電能表RS485通信壓力測試方法與應用研究

趙永輝++李翔++王江濤++宋錫強++饒烜攀++劉清蟬++楊昊++楊明

摘 要：本文針對電能表現(xiàn)場運行過程中RS485通信問題，存在通信不穩(wěn)定、成功率低、通信死機等問題。分析其主要原因有現(xiàn)場環(huán)境變化導致的信號質(zhì)量變差、時鐘頻率變化、數(shù)據(jù)延時發(fā)生變化，或由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量和現(xiàn)場布線的不同引起，或由于電能表的通信部分對信號的軟件濾波能力、帶載能力、誤碼處理能力、波特率冗余度、協(xié)議延時準確度不夠?qū)е隆１疚闹饕芯苛穗娔鼙鞷S485通信壓力測試方法，包括RS485帶載能力測試、RS485共模通信能力測試、RS485波特率精確度等測試。從而檢測出電能表的RS485通信能力，降低電能表現(xiàn)場運行故障率。

關(guān)鍵詞：電能表；RS485；通信壓力測試

中圖分類號：TM903 文獻標識碼：A

0.引言

在智能電能表的全面推廣和應用中，RS485作為主要的通信方式，發(fā)揮著非常重要的作用，但現(xiàn)場通信時，由于溫度不同、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量不同、現(xiàn)場布線不同、外部環(huán)境干擾量不同、采集裝置RS485通信接口波特率偏移等各方面因素的影響導致RS485通信失敗，為了確保用電信息采集系統(tǒng)本地抄表的可靠應用，建立一套完整的智能電能表RS485通信壓力測試方法是十分必要的。其可嵌入到現(xiàn)有的電能表校驗臺，自動完成大批量的電能表壓力通信測試，大大提高檢測效率。同時，在電能表檢驗環(huán)節(jié)可檢出大量的通信成功但性能指標不滿足需求的電能表，有效地降低電能表現(xiàn)場運行故障率。通過該系統(tǒng)測試方法可以模擬現(xiàn)場環(huán)境中的真實模型，檢測出表計的RS485通信能力。本文從多個方面論述了影響RS485通信可靠性的因素及實際中模擬的檢測措施、方法與原理。

1.電能表RS485通信功能壓力測試原理

電能表RS485通信功能壓力測試包含：RS485帶載能力測試、RS485共模通信能力測試、RS485通信波特率精確度測試。

測試原理：上位機測試軟件下發(fā)命令給RS485通信壓力測試模塊，使其與電能表進行通信。RS485通信壓力測試模塊接收到上位機的指令后通過負載調(diào)整電路切換負載，測試出與電能表的極限通信帶載能力。共模電壓輸出電路通過調(diào)整電能表COM端的電位來改變電能表輸入端A、B線相對COM端的接受共模電壓，RS485通信壓力測試模塊與電能表通信可檢測出其極限共模電壓通信范圍。RS485波特率精確度測試通過與電能表通信時，其信號采集電路捕捉A、B差分信號線上的瞬時電平信號變化持續(xù)時間來進行判斷。其通信壓力測試原理如圖1所示。

2. RS485通信功能壓力的測試方法

2.1 RS485帶載能力測試

采用RS485組網(wǎng)通信的電能表，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點超過一定數(shù)量時，抄表會失敗。由于RS485通信是總線組網(wǎng)方式，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太多，電能表接收阻抗太小或者RS485發(fā)送驅(qū)動能力偏弱都會導致總線上傳輸?shù)男盘柌粷M足RS485傳輸電氣特性。究其原因是電能表RS485接收阻抗和發(fā)送驅(qū)動能力設(shè)計冗余度不夠?qū)е隆?/p>

測試方法：將壓力測試模塊的A、B差分線與外部電能表A、B差分線相連接，在RS485接口上接阻性負載，來模擬多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信工況。通過壓力測試模塊的負載調(diào)整電路內(nèi)部繼電器逐步增大負載阻抗，實時監(jiān)控RS485通信是否成功，測試出電能表RS485的極限帶載能力，同時將測試數(shù)據(jù)上傳給上位機軟件。極限帶載能力的負載詳細參數(shù)設(shè)置見表1。

采用電阻R1～R10進行串聯(lián)，10個繼電器S1～S10進行選擇性短路，可配出1Ω～1024Ω的負載電阻。選擇功率3W精度5%的水泥電阻，通過繼電器切換進行調(diào)整。電阻值分別為：1Ω、2Ω、3.9Ω、9.1Ω、16Ω、32Ω、64Ω、128Ω、256Ω、510Ω。具體操作如圖2所示。

測試結(jié)果：通過對不同廠家的電表進行測試，其測試數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)果分析：對于表格中施加1Ω負載仍可通信上的廠家電能表，說明其RS485帶載能力較強；對于表格中廠家6的電能表施加小于125Ω通信不上，說明其帶載能力偏弱。實際產(chǎn)品中各個廠家所用的RS485通信芯片大都不同，而且不同芯片內(nèi)部接收輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動能力也有所差異，或者受到芯片外部A、B線上外部上、下拉電阻的影響導致了結(jié)果的差異性。

2.2 RS485共模通信能力測試

電能表RS485通信接口電氣上與電網(wǎng)隔離，由于電能表的安裝環(huán)境不同，每個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差。且當節(jié)點間距離很遠時，節(jié)點間存在共模電壓，接收器輸入端的共模電壓就可能會有很大的幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入A、B線的對公共地電壓超出正常的范圍，并在信號線上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響RS485通信失敗，重則損壞RS485通信口。

