法通信现象。

  高频干扰分布广泛,不但在通讯线上存在,而且存在于逆变器和汇流箱的机壳上,导致设备附近的大地不干净,如果依靠简单接地来消除高频干扰,会导致更严重的影响。

  高频干扰往往与共模干扰同时存在,相互叠加后,RS485总线电压可能高达几十伏,远大于RS485芯片的工作电压,严重时会烧毁RS485芯片。

  图3是RS485一级防护电路,主要用来消除高频干扰和共模干扰,瞬变电压拟制二极管TVS既能吸收共模干扰,也能吸收差模干扰,可将总线电压钳位到12V以内,保护RS485芯片。

  后端二阶LC低通滤波器可有效滤除高频干扰信号,防止信号失真。

  TVS管的选择要考虑RS485芯片的最高工作电压,一般选择P6KE12CA。LC滤波器截止频率一般选择50KHz以上,保证对RS485信号无影响,如:L=220μH,C=0.01μF。

  2.2 过压干扰

  过压干扰主要包括雷击、静电、电源开关等[2]。雷击是造成过压的主要原因,尤其是山地电站,汇流箱分布在山顶和山地不同位置,RS485总线沿着山势走线,山顶位置的汇流箱容易受到感应雷的干扰,在RS485总线上产生短时高压脉冲,轻则通讯不稳定,重则烧毁通讯器件[3]。

  图4所示电路是在一级防护基础上再增加一级过压防护,形成两级防护。当RS485总线上有过压产生时,气体放电管F3进行差模保护,F1和F2进行共模保护,此时过电压被钳制到约400V左右,再经过热敏电阻PTC进行限流, TVS二次钳压后,到485芯片的电压被钳位到12V以内,从而实现对485芯片的防护。

  气体放电管要选择耐压耐流能力强的,如JSE-141N-2643能承受10/700μs,4KV/100A雷击冲击;热敏电阻选择限流最好的PTC电阻,如JK250U-120U。

  2.3 反射波干扰

  RS485信号沿总线传输时,由于总线的分布电感、电容及电阻的存在,导致信号传输有一定延时,电压与电流在传输过程中会产生一个与信号波方向相反的行波,称为反射波。反射波降低了电路的噪声容限,容易引起波形失真,导致通讯异常[4]

  反射波产生的主要原因是总线阻抗不连续。引起阻抗不连续的原因主要是多台设备连接时,RS485信号线不断转接,信号线上阻抗大小不一致,尤其当信号传输到总线末端时,阻抗更小,反射波就更严重。

  解决阻抗不连续的方法有两种:第一,在RS485总线的两端各桥接一个与总线阻抗同等大小的匹配电阻,使总线阻抗连续,这种方法操作简单,成本低,一般适用于现场调试不通时使用;第二,使用RS485专用的线缆,例如:铠装型双绞屏蔽电缆 ASTP-120Ω(for RS485 & CAN) one pair 18 AWG ,电缆外径12.3mm左右,黑色护套,可用于干扰严重、鼠害频繁以及有防雷、防爆要求的场所。使用时,建议铠装层两端接地,最内层屏蔽一端接地。

  在布线施工时,多台汇流箱手牵手连接,建议不要将线缆剪短,而是只将绝缘层拨开,内部金属导线保持连续,这样也可以有效改善阻抗不连续问题。

  2.4 其他措施

  (1)软件方面主要考虑波特率和校验,波特率太高容易受到高频干扰和共模干扰影响,造成误码。实际使用中,汇流箱通常最大设置波特率9600bps,如果干扰较大,且总线距离超过500米,可适当降低至4800bps或2400bps,与软件校验配合使用,可以提高通讯的可靠性。

  (2)节点数量过多,会直接影响总线稳定性,即使RS485芯片支持最大32个节点或者更多,但仍然建议每条总线上节点数小于16个,汇流箱实际使用中按照每兆瓦两条通讯总线计算,每条总线通常连接12~14台设备[5]

  (3)浮地,这里的意思是RS485总线的屏蔽层与大地间无导体连接,其优点是RS485信号不受大地电性能的影响,能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰,有效防止大地不干净问题。其缺点是RS485信号易受寄生电容的影响,抗共模干扰能力降低,可以在浮地(屏蔽层)与大地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻,用以释放所积累的电荷,跨接电阻一般用1MΩ。

3 现场应用

  公司系列光伏汇流箱产品在现场应用中综合考虑多种外部和内部因素,通过内部软硬件优化和现场调试维护,其RS485通讯能力不断加强,在提升客户认可度的同时,公司也积累了经验。系列产品出货量累计3GW,超过3万台产品得到实际应用,并网运行最长时间超过3年。表1是光伏汇流箱产品应用的几个具体项目。

4 结束语

  本文介从绍了RS485通讯原理和光伏电站汇流箱通讯方式,针对汇流箱使用过程中容易出现的通讯问题,详细分析了造成问题的主要原因,并对每种原因给出了解决方法,结合现场验证,表明解决方法可行性高,能够有效达到设计要求,提高了RS485通讯的可靠性。

参考文献:

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

  [2]于月森,叶王庆.RS-485总线可靠性应用研究[J].微计算机信息, 2007,23(23):274-276.

  [3]侯金华,杨根科,琚长江,薛吉,江浩.可编程控制器RS-485通信接口防护设计[J]..电器与能效管理技术,2014,24(1):38-41.

  [4]张道德,张铮,杨光友.RS-485总线抗干扰的研究[J].湖北工业大学学报,2005,20(3):138-140.

  [5]穆斌.RS-485总线网络应用中的安全与可靠性[J].光学精密工程,2003,11(2):193-197.


本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第10期第57页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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