摘 要：通過(guò)對(duì)485總線的物理隔離，達(dá)到減小公共阻抗耦合面積，降低節(jié)點(diǎn)間相互干擾程度的目的。在變電站惡劣的電磁環(huán)境中，這種485 HUB星型總線能防止出現(xiàn)一路節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)感應(yīng)電壓過(guò)大、瞬態(tài)脈沖強(qiáng)壓以及信號(hào)線差分短接等故障所造成485總線全面癱瘓的情況。 關(guān)鍵詞：485總線;公共阻抗耦合;485 Hub星型總線;可靠性 一、 概述 　　一些變電站采用支持多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-485總線作為局部監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，但是由于485總線的物理結(jié)構(gòu)決定了在變電站強(qiáng)電磁環(huán)境的通信過(guò)程中需要解決其節(jié)點(diǎn)間存在的相互干擾這一問(wèn)題，以此提高系統(tǒng)的可靠性。 二、 節(jié)點(diǎn)間的相互干擾對(duì)總線的影響 　　485總線上所有的下位機(jī)共享一個(gè)信號(hào)通道，這種物理結(jié)構(gòu)增加了節(jié)點(diǎn)間的公共阻抗耦合，節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生相互干擾，因此在很大程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。 　　首先，變電站的變壓器、中控室以及輸電線都會(huì)通過(guò)輻射在附近的通信線上感應(yīng)出干擾電壓，我們?cè)趯?duì)485總線上某一節(jié)點(diǎn)A測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)： 　　測(cè)量結(jié)果顯示：節(jié)點(diǎn)間的電磁耦合對(duì)感應(yīng)電壓的幅值及頻率都有很大影響。由于通信線為雙絞線，兩根通信線上的感應(yīng)電壓可認(rèn)為幅值及相位均相同的共模電壓。但是雙絞線的扭曲不可能完全一致，節(jié)距也不盡相等，所以線間會(huì)出現(xiàn)差模電壓。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的測(cè)量共模電壓累計(jì)概率分布圖及概率公式，計(jì)算出 共模電壓落入差模電壓的概率為 ，而485驅(qū)動(dòng)/接收器接收到 的電壓時(shí)就會(huì)動(dòng)作。因此，節(jié)點(diǎn)間的相互干擾增加了共模電壓數(shù)值以及出現(xiàn)差模信號(hào)的比例，從而增大系統(tǒng)誤動(dòng)作的概率。 　　其次，變電站變壓器開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)將產(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng)。圖1、圖2為某500kV變電站隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，某控制信號(hào)線中感應(yīng)出的暫態(tài)電壓電流波形。 [align=center] 圖 1 控制線中的暫態(tài)電壓 圖 2 控制線中的暫態(tài)電流[/align] 　　可以看出，變壓器附近或者與之相連節(jié)點(diǎn)的信號(hào)線上的瞬間感應(yīng)電壓/電流均遠(yuǎn)高于485驅(qū)動(dòng)/接收器的閾值電壓（12V）/電流（250mA），因此，沒(méi)有良好的限壓裝置將燒毀節(jié)點(diǎn)的485驅(qū)動(dòng)/接收器，更危險(xiǎn)的情況是，總線上其它的節(jié)點(diǎn)將通過(guò)公共回路的耦合，必然感應(yīng)出相同幅值的高壓，使總線上所有的節(jié)點(diǎn)都受到影響。 　　最后，變電站室外通信電纜屏蔽層會(huì)由于自然磨損、施工不當(dāng)或惡意破壞等因素，出現(xiàn)兩根通信線短接，致使總線上一直處于邏輯0的狀態(tài)。根據(jù)RS-485協(xié)議，下位機(jī)把其解釋為一個(gè)新的數(shù)據(jù)起始位并且試圖讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)位，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位, 這便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果,因此也就不會(huì)再有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求總線，網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓狀態(tài)。 三、 解決方法 　　盡管可以通過(guò)改善變電站現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，降低電磁污染，增加限壓裝置以及利用短路偏置等方法提高RS-485總線的穩(wěn)定性，但是，不從根本上去隔離出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)總線系統(tǒng)都將無(wú)法工作，因此只有提高總線自身的可靠性，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作?；诖?，本文所提出的485 HUB 星型總線一方面從物理結(jié)構(gòu)上完全隔離節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還從軟件上提高抗干擾能力，減少相互間干擾。 　　