RS—485串口通信防雷技术应用

摘 要： 由于计算机技术、通讯技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，电力系统通信正在发生深刻的变化，传统的集中、低速、专用封闭式的运动系统已向开放、高速、综合的网络花方向发展，通过局域网互联和广域网互联，实现系统信息资源的共享利用，在采用双绞线作传输线构成RS-485总线网络中，常因雷电瞬变干扰而损坏器件，基于此点，结合变电站综合自动化系统RS-485数据通信防雷薄弱的现状，利用最新的数据通信防雷技术提出对变电站综合自动化系统数据通信实行整体的安全防护。

关键词： 网络技术；双绞线；瞬变；安全防护

【中图分类号】 1P312 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）24-0112-02

0 引言

由于计算机技术、通讯技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，电力系统通信正在发生深刻的变化，传统的集中、低速、专用封闭式的运动系统已向开放、高速、综合的网络花方向发展，通过局域网互联和广域网互联，实现系统信息资源的共享利用。同时在变电站内，不同厂家的各种设备要连到监控、远动等信息处理主站，虽然做不到所有厂家都按照同一种标准互联，但可以通过协议转换器，实现不同介质、不同协议设备间的信息交换。

随着城农网改造的不断深入， 一方面变电站综合自动化技术已趋于成熟， 另一方面企业为了实现减人增效的目的，实现无人或少人值班变电站已是一种发展趋势，同时由于RS-485 总线仅需用一对双绞线即可实现多设备联网构成分布式系统，且设备简单、价格低廉，故RS-485总线通信方式在变电站综自系统中得到广泛应用。

由于每年春夏之初雷电多发，虽然变电站都有比较完善的防雷系统， 雷电直击自动化设备的可能性不大，但通过通信线路或电磁感应还是有可能造成自动化设备RS-485通信口的损坏， 造成无人值班变电站数据失控甚至大面积停电事故。

发生综合自动化系统RS-485通信口损坏一方面严重威胁着电网的安全运行， 另一方面由于综自设备的检修或更换等原因经常造成对用户的停电。

因此加强和改进变电站综自设备RS-485通信的安全防护，是我们远动自动化专业人员迫切需要解决的重要技术课题。

1 综自系统RS-485通信口易损坏原因分析

变电站综合自动化系统按系统结构可划分为站控层、网络层、间隔层，网络层是以100M/10M以太网为基础，包括数据A网和数据B网，以太网实现站控层和间隔层设备的数据层的高速连接，是综合自动化系统数据通讯功能实现的基础。站控层包括当地监控主站、工程师站、远动工作站，当地监控站通过网络层实现对站内保护装置的数据保护，远动工作站通过与网络层的数据交换，并通过光钎/载波通道实现站内与调度主站的数据交换。间隔层实现与站控层的数据交换，其中通讯控制器通过RS485接口实现与站内智能装置通讯，并将智能装置数据通过以太网上送站控层。

RS-485作为智能设备的标准接口，在变电站自动化系统中得到广泛应用。综合测量控制装置以及通讯控制器都配有一个或多个RS-485接口，每个RS-485接口支持多种规约，通过这些RS-485接口综合自动化系统可与站内各种测控装置及其它智能装置实现互联，并于调度站连接，实现站内信息上送并执行主站遥控遥调命令。变电站综合自动化系统中RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号转换成TTL电平， 因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，使传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485收发器的最大传输速率为10Mbps，最大电缆长度为4000英尺，总线上能连接32个收发器，广泛适用于远距离、多站式、分时通讯系统。

在构成RS-485总线网时，采用双绞线作传输线，传输线一般在室外架空或沿電缆沟敷设，所以在雷雨季节常发生因雷电在传输线上引起的瞬变过电压， 而变电站综自系统RS-485的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构， 即通常采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络，因此， 雷电的引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485收发器损坏。

RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许-7V～+12V，超过此范围的过压瞬变就可能损坏器件，引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，例如人体接触芯片的引脚而产生静电放电， 其电压可以高达数十千伏， 可使在工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损；而感应雷在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量更可在瞬间烧毁联结传输线上的全部器件。

