6kV 高壓開關(guān)柜通信線路的改進(jìn)

孟 杰 賈曉東

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024；2.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035）

某變電站6kV系統(tǒng)使用珠海萬利達(dá)系列微機(jī)線路（電容器）保護(hù)測(cè)控裝置，監(jiān)控系統(tǒng)為南瑞NS2000監(jiān)控裝置。通過NCS222通信控制器進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后送到后臺(tái)機(jī)。6kV系統(tǒng)與通信控制器通過485總線通信，110kV系統(tǒng)與通信控制器通過CAN總線通信，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

為了提高提高485通信網(wǎng)的可靠性，通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，增強(qiáng)總線的抗干擾能力，需選用合適的485通信電纜，選用合理的接線方式和布線路徑。

1 電纜的選擇

1.1 雙絞線傳輸速率與距離的關(guān)系

RS485采用雙絞線作為傳輸媒體，最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbit/s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kbit/s的傳輸速率下，可以達(dá)到最大的通信距離，100m長雙絞線最大傳輸速率可達(dá)到1Mbit/s。如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。

1.2 電纜的特性阻抗

在通信總線上信號(hào)源發(fā)出的功率越大，信號(hào)在通信線上傳輸?shù)脑竭h(yuǎn)。信號(hào)源內(nèi)阻抗r一定，當(dāng)負(fù)載阻抗和信號(hào)源內(nèi)阻抗之間達(dá)到一種特定配合關(guān)系時(shí)，信號(hào)源輸出功率最大，這種配合關(guān)系叫做阻抗匹配。設(shè)信號(hào)源是電動(dòng)勢(shì)為ε電源，通信線是阻抗為R的負(fù)載，通過電路的電流強(qiáng)度為I，電源輸出功率為P出，根據(jù)全電路歐姆定律

則

當(dāng)外電路電阻R等于電源內(nèi)電阻r時(shí)，信號(hào)源輸出功率最大

如果信號(hào)源和通信線不匹配，既會(huì)影響信號(hào)源的輸出頻率和功率的穩(wěn)定性，又使信號(hào)源不能給出最大功率，負(fù)載又不能得到全部的入射功率。RS485的輸出特性阻抗一般在120Ω以上，因而選用特性阻抗為120Ω的通信電纜是保證信號(hào)高速穩(wěn)定傳輸?shù)氖滓獥l件。

1.3 電纜的選擇

RS485通信距離與對(duì)應(yīng)電纜（特性阻抗120Ω）的導(dǎo)體截面積也有一定關(guān)系，見表1。

表1 RS485最大無中繼傳輸距離

綜合以上對(duì) 485通信線的要求，根據(jù)某變電所6kV開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置與通信控制器的距離（＜100m）和每條通信總線上所掛接的設(shè)備數(shù)量（11個(gè)），考慮日后通信點(diǎn)數(shù)的增加，選擇型號(hào)為RVVSP4×0.3的485通信專用電纜作為通信線，特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)分別如表2和如圖2所示。

2 接線方式和布線路徑

2.1 連接方式

RS485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

表2 電纜特性參數(shù)

圖2 RVVSP4×0.3結(jié)構(gòu)圖

圖3 總線型結(jié)構(gòu)

引出線增加了總線上的接點(diǎn)、接頭的處理、引出線屏蔽的處理，這些都會(huì)導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾性和可靠性的降低，于是將總線型結(jié)構(gòu)簡化去掉總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線，得到如圖4所示的手牽手的總線拓?fù)洹?/p>

圖4 簡化后的總線型結(jié)構(gòu)

2.2 變電所內(nèi)的干擾

在變電所的6kV配電室內(nèi)，電磁場環(huán)境非常復(fù)雜，存在以下幾種干擾源：工頻 50Hz干擾、高頻干擾、雷電引起的干擾、控制回路產(chǎn)生的干擾、高能輻射設(shè)備引起的干擾。這些干擾信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致通信傳輸信號(hào)的不穩(wěn)定，因此需要通過一些措施將干擾盡可能的降低。

2.3 雙絞線的抗干擾性能分析

使用雙絞線在抑制外部磁場干擾時(shí)效果非常有效。雙絞線消除干擾的原理如下所述：

干擾信號(hào)對(duì)扭絞雙線回路的干擾，見圖5。雙線回路在中點(diǎn)位置進(jìn)行了一次扭絞。在L1上存在干擾電流I11和I12，在L2上存在干擾電流I21和I22, 干擾電流I=I21+I22-I11-I12，由于兩段線路的條件相同，所以，總干擾電流I=0。

圖5 擾信號(hào)對(duì)扭絞雙線回路的干擾

選用的RVVSP4×0.3，扭絞長度為1.5cm，按逆時(shí)針方向扭絞。相臨線對(duì)的扭絞長度為12.7cm，所以為了取得更好的抗干擾效果 485+和 485-接在一對(duì)互為雙絞的信號(hào)線上。

