摘 要：通過對485總線的物理隔離，達到減小公共阻抗耦合面積，降低節點間相互干擾程度的目的。在變電站惡劣的電磁環境中，這種485 HUB星型總線能防止出現一路節點的靜態感應電壓過大、瞬態脈沖強壓以及信號線差分短接等故障所造成485總線全面癱瘓的情況。 關鍵詞：485總線;公共阻抗耦合;485 Hub星型總線;可靠性 一、 概述 　　一些變電站采用支持多節點遠距離通信的RS-485總線作為局部監控系統的通信網絡，但是由于485總線的物理結構決定了在變電站強電磁環境的通信過程中需要解決其節點間存在的相互干擾這一問題，以此提高系統的可靠性。 二、 節點間的相互干擾對總線的影響 　　485總線上所有的下位機共享一個信號通道，這種物理結構增加了節點間的公共阻抗耦合，節點之間產生相互干擾，因此在很大程度上降低了系統的可靠性。 　　首先，變電站的變壓器、中控室以及輸電線都會通過輻射在附近的通信線上感應出干擾電壓，我們在對485總線上某一節點A測量時發現： 　　測量結果顯示：節點間的電磁耦合對感應電壓的幅值及頻率都有很大影響。由于通信線為雙絞線，兩根通信線上的感應電壓可認為幅值及相位均相同的共模電壓。但是雙絞線的扭曲不可能完全一致，節距也不盡相等，所以線間會出現差模電壓。根據文獻[1]提供的測量共模電壓累計概率分布圖及概率公式，計算出 共模電壓落入差模電壓的概率為 ，而485驅動/接收器接收到 的電壓時就會動作。因此，節點間的相互干擾增加了共模電壓數值以及出現差模信號的比例，從而增大系統誤動作的概率。 　　其次，變電站變壓器開關動作時將產生瞬變電磁場。圖1、圖2為某500kV變電站隔離開關斷開時，某控制信號線中感應出的暫態電壓電流波形。 [align=center] 圖 1 控制線中的暫態電壓 圖 2 控制線中的暫態電流[/align] 　　可以看出，變壓器附近或者與之相連節點的信號線上的瞬間感應電壓/電流均遠高于485驅動/接收器的閾值電壓（12V）/電流（250mA），因此，沒有良好的限壓裝置將燒毀節點的485驅動/接收器，更危險的情況是，總線上其它的節點將通過公共回路的耦合，必然感應出相同幅值的高壓，使總線上所有的節點都受到影響。 　　最后，變電站室外通信電纜屏蔽層會由于自然磨損、施工不當或惡意破壞等因素，出現兩根通信線短接，致使總線上一直處于邏輯0的狀態。根據RS-485協議，下位機把其解釋為一個新的數據起始位并且試圖讀取后續的數據位，由于永遠不會有停止位, 這便會產生一個幀錯誤結果,因此也就不會再有節點請求總線，網絡將陷于癱瘓狀態。 三、 解決方法 　　盡管可以通過改善變電站現場工作環境，降低電磁污染，增加限壓裝置以及利用短路偏置等方法提高RS-485總線的穩定性，但是，不從根本上去隔離出現故障的節點，整個總線系統都將無法工作，因此只有提高總線自身的可靠性，才能保證系統穩定工作。基于此，本文所提出的485 HUB 星型總線一方面從物理結構上完全隔離節點，同時還從軟件上提高抗干擾能力，減少相互間干擾。 　　3.1 物理隔離 　　485 HUB中，采用與下位機數目相同的485驅動/接收器，分別與所有節點一一對應，各自獨立完成本節點的發送/接收數據包的任務。首先，HUB上的單片機截獲上位機發送的數據包，進行地址確認后，控制HUB中與這個地址節點相對應的485驅動器輸出使能端，再將截獲的數據包原封不動的發送給驅動器，發送完成后，自動將驅動器轉換為接收器，等待下位機的反饋信息。HUB中其它485驅動/接收器的使能端沒有受到控制指令，不改變狀態，只有選通的節點獨立通信。 　　結構示意圖： 　　3.2 軟件設計 　　在程序中加入信息的多重判斷、自動檢驗、系統運行狀態監視與發生故障時的自動恢復等語句，一旦出現差模干擾導致的誤碼和亂碼，經過程序辨別后，可以直接屏蔽。 　　為了防止干擾導致程序失控陷入死循環，采用時間監視器Watchdog芯片Max813L，監控程序的運行以及單片機的電源供電。 　　軟件流程圖： 　　3.3 數據隔離 　　數據隔離的目的是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開，使現場執行裝置與上位控制主機保持信號聯系，但不直接發生電的聯系。在485 HUB中，在反饋信息的回路中加入高速光電耦合隔離器6N137，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸出回路的一側。 　　使用485 HUB后，再次測量相同位置的節點A，其測量值如下表： 　　1. 從測量值中可以看到，485 HUB中節點之間的干擾明顯減小，物理隔離保證了節點的獨立性。 　　2. 經過試驗驗證，485 HUB中即使某節點發生短路故障，其它節點仍能正常工作。 　　3. 由于變電站的實際情況，本次測試沒有捕捉到變壓器開關動作時HUB端的感應電壓，但通過實驗室環境模擬，當高于驅動器閾值的瞬態脈沖電壓出現在某路節點的通信線上時，其它節點沒有受到干擾。 　　因此，485 HUB星型總線保證了當一路節點出現強電磁干擾或短路問題時，不會影響總線的其它節點，提高了MTBCF ，降低了MTTR，系統的可靠性得到改善。 四、 結論 　　就其物理結構而言，這種485 HUB星型總線不同于傳統意義上的485總線，每個485驅動/接收器并沒有實現一發多收的總線功能，而是以點對點的星型連接實現了485 HUB的功能，可以說本方案中系統可靠性的提高是以增加485驅動/接收器的數目為代價的。但是，485 HUB結構簡單，對工作環境要求不高，其高可靠性和穩定性特別適用于變電站這種遠程控制系統，因此就其性價比而言，超過了傳統的485總線。 　　RS-485 HUB星型總線已經運用在一些變電站遠程控制系統中，運行穩定，抗干擾能力較之以前有所提高，可以滿足現場要求。 參考文獻： 　　[1] 祿貴禎 蔣克華 通信系統中的電磁兼容理論與技術[M] 北京廣播學院出版社 2000 　　[2] Jan Axelson （著） 精英科技 （譯）串行端口大全[M] 中國電力出版社 2001 　　[3] 孫竹森 張禹芳 張廣州等 500KV變電站的電磁騷擾和防護措施的研究（一） 高電壓技術[J] 2000年2月