目前应用在保护测控装置上的RS485芯片，通过在内部集成TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPESSOR，瞬变电压抑制二极管）的办法防过压瞬变。TVS的作用原理是当管子两端经受瞬态能量冲击时，能极快地将其两端的阻抗降低，通过将能量吸收，将其两端间的电压箝制在其标称值上，保护后端的元件。 受半导体工艺限制，集成到RS-485芯片上的TVS很难做到大功率， 在雷击到来时TVS瞬态能量可以损坏内置的；同时， 瞬态电流产生的强磁场会使近距离的其他电路上感应出高电压，即形成所谓的反击，造成电路损坏。

因此RS485芯片上集成TVS的主要功能是为了消除静电，而无法防雷击浪涌。

2 综自系统RS-485通信防雷方案

2.1 防雷产品选择。

目前市场上技术比较成熟的产品主要有：网络避雷器和信号避雷器，主要防护原理是采用了浪涌抑制器，而浪涌抑制器件主要有气体放电管、雪崩二极管、固体放电管、氧化锌压敏电阻等组成， 结合变电站综自系统RS-485通信口的电气参数和现场实际， 我们决定选用广州雷迅（ASP）的SR-P12V/2S防雷器件，其主要工作原理图及技术参数如下：

设备主要参数。

1、SPD端口分类：兩端口

2、SPD类别：复合型

3、额定电压：12V

4、额定负载电流：500mA

5、最大持续运行电压Uc：15V

6、标称放电电流In：5KA

7、限制电压Uxx：42V

8、最大传输速率：2M bit/s

9、插入损耗：<0.1db

10、外壳防护等级：IP30

11、失效机制：通讯线路对地短路或通讯线路断开

2.2 变电站综合自动化系统二次防雷方案设计

a.JY2000综合自动化系统RS-485数据通信防护

b.RCS9000综合自动化系统RS-485数据通信安全防护

图2和图3是设计出RS-485通信防雷方案图，方案我们考虑到35KV和10KV间隔RS-485总线为室外电缆沟铺设，同时考虑到每个保护测控装置都有遭受雷击浪涌的可能，因此，我们在RTU的RS-485出口和保护测控装置入口加装SR-P型防雷装置。

3 RS-485接口在变电站自动化系统中应注意的问题

由于变电站是强电磁环境，其强电磁干扰势必对通讯造成影响。RS-485接口的通讯电缆及设备借口的施工质量也将影响自动化系统的稳定运行。根据RS-485接口标准的要求，以下几点是RS-485接口在变电站自动化系统中应重点注意的问题：

3.1 接地及接地电阻。

RS-485接口（见图4）的接地包括两个部分：一是收发端的信号接地线互联，二是收发端装置的接地。收发端的信号接地线互联可以保证接收端的信号电平工作在允许的范围内。接口电路收发端的信号接地线未互联时也能工作，但不能保证系统的可靠性及干扰性。收发端装置的接地可以消除不同节点间的电位差，避免由此在传输线中产生电流。接地电阻及收发端的信号接地线互联电阻可以限制由于接地不良产生的接地电流。

3.2 终端器。

终端器是安装在节点用于匹配系统传输线阻抗的电阻。如果负载阻抗与系统传输线阻抗不匹配，是否使用终端器取决于系统电缆的长度及数据传输速率，一般原则是如果数据传输线的延时少于一个数据位的宽度，就可以不使用终端器，有多种方法可以进行传输线的终端电阻匹配；推荐的方法是采用并联终端器，即在接收端的A、B线上并联一个电阻来匹配传输线的特征阻抗。终端器只能接在传输线的末端。在没有信号增强器的系统中最多只能接入两个终端器。另一种终端器是交流耦合终端器，这种终端器通过在终端电阻中串联一个小电容来消除直流负载的影响。虽然这种方法可以消除支流负载的影响，但是电容的容值完全取决于系统的特性。

3.3 RS-485传输电缆的选择。

因为RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线径，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。当数据信号速率低到90kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200m。当使用不同线径的电缆，则取得的最大电缆长度是不相同的。

4 结语

网络和信息避雷器是防感应雷的有效措施之一， 也是一种比较先进的保护方法，它不仅适用于雷电过电压保护，而且可以对工频过电压、操作过电压、谐振过电电压进行抑制。

因此对于RS-485通信网络的防护技术和措施也非常适用于变电站综合自动化系统的RS232网络和以太网络，使变电站综合自动化系统通信网络达到真正的整体防护。

作者简介：

刘自和（1969-），男，云南宁洱，助理工程师，从事电力系统工作。

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