3.1 物理隔離 　　485 HUB中，采用與下位機(jī)數(shù)目相同的485驅(qū)動(dòng)/接收器，分別與所有節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，各自獨(dú)立完成本節(jié)點(diǎn)的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的任務(wù)。首先，HUB上的單片機(jī)截獲上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行地址確認(rèn)后，控制HUB中與這個(gè)地址節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的485驅(qū)動(dòng)器輸出使能端，再將截獲的數(shù)據(jù)包原封不動(dòng)的發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，發(fā)送完成后，自動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為接收器，等待下位機(jī)的反饋信息。HUB中其它485驅(qū)動(dòng)/接收器的使能端沒(méi)有受到控制指令，不改變狀態(tài)，只有選通的節(jié)點(diǎn)獨(dú)立通信。 　　結(jié)構(gòu)示意圖： 　　3.2 軟件設(shè)計(jì) 　　在程序中加入信息的多重判斷、自動(dòng)檢驗(yàn)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)等語(yǔ)句，一旦出現(xiàn)差模干擾導(dǎo)致的誤碼和亂碼，經(jīng)過(guò)程序辨別后，可以直接屏蔽。 　　為了防止干擾導(dǎo)致程序失控陷入死循環(huán)，采用時(shí)間監(jiān)視器Watchdog芯片Max813L，監(jiān)控程序的運(yùn)行以及單片機(jī)的電源供電。 　　軟件流程圖： 　　3.3 數(shù)據(jù)隔離 　　數(shù)據(jù)隔離的目的是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)，使現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行裝置與上位控制主機(jī)保持信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。在485 HUB中，在反饋信息的回路中加入高速光電耦合隔離器6N137，使夾雜在輸入開(kāi)關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸出回路的一側(cè)。 　　使用485 HUB后，再次測(cè)量相同位置的節(jié)點(diǎn)A，其測(cè)量值如下表： 　　1. 從測(cè)量值中可以看到，485 HUB中節(jié)點(diǎn)之間的干擾明顯減小，物理隔離保證了節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立性。 　　2. 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，485 HUB中即使某節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障，其它節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。 　　3. 由于變電站的實(shí)際情況，本次測(cè)試沒(méi)有捕捉到變壓器開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)HUB端的感應(yīng)電壓，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬，當(dāng)高于驅(qū)動(dòng)器閾值的瞬態(tài)脈沖電壓出現(xiàn)在某路節(jié)點(diǎn)的通信線上時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)沒(méi)有受到干擾。 　　因此，485 HUB星型總線保證了當(dāng)一路節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾或短路問(wèn)題時(shí)，不會(huì)影響總線的其它節(jié)點(diǎn)，提高了MTBCF ，降低了MTTR，系統(tǒng)的可靠性得到改善。 四、 結(jié)論 　　就其物理結(jié)構(gòu)而言，這種485 HUB星型總線不同于傳統(tǒng)意義上的485總線，每個(gè)485驅(qū)動(dòng)/接收器并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收的總線功能，而是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的星型連接實(shí)現(xiàn)了485 HUB的功能，可以說(shuō)本方案中系統(tǒng)可靠性的提高是以增加485驅(qū)動(dòng)/接收器的數(shù)目為代價(jià)的。但是，485 HUB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)工作環(huán)境要求不高，其高可靠性和穩(wěn)定性特別適用于變電站這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，因此就其性價(jià)比而言，超過(guò)了傳統(tǒng)的485總線。 　　RS-485 HUB星型總線已經(jīng)運(yùn)用在一些變電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力較之以前有所提高，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 祿貴禎 蔣克華 通信系統(tǒng)中的電磁兼容理論與技術(shù)[M] 北京廣播學(xué)院出版社 2000 　　[2] Jan Axelson （著） 精英科技 （譯）串行端口大全[M] 中國(guó)電力出版社 2001 　　[3] 孫竹森 張禹芳 張廣州等 500KV變電站的電磁騷擾和防護(hù)措施的研究（一） 高電壓技術(shù)[J] 2000年2月