RS485分配器应用于站用一体化电源监控的研究

2023-01-16陈小惠

通信电源技术 2022年18期

袁峰，章理，陈小惠，苏雷，何宇

（1．国网湖南省电力有限公司信息通信分公司，湖南长沙 410007；2．国网湖南省电力有限公司，湖南长沙 410007；3.国网湖南省电力邵阳供电分公司，湖南邵阳 422000）

0 引言

智能化变电站普遍使用交直流一体化电源系统，对于一体化电源的监控管理，目前主体为自动化专业，而通信专业均无监控管理。为提高通信电源运行管理的安全性，亟需将一体化电源中通信专业关注的监测点位传输至通信监控系统。以往的做法是将自动化监控主站上关于DC/DC的监控数据送至数据中台，再由中台将数据传送至通信监控系统，这种方式存在数据延时长、监控点位缺失多以及数据治理困难等缺点。为在不影响自动化采集监控且确保网络安全的前提下实现一体化电源中通信专用DC/DC核心监测信息实时、全量接入通信监控，本文提出在一体化电源总监控模块前端增加1个RS485分配器，通过队列机制解决RS485数据冲突问题，成功将一体化电源监控信息从源头同步送至自动化监控系统和通信监控系统，实现了监控数据的完整性和时效性，使得通信专业的电源运行管理安全性得到有效提升。

1 一体化电源监控简介

一体化电源由交流电源、直流电源、交流不间断电源以及通信专用DC/DC变换装置等组合而成。一体化电源的监控原理按照分层设计，每类电源子系统均采用互相独立的监控模块，实现电源之间运行控制的独立性，确保系统不会因某一电源系统故障而导致整体系统瘫痪，提升了系统运行的稳定性[1]。同时，通过配置一体化电源总控屏单元实现统一纳管。

一体化电源的监控采集架构可分为3层，从上至下依次为总监控层、分监控层、智能采集层，具体如图1所示。其中，总监控层负责对下层各分监控发出控制命令并实现数据采集处理；分监控层包括交流电源监控、直流电源监控、交流不间断电源监控、通信专用DC/DC变换装置监控，对上负责数据传输和命令执行，对下负责数据采集和控制；采集层主要负责各基础单元的数据采集和控制执行。

图1 一体化电源监控采集架构

2 RS485采集工作原理探析

2.1 RS485标准

RS485的协议标准是由美国电子工业协会制定并发布的数据通信接口标准，是在RS422基础上发展的变型。RS485物理层定义了监控系统与设备之间的物理联接，通过商定的通信协议进行数据传输，本文将采用常见Modbus规约进行举例。

2.2 Modbus规约工作原理

常见的Modbus规约有2种，一种是Modbus ASC II，另一种是Modbus RTU。当通信为文本通信且数量较少时，使用Modbus ASC II；当通信为二进制且通信数量较大时，使用Modbus RTU[2]。本文将采用常见Modbus RTU进行举例。

主从机工作原理特性为：（1）仅有1个主机，其他均为从机；（2）不管任何时候，从机均不主动向主机发起数据；（3）主机拥有访问从机的权限，从机不可以主动发起访问，数据交换均由主机发起；（4）无论是主机或从机，设备上电之后，均把自己调整为监听状态。

主从机之间的数据交互过程为：（1）主机将自己转为发送状态；（2）主机按照预先约定的格式发出寻址数据帧；（3）主机恢复自身的接收状态。

Modbus RTU数据帧报文相关规范要求数据帧间距≥3.5个字符，如图2所示。

图2 数据帧报文规范

Modbus RTU数据帧连续发出，其数据帧帧内间隔如图3所示，正常数据帧内字符间距≤1.5个字符，而＞1.5个字符的均为非正常帧。

图3 数据帧帧内间隔

3 RS485分配器应用探索

3.1 一体化电源采集探析架构

为实现一体化电源同时将数据转发至2个平台，通过在现有一体化电源到IEC61850协转模块的485通信线之间增加1个RS485分配器，将原485信号一分为二分别传送至2个平台，且平台采集相互不干扰。RS485分配器采集架构如图4所示。

图4 RS485分配器采集架构

3.2 RS485分配器应用试验

在通信电源侧增加智能RS485分配器后，使用其进行测试的过程中发现返回数据包正常稳定，在长达约3 h的测试中没有发现异常，数据返回稳定、可靠，结论为正常可靠。

3.3 RS485分配器特性分析

RS485网络的半双工传输方式决定了在同一时间网络中只允许1台主设备发送数据，其他设备处于接收状态。若同一网络中有2台及以上主设备在同一时间向总线发送数据，则将会产生数据冲突，导致所有发送方的数据发送失败[3]。

关于实现RS485多主机通信方式，业内虽有不少的研究，但是均无法适用于已投入生产的设备使用。对于现有监控设备，采用外接1个RS485分配器并内置通信配置策略，最终将有效实现多主机通信方式。RS485分配器物理端口采用工业级隔离，减少端口之间的物理干扰，通过队列管理功能避免2个主机之间同时发送数据产生总线冲突。此外，修改串口属性参数，接入可适配电力场景中各种品牌的一体化电源设备。

3.4 RS485队列机制分析

队列是一种先进先出（First In First Out，FIFO）的数据结构，排在前面的数据总是先通过，依次进行，工作原理如图5所示。

图5 队列工作原理示意

在微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）寄存器中，每一条收发数据均被按队列方式进行缓存，使得每个主站RS485通道的数据均衡转发给从站RS485通道，只有先发数据的主站RS485通道转发完毕并接收完数据后，另一个主站RS485通道的数据才会转发到从站RS485通道，从而避免主站同时占用通道产生总线数据冲突，并使从站RS485通道的总线带宽被充分利用[4]。

当主机1发送数据请求指令时，主机2的通信通道会进入排队机制，从机仅会响应主机1的数据请求指令。RS485主机1的通信原理如图6所示。

图6 RS485主机1的通信原理

当主机1完成发收数据指令后，排队机制会将主机1的通信通道转换至队列机制，主机2接替主机1发送数据请求指令的通道，从而实现主机1和主机2之间的数据收发交替进行。RS485主机2的通信原理如图7所示。

图7 RS485主机2通信原理

3.5 RS485队列机制时效分析

RS485分配器是根据队列机制解决数据冲突问题，因此相对于直连采集会有一定的延时[5]。队列延时如图8所示。

图8 队列延时

为了更好地理解延时时间（t）的组成，根据传输阶段进行拆解，对应的计算公式为

式中：t1为RS485分配器设置响应时间，是在RS485分配器总线中插入的延时帧时间，主要用于非标通信协议配置；t2为软件发送指令延时，是主站发送命令到从机延时的时间；t3为软件接收指令延时，是从机响应命令到主站延时的时间。增加RS485分配器后，数据刷新时间增加了14 ms。

3.6 Modbus协议响应机制分析

根据Modbus RTU数据帧报文规范，设备响应时间间隔应严格按照要求数据帧间距≥3.5个字符设置，发送帧内间隔应严格按照数据帧内字符间距≤1.5个字符设置，从而保证收发协议有序规则的传输。若出现某些设备厂家接收帧间间隔不满足规范要求的情况，则需要在RS485分配器配置延时命令，插入适配的延时帧，使得2帧之间间隔≥3.5字符，从而保证系统可识别出2帧数据。