RS485—載波雙向數(shù)據轉換器的開發(fā)與應用

王紹槐，李劍鳴，譚志新，劉睿芳

(國網湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南株洲412000)

0 引言

用電信息采集系統(tǒng)已經成為電力部門營銷管理的重要技術平臺，實現(xiàn)了對電力用戶的全采集、全費控[1-4]。系統(tǒng)上行通信主要采用無線公網，下行通信包括RS485、載波等[5-8]。在系統(tǒng)建設過程中，經常遇到某些地下室臺區(qū)無公網信號覆蓋的問題，通常的處理辦法:①加裝信號放大器，但這種方法要求離集中器較近的地方有公網信號，否則將要敷設很長的饋線；②延長天線的饋線，這種方法同樣需要離集中器較近的地方有公網信號覆蓋；③將集中器移到地面，總表更換為載波表[9]，這種方法不能滿足對臺區(qū)總表電壓、電流、表碼、功率等高密度的采集。以上方案都存在較大的局限性。

本文改進現(xiàn)有Ⅱ型采集器[10]，實現(xiàn)RS485與載波雙向主動通信，構建“RS485—載波—RS485”的組網模式，完成無公網信號覆蓋地下室臺區(qū)的數(shù)據采集。

1 技術原理

1.1 Ⅱ型采集器改進前的工作模式

當前，市場上存在的Ⅱ型采集器是一種“RS485—載波”轉換裝置，但采集器的通信分為主從模式，載波為主動端，RS485端為被動端，如圖1所示。

圖1 Ⅱ型采集器結構

采集器的通信分為:

1)等待狀態(tài)。載波端與485端均處于接收狀態(tài)，但不響應485端輸入數(shù)據，只響應載波端輸入數(shù)據。

2)通信狀態(tài)。載波端收到數(shù)據后，若數(shù)據合法，則向485端輸出，同時，等待485端應答，若應答超時，則放棄485等待，進入采集器等待狀態(tài)。若收到485的應答數(shù)據，則向載波輸出，輸出完成后進入采集器等待狀態(tài)。

因此，采集器只能單方向由載波端主動傳輸數(shù)據，無法實現(xiàn)485端主動傳輸。只能單個使用，無法成對使用，無法構建“RS485—載波—RS485”組網模式。

1.2 Ⅱ型采集器改進后的工作模式

修改采集器的工作模式，在載波端與485端都能主動發(fā)起通信，實現(xiàn)數(shù)據的雙向轉發(fā)。

1)等待狀態(tài):載波端與485端均處于接收狀態(tài)，對載波端與485端的數(shù)據輸入，都能響應。

2)載波數(shù)據輸入:當載波端有數(shù)據輸入，485端無數(shù)據輸入，則在載波數(shù)據輸入完成，驗證合法后，485轉為發(fā)送狀態(tài)，485輸出數(shù)據。

3)485數(shù)據輸入:當載波端沒有數(shù)據輸入，485端有數(shù)據輸入，則在485數(shù)據輸入完成，驗證合法后，載波轉為發(fā)送狀態(tài)，載波輸出數(shù)據。

4)載波與485端同時有數(shù)據輸入:載波輸入數(shù)據優(yōu)先，放棄485輸入數(shù)據，載波數(shù)據驗證合法后，485端轉為發(fā)送狀態(tài)，485輸出數(shù)據。

方案的關鍵在于改變了采集器的工作模式，由原來載波端與485端的主從模式，改為對等模式，并規(guī)定兩端同時有數(shù)據輸入時的優(yōu)先級，從而實現(xiàn)了載波與RS485數(shù)據的雙向轉發(fā)，構建“RS485—載波—RS485”的組網模式。當兩個距離較遠的、采用RS485通信的設備，為避免敷設長距離的通信電纜，可在兩端各安裝一個“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器，兩端采用485通信，中間依靠電力線載波通信，實現(xiàn)數(shù)據的透明傳輸，如圖2所示。

圖2 “RS485—載波—RS485”組網模式

1.3 雙向轉換器的通信特性

“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器以半雙工的通信方式實現(xiàn)485信號和載波信號的雙向轉換，分為窄帶載波和高速載波(HPLC)兩款，以適應不同的現(xiàn)場環(huán)境。兩款的主要技術參數(shù):