測試方法：將壓力測試模塊擴展出的RS485接口的COM端與電能表RS485接口的COM端相連，同時兩者A、B線相連，通過共模電壓輸出電路使壓力測試模塊內(nèi)部RS485芯片的GND與外部電能表RS485芯片的GND出現(xiàn)一個差值，從而實現(xiàn)電能表內(nèi)部RS485差分線A、B對COM端的輸入電壓達到可調(diào)節(jié)的目的，實時監(jiān)控RS485通信是否成功。測試出電能表RS485的極限共模通信能力。施加共模電壓的參數(shù)設(shè)置見表3。

具體通過切換繼電器，將共模輸出電路的正端S1切換至電能表的COM端，將共模輸出電路的負端S2切換至壓力測試模塊內(nèi)部RS485_GND，同時調(diào)節(jié)共模輸出電路內(nèi)部的DCDC來產(chǎn)生0～32V的共模正壓。通過切換繼電器，將共模輸出電路的正端S1切換至壓力測試模塊內(nèi)部RS485_GND，將共模輸出電路的負端S2切換至電能表的COM端，同時調(diào)節(jié)共模輸出電路內(nèi)部的DCDC來產(chǎn)生0～32V的共模負壓。具體操作實施方式如圖3所示。

測試結(jié)果：對不同廠家的電能表測試結(jié)果見表4。

結(jié)果分析：在實際應用中各個廠家電能表內(nèi)部A、B差分線與COM端有TVS、熱敏電阻等保護器件，并且各個廠家選用的RS485通信芯片也多不相同，所以測試結(jié)果參差不齊。對于施加共模電壓≤-32V或≥32V也沒有出現(xiàn)通信問題的廠家，說明電能表內(nèi)部對于共模電壓的保護及抗干擾能力比較好，由于受RS485通信壓力測試模塊所設(shè)計的施加共模電壓范圍的限制，以及擔心施加共模電壓太大，會燒毀電能表內(nèi)部RS485通信芯片，所以共模電壓施加測試到了±32V。單相表沒有COM端則不做共模電壓極限測試試驗。

2.3 電能表RS485波特率精確度測試

電能表在軟件設(shè)計時，由于波特率冗余度不夠，或由于溫濕度變化，內(nèi)部電路信號延時發(fā)生微小變化，就會出現(xiàn)波特率超過標準要求，從而導致抄表失敗。對于電能表波特率的精確度主要從應答數(shù)據(jù)幀里每bit的平均時間長度和單位bit高、低電平的時間長度兩方面來評測。

測試方法：上位機通過壓力測試模塊向電能表下發(fā)固定波特率的DL/T 645抄讀命令，壓力測試模塊內(nèi)部信號采集電路捕捉電能表的應答數(shù)據(jù)幀，在一幀數(shù)據(jù)內(nèi)通過對A、B差分線電平的上升沿與下降沿的變化來觸發(fā)和停止中斷，截取一部分數(shù)據(jù)上升沿和下降沿的總時間T（總），然后通過軟件內(nèi)部計算公式，得出一幀數(shù)據(jù)內(nèi)每bit的平均時間近似值T（實際bit）。

（1）M為接受一幀數(shù)據(jù)的理論二進制總位數(shù)。

（2）T（總）為一幀數(shù)據(jù)里所截取的一部分數(shù)據(jù)的總時間。

（3）T（理論bit）為通信波特率的二進制單位bit的理論時間。

例：2400bps的波特率，則T（理論每bit）=1/2400≈416.667us。

（4）N為M四舍五入后的整數(shù)，即是該部分數(shù)據(jù)總時間內(nèi)的實際二進制數(shù)據(jù)位數(shù)。

（5）T（實際每bit）為計算得出的一幀數(shù)據(jù)的二進制每bit的平均近似時間。

對于每bit高、低電平占空比時間的判斷，如果中斷是由上升沿觸發(fā)的，程序便開始一次高電平脈沖寬度的測量：記錄上升沿出現(xiàn)的時間，在中斷里把觸發(fā)方式改為下降沿觸發(fā)，并清空溢出計數(shù)器，直到中斷由下降沿觸發(fā)，表示到達脈沖的未端，程序記錄下降沿出現(xiàn)時間，利用以上公式（1）與（2）計算出每bit高電平脈沖的時間寬度。依次類推，可計算出每bit低電平脈沖的時間寬度。

測試結(jié)果：表5是在默認通信波特率2400bps的情況對不同廠家的電能表波特率精度的測試情況，對于其他波特率精度的測試不再贅述，其測試方法相同；注：時間數(shù)值近似0.1us。

結(jié)果分析：對于電能表默認通信波特率2400bps，每bit的時間應該約為416.667us。由以上廠家的測試結(jié)果可知，如果按照電能表廠家對于波特率一般內(nèi)控3%的要求，則接受一幀數(shù)據(jù)的平均每bit時間是滿足要求的，但對于單位bit高、低電平的時間長度有些廠家則是超出要求范圍的。

結(jié)語

本文研究了在實際的RS485通信測試項目中的壓力測試方法、原理及基本測試模型，可以很好地指導壓力測試的實施，抓住了關(guān)鍵的測試位置，取得了測試項目所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。從帶載能力、施加極限共模電壓、通信波特率精確度測試等方面進行了詳盡的分析論述。RS485通信目前雖然在用電信息采集系統(tǒng)中得到了廣泛應用，但對于建立一套系統(tǒng)的RS485壓力測試方法卻還沒有行之有效的檢測措施，所以建立一套完整的電能表RS485通信壓力測試方法將成為下一步研究的重點。

參考文獻

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