RS485分配器應(yīng)用于站用一體化電源監(jiān)控的研究

袁 峰，章 理，陳小惠，蘇 雷，何 宇

（1．國網(wǎng)湖南省電力有限公司 信息通信分公司，湖南 長沙 410007；2．國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410007；3.國網(wǎng)湖南省電力邵陽供電分公司，湖南 邵陽 422000）

0 引 言

智能化變電站普遍使用交直流一體化電源系統(tǒng)，對于一體化電源的監(jiān)控管理，目前主體為自動化專業(yè)，而通信專業(yè)均無監(jiān)控管理。為提高通信電源運行管理的安全性，亟需將一體化電源中通信專業(yè)關(guān)注的監(jiān)測點位傳輸至通信監(jiān)控系統(tǒng)。以往的做法是將自動化監(jiān)控主站上關(guān)于DC/DC的監(jiān)控數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)中臺，再由中臺將數(shù)據(jù)傳送至通信監(jiān)控系統(tǒng)，這種方式存在數(shù)據(jù)延時長、監(jiān)控點位缺失多以及數(shù)據(jù)治理困難等缺點。為在不影響自動化采集監(jiān)控且確保網(wǎng)絡(luò)安全的前提下實現(xiàn)一體化電源中通信專用DC/DC核心監(jiān)測信息實時、全量接入通信監(jiān)控，本文提出在一體化電源總監(jiān)控模塊前端增加1個RS485分配器，通過隊列機制解決RS485數(shù)據(jù)沖突問題，成功將一體化電源監(jiān)控信息從源頭同步送至自動化監(jiān)控系統(tǒng)和通信監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性和時效性，使得通信專業(yè)的電源運行管理安全性得到有效提升。

1 一體化電源監(jiān)控簡介

一體化電源由交流電源、直流電源、交流不間斷電源以及通信專用DC/DC變換裝置等組合而成。一體化電源的監(jiān)控原理按照分層設(shè)計，每類電源子系統(tǒng)均采用互相獨立的監(jiān)控模塊，實現(xiàn)電源之間運行控制的獨立性，確保系統(tǒng)不會因某一電源系統(tǒng)故障而導(dǎo)致整體系統(tǒng)癱瘓，提升了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[1]。同時，通過配置一體化電源總控屏單元實現(xiàn)統(tǒng)一納管。

一體化電源的監(jiān)控采集架構(gòu)可分為3層，從上至下依次為總監(jiān)控層、分監(jiān)控層、智能采集層，具體如圖1所示。其中，總監(jiān)控層負責對下層各分監(jiān)控發(fā)出控制命令并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理；分監(jiān)控層包括交流電源監(jiān)控、直流電源監(jiān)控、交流不間斷電源監(jiān)控、通信專用DC/DC變換裝置監(jiān)控，對上負責數(shù)據(jù)傳輸和命令執(zhí)行，對下負責數(shù)據(jù)采集和控制；采集層主要負責各基礎(chǔ)單元的數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行。

圖1 一體化電源監(jiān)控采集架構(gòu)

2 RS485采集工作原理探析

2.1 RS485標準

RS485的協(xié)議標準是由美國電子工業(yè)協(xié)會制定并發(fā)布的數(shù)據(jù)通信接口標準，是在RS422基礎(chǔ)上發(fā)展的變型。RS485物理層定義了監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備之間的物理聯(lián)接，通過商定的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，本文將采用常見Modbus規(guī)約進行舉例。

2.2 Modbus規(guī)約工作原理

常見的Modbus規(guī)約有2種，一種是Modbus ASC II，另一種是Modbus RTU。當通信為文本通信且數(shù)量較少時，使用Modbus ASC II；當通信為二進制且通信數(shù)量較大時，使用Modbus RTU[2]。本文將采用常見Modbus RTU進行舉例。

主從機工作原理特性為：（1）僅有1個主機，其他均為從機；（2）不管任何時候，從機均不主動向主機發(fā)起數(shù)據(jù)；（3）主機擁有訪問從機的權(quán)限，從機不可以主動發(fā)起訪問，數(shù)據(jù)交換均由主機發(fā)起；（4）無論是主機或從機，設(shè)備上電之后，均把自己調(diào)整為監(jiān)聽狀態(tài)。

主從機之間的數(shù)據(jù)交互過程為：（1）主機將自己轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)；（2）主機按照預(yù)先約定的格式發(fā)出尋址數(shù)據(jù)幀；（3）主機恢復(fù)自身的接收狀態(tài)。

Modbus RTU數(shù)據(jù)幀報文相關(guān)規(guī)范要求數(shù)據(jù)幀間距≥3.5個字符，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)幀報文規(guī)范

Modbus RTU數(shù)據(jù)幀連續(xù)發(fā)出，其數(shù)據(jù)幀幀內(nèi)間隔如圖3所示，正常數(shù)據(jù)幀內(nèi)字符間距≤1.5個字符，而＞1.5個字符的均為非正常幀。

圖3 數(shù)據(jù)幀幀內(nèi)間隔

3 RS485分配器應(yīng)用探索

3.1 一體化電源采集探析架構(gòu)