1)窄帶載波特性。調制方式OFDM，載波工作頻率390±33 kHz，數(shù)據速率4.8～20 kbps。

2)寬帶載波特性。調制方式OFDM，默認工作頻段2.4～5.6 MHz，可支持0.7～2.9 MHz、2～12 MHz，數(shù)據速率300 kbps～5 Mbps，在同一個電氣網絡中有多個轉換器時，不需要人工去配置網絡ID號，可自動組網。

3)485通信特性。通信速率可支持1 200 bps、2 400 bps、4 800 bps、9600 bps四種，默認9 600 bps，偶校驗，可根據現(xiàn)場接口設備自適應，不做規(guī)約解析，數(shù)據透明轉發(fā)。

2 應用場景

“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器可以直接與現(xiàn)有485接口設備連接，無需更換現(xiàn)有設備，安裝簡單、維護方便。

2.1 地下室無公網信號覆蓋臺區(qū)總表數(shù)據采集

對于地下室無公網信號覆蓋的臺區(qū)，將集中器安裝到地面有信號的位置，居民戶表采用載波通信，數(shù)據采集不受影響。由于臺區(qū)總表靠近變壓器安裝，且在地下室，總表與集中器之間需要敷設很長的485線，此時可在集中器與臺區(qū)總表處各安裝一個“RS485—載波”雙向數(shù)據轉發(fā)器，無需敷設485通信線，實現(xiàn)臺區(qū)總表數(shù)據的透明采集，如圖3所示。

基于頻分復用原理，在居民抄表為窄帶載波臺區(qū)，選用高速載波轉換器。在居民抄表為高速載波臺區(qū)，選用窄帶載波轉換器，避免相互干擾。

圖3 地下室無信號公變臺區(qū)數(shù)據采集

2.2 專變光伏表

部分工業(yè)用戶自備光伏發(fā)電，光伏表靠光伏設備安裝，一般在頂樓，專變終端在配電房，兩者相距較遠，難以敷設485通信線，可采用加裝“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器的方式，如圖4所示。

圖4 專變光伏表數(shù)據采集

專變采集終端的抄表命令從485接口發(fā)出，經轉換器送到220 V電力線，再經過表端轉換器的485輸出，進入光伏表，在終端與表之間無需敷設485通信線。

2.3 居民光伏表

近來，對上網電源的表計要求采集更多的用電信息，包括電壓、電流、功率24點曲線等，居民光伏表屬于上網表計，在采集系統(tǒng)中作為居民戶表看待，目前只采集表碼與特殊時間點電壓、電流。部分已經進行HPLC改造的臺區(qū)，可以滿足24點曲線采集，但對于大部分窄帶載波臺區(qū)，無法實現(xiàn)。可用加裝“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器的方式，如圖5所示。

在光伏表與集中器各加裝一個數(shù)據轉換裝置，將光伏表配置到485端口，集中器將會以臺區(qū)總表曲線的模式采集光伏表的各種曲線。若臺區(qū)包含小水電用戶，也可采用這種方式。

圖5 居民光伏表數(shù)據采集

2.4 電梯電子廣告屏

電梯內電子廣告屏數(shù)據的更新一般由人工現(xiàn)場更新或通過GPRS公網傳輸，若采用“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器，則可利用采集系統(tǒng)進行遠程更新，無GPRS運行費用，如圖6所示。

圖6 電梯電子廣告屏數(shù)據傳輸

廣告屏數(shù)據由用電信息采集主站發(fā)送到采集終端，采集終端經轉換器輸出到220 V電力線，再經轉換器變換為485接口，輸入電梯電子廣告屏。

3 結論

“RS485—載波”雙向數(shù)據轉換器實現(xiàn)了RS485、載波雙向主動數(shù)據傳輸，從而構建“RS485—載波—RS485”的組網模式，將有線的485通信，轉換為電力線載波通信，只要電力線能到達的地方，都可使用，不受環(huán)境限制，無需敷設通信電纜，信號傳輸穩(wěn)定，施工方便。終端設備無需改造，數(shù)據透明傳輸，適應性強，具有廣闊的應用前景。