2.4 屏蔽電纜的接地

采用通信電纜屏蔽層接地是抑制電磁干擾最有效和最廉價(jià)的方法。

1）接地方式的選擇

通信電纜的屏蔽層接地分為懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。單點(diǎn)接地是指設(shè)備中信號(hào)電路先參考于一點(diǎn)，然后把該點(diǎn)接至設(shè)施的接大地系統(tǒng)，如圖6所示。其優(yōu)點(diǎn)是簡單實(shí)用，地線上其他部分的電流不會(huì)耦合進(jìn)電路。

圖6 單點(diǎn)接地

根據(jù)485通信的特點(diǎn)選擇單點(diǎn)接地作為通信電纜屏蔽層的接地方式，具體做法為一條總線上到各設(shè)備通信線的屏蔽層連為一體在一端接地。這樣各保護(hù)裝置及通信控制裝置都置于同一等電位平臺(tái)上，這個(gè)等電位面應(yīng)該與地網(wǎng)只有一點(diǎn)的聯(lián)系，這樣的等電位面的電位，可以隨著接地網(wǎng)的電位變化而浮動(dòng)，同時(shí)也避免地電位差串入等電位面，從而保持各聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的地之間無電位差，保證聯(lián)網(wǎng)通信的可靠運(yùn)行。

2）采用一點(diǎn)接地時(shí)的干擾情況分析

圖7 一點(diǎn)接地時(shí)的干擾情況

屏蔽電纜的干擾源在外導(dǎo)線中產(chǎn)生的干擾磁通以虛線同心圓表示，這些磁通的一部分包圍屏蔽電纜心和其屏蔽層（可近似認(rèn)為包圍這兩種的磁通相等），如圖7（a）所示。它在電纜心和屏蔽層中感生一電勢(shì)Es，產(chǎn)生屏蔽層電流Is，如圖7（b）所示。電勢(shì)Es等于屏蔽層電流在屏蔽層電阻Rs和自感抗上Xs的電壓降落，即：Es=IsRs+jIsXs。屏蔽層電流所產(chǎn)生的磁通包圍著屏蔽層，也全部包圍著電纜心，這些磁通和外導(dǎo)線產(chǎn)生的干擾磁通方向相反，故稱為反向磁通，在圖7（a）中以實(shí)線同心圓表示。按電磁感應(yīng)原理可知，在理想情況下，如果屏蔽層電阻為零，這種反向磁通可將干擾磁通全部抵消，即反向磁通在電纜心中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)Er和干擾磁通在電纜心中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)Es大小相等，方向相反。設(shè)屏蔽層對(duì)電纜心的互感抗為Xm，則：Er=IsRs-jIsXm。

因屏蔽層將電纜心完全包圍在內(nèi)，故Xm=Xs。從上式可看出，如果屏蔽層電阻Rs=0，則 Es=-Er。但是屏蔽層不可能沒有電阻，因此干擾磁通在電纜心中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)不能被抵消的部分為Es+Er=IsRs，即與屏蔽層的電阻成正比。因此，在通信電纜屏蔽層一點(diǎn)接地系統(tǒng)中，干擾電勢(shì)的大小與屏蔽層的電阻率有關(guān)，要有效地消除電磁耦合的干擾，就必須采用電阻率小的材料做成屏蔽層。

我們選用的通信電纜RVVSP 4×0.3屏蔽層采用純銅編織網(wǎng)90%覆蓋，有效地阻止干擾源對(duì)通信信號(hào)的干擾。總體線路如圖8所示。

2.5 布線路徑的選擇

圖8 改進(jìn)后通信線路圖

485通信線布線路徑應(yīng)盡量避免與大功率電力線平行，更不能穿在同一管內(nèi)。電纜溝內(nèi)大量的6kV電纜在周圍形成一個(gè)很強(qiáng)的電磁場，此次改造由于條件的限制，盡量減少485通信線在電纜溝內(nèi)布線，電纜溝內(nèi)的通信線固定在溝壁上，盡量遠(yuǎn)離電力線路，遠(yuǎn)離干擾。

3 結(jié)論

通過使用阻抗匹配的485通信專用電纜，和規(guī)范化的接線方式，使6kV通信系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、有了很大的提高，尤其在抗干擾性能方面增加了屏蔽一點(diǎn)接地和使用雙絞線雙重抗干擾措施。通信系統(tǒng)可靠性和抗干擾性的提高，降低了在遙控操作時(shí)出現(xiàn)“遙控失敗”的機(jī)率，縮短了簡報(bào)信息的上傳時(shí)間，為運(yùn)行人員分析問題，處理問題提供了準(zhǔn)確及時(shí)的信息，為事故狀態(tài)下恢復(fù)供電贏得了時(shí)間，減少了損失。

[1]余錫存等主編.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

[2]馬駿嬌編寫.基于 485總線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2004.

[3]虞日躍,史洪.RS一485總線的理論與實(shí)踐[J].電子技術(shù)應(yīng)用,200l.

[4]馬新平.NSC系列通信控制裝置技術(shù)使用說明書,2004 V3.01.