為實現(xiàn)一體化電源同時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至2個平臺，通過在現(xiàn)有一體化電源到IEC61850協(xié)轉(zhuǎn)模塊的485通信線之間增加1個RS485分配器，將原485信號一分為二分別傳送至2個平臺，且平臺采集相互不干擾。RS485分配器采集架構(gòu)如圖4所示。

圖4 RS485分配器采集架構(gòu)

3.2 RS485分配器應(yīng)用試驗

在通信電源側(cè)增加智能RS485分配器后，使用其進行測試的過程中發(fā)現(xiàn)返回數(shù)據(jù)包正常穩(wěn)定，在長達約3 h的測試中沒有發(fā)現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)返回穩(wěn)定、可靠，結(jié)論為正常可靠。

3.3 RS485分配器特性分析

RS485網(wǎng)絡(luò)的半雙工傳輸方式?jīng)Q定了在同一時間網(wǎng)絡(luò)中只允許1臺主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，其他設(shè)備處于接收狀態(tài)。若同一網(wǎng)絡(luò)中有2臺及以上主設(shè)備在同一時間向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗[3]。

關(guān)于實現(xiàn)RS485多主機通信方式，業(yè)內(nèi)雖有不少的研究，但是均無法適用于已投入生產(chǎn)的設(shè)備使用。對于現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備，采用外接1個RS485分配器并內(nèi)置通信配置策略，最終將有效實現(xiàn)多主機通信方式。RS485分配器物理端口采用工業(yè)級隔離，減少端口之間的物理干擾，通過隊列管理功能避免2個主機之間同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生總線沖突。此外，修改串口屬性參數(shù)，接入可適配電力場景中各種品牌的一體化電源設(shè)備。

3.4 RS485隊列機制分析

隊列是一種先進先出（First In First Out，F(xiàn)IFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排在前面的數(shù)據(jù)總是先通過，依次進行，工作原理如圖5所示。

圖5 隊列工作原理示意

在微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）寄存器中，每一條收發(fā)數(shù)據(jù)均被按隊列方式進行緩存，使得每個主站RS485通道的數(shù)據(jù)均衡轉(zhuǎn)發(fā)給從站RS485通道，只有先發(fā)數(shù)據(jù)的主站RS485通道轉(zhuǎn)發(fā)完畢并接收完數(shù)據(jù)后，另一個主站RS485通道的數(shù)據(jù)才會轉(zhuǎn)發(fā)到從站RS485通道，從而避免主站同時占用通道產(chǎn)生總線數(shù)據(jù)沖突，并使從站RS485通道的總線帶寬被充分利用[4]。

當主機1發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令時，主機2的通信通道會進入排隊機制，從機僅會響應(yīng)主機1的數(shù)據(jù)請求指令。RS485主機1的通信原理如圖6所示。

圖6 RS485主機1的通信原理

當主機1完成發(fā)收數(shù)據(jù)指令后，排隊機制會將主機1的通信通道轉(zhuǎn)換至隊列機制，主機2接替主機1發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令的通道，從而實現(xiàn)主機1和主機2之間的數(shù)據(jù)收發(fā)交替進行。RS485主機2的通信原理如圖7所示。

圖7 RS485主機2通信原理

3.5 RS485隊列機制時效分析

RS485分配器是根據(jù)隊列機制解決數(shù)據(jù)沖突問題，因此相對于直連采集會有一定的延時[5]。隊列延時如圖8所示。

圖8 隊列延時

為了更好地理解延時時間（t）的組成，根據(jù)傳輸階段進行拆解，對應(yīng)的計算公式為

式中：t1為RS485分配器設(shè)置響應(yīng)時間，是在RS485分配器總線中插入的延時幀時間，主要用于非標通信協(xié)議配置；t2為軟件發(fā)送指令延時，是主站發(fā)送命令到從機延時的時間；t3為軟件接收指令延時，是從機響應(yīng)命令到主站延時的時間。增加RS485分配器后，數(shù)據(jù)刷新時間增加了14 ms。

3.6 Modbus協(xié)議響應(yīng)機制分析

根據(jù)Modbus RTU數(shù)據(jù)幀報文規(guī)范，設(shè)備響應(yīng)時間間隔應(yīng)嚴格按照要求數(shù)據(jù)幀間距≥3.5個字符設(shè)置，發(fā)送幀內(nèi)間隔應(yīng)嚴格按照數(shù)據(jù)幀內(nèi)字符間距≤1.5個字符設(shè)置，從而保證收發(fā)協(xié)議有序規(guī)則的傳輸。若出現(xiàn)某些設(shè)備廠家接收幀間間隔不滿足規(guī)范要求的情況，則需要在RS485分配器配置延時命令，插入適配的延時幀，使得2幀之間間隔≥3.5字符，從而保證系統(tǒng)可識別出2幀數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

RS485分配器通過隊列機制有效解除了RS485數(shù)據(jù)沖突問題，實現(xiàn)將一體化電源監(jiān)控信息同步至2個主機，保證了數(shù)據(jù)的完整性和時效性。本文的研究為一體化電源監(jiān)控納入通信輔助監(jiān)控提供了新思路，可有效提高通信專業(yè)對一體化電源的專業(yè)管理水平。