多表合一信息采集器M-bus接口保护设计及检测方法研究□ 中国电力科学研究院 唐悦 刘宣 摘要：本文介绍了用于“多表合一”信息采集系统的信息采集器主要功能和接口要求，特别分析了采集器M-Bus接口的主要功能和技术指标。针对采集器M-Bus接口的特点设计了防护方案，在M-Bus接口出现过压和过流故障时保护采集器不损坏，同时保护M-Bus接口下所接水、气、热等计量表计不损坏，并针对采集器M-Bus接口功能和电气性能设计了相应的检测方法。 关键词：多表合一；采集终端；M-Bus接口保护；检测方法 引言目前我国正处于城镇化快速发展时期，全国多地开展了智慧城市、智慧小区的建设，国网公司依托于智能电表和用电信息采集系统覆盖广泛的采集终端和通信资源，融合智能电、水、气、热表计，实现跨行业的用能信息采集和数据资源共享。“多表合一”信息采集作为一种新型用能服务模式，充分利用用电信息采集系统设备和信道资源，通过加装多表信息采集设备，实现用能客户电、水、气、热表数据的同步采集，极大提高抄表工作效率，对于构建“智慧城市”、提升公共服务水平、集约社会公共资源、服务群众最后一公里等工作具有重要意义，因此亟需针对“多表合一”信息采集系统设备接口保护设计和检测方法开展相关研究。 1、概述用于“多表合一”信息采集系统的采集器主要用于采集电、水、气、热多种表计的数据，并将所采集的数据通过采集集中器上传至采集主站，实现“多表合一”的数据采集。目前智能电能表的数据采集接口为RS-485接口，水、气、热智能表计的数据接口有无线（微功率无线）和有线（无源RS-485、M-Bus）两种方式。为采集电、水、气、热智能表计的数据，采集器也具有以上三种接口类型。 采集器M-Bus接口主要用于采集水、气、热表计数据，其M-Bus接口的供电质量直接影响水、气、热表计数据的采集，因此需根据M-Bus接口主要功能和电气性能特点，设计满足M-Bus接口保护要求的方案，在M-Bus接口出现过压和过流故障时保护采集器不损坏，同时保护M-Bus接口下所接水、气、热等计量表计不损坏。 2、M-Bus接口要求M-Bus是一种低成本的一点对多点的总线通讯系统，具有通讯设备容量大（500点），通讯速率高（9600bps），成本低，设计简单，布线简便（无极性可任意分支，普通双绞线），并总线可提供高达500mA电源的特点。 采集器主M-Bus接口为M-Bus总线提供工作电源，从M-Bus接口可接收其他采集设备的抄表数据帧，并将其转发至主M-Bus接口，传至M-Bus总线。主/从M-Bus接口电气指标应满足EN 13757-2标准的要求，即主M-Bus接口电气参数应满足表1的要求，从M-Bus接口电气参数应满足表2的要求。 表1 M-Bus节点信号发送规格要求（电压源）  逻辑值标识取值范围1 Vmark 22V≤Vmark≤42V 0 Vspace 12V≤Vspace≤Vmark-10V 表2 M-Bus节点信号接收规格要求（电流源）  逻辑值标识取值范围1 Imark 0mA≤Imark≤1.5mA 0 Ispace Imark+11mA≤Ispace≤Imark+20mA 3、保护设计方案3.1 过流保护 主/从M-Bus接口的过电流保护可采用可恢复保险丝实现。当线路发生短路或过电流时，流经自恢复保险丝的大电流产生的热量，自恢复保险丝形成高阻状态，使工作电流迅速减小，从而对回路电流进行限制和保护。当过电流故障排除后，自恢复保险丝冷却，自恢复保险丝恢复为低阻状态，重新形成导电通路，恢复正常工作状态。另外，也可根据M-Bus带载要求选择适当阈值的聚合开关做限流保护。 3.2 过电压保护 3.2.1 防输出过电压 由于采集器内部电路损坏或其他元器件故障，造成其M-Bus接口电压输出异常的情况，可采用多级隔离控制的方式加以防护，通过设计隔离变压器、M-Bus电源输出控制单元和增加M-Bus电压监测电路，实现M-Bus接口电压的输出控制，输出电压保护原理如图1。  图1 M-Bus输出电压保护原理框图 220V交流供电电源与M-Bus电源间通过隔离变压器进行隔离，隔离变压器可将交流电源异常进行隔离，其自身失效时为开路，因此交流220V电压不会串入其后的电路。 采集器主M-Bus接口输出原理如图2，电源输出控制单元可对主M-Bus接口输出电压进行控制。若电源输出控制单元受损后，端口出现异常情况，通常有以下几种组合,如表3。采集器主M-Bus接口在电源输出控制单元受损时也不会输出超过40V的电压。  图2 主M-Bus接口输出原理示意图 表3 M-Bus接口电源输出异常情况表  控制开关端口输出K1 K2方式 1方式 2开路短路24V 24V开路开路0V 0V短路开路36V 36V短路短路24V 36V 再在M-Bus输出回路中设置电压监测电路，当电路失效导致M-Bus输出电源电压超过42V时，可通过MOS管或继电器关断M-Bus输出电源。电压监测电路参数可根据需要进行调整，如：控制M-Bus输出电压在42V至264V（220V+20%）。当输出电压在设定值内时，MOS管或继电器发生保护动作，从而切断接口输出，保护接入设备。 3.2.2 防输入过电压 对于采集器M-Bus接口外部误接高压（交流220V）的防护措施可采用聚合开关加稳压管方式和压敏加热敏电阻方式。 a) 聚合开关加稳压管方式。根据M-Bus带载要求选用相关保护参数，如要求M-Bus接口需带载128个表计，则每路M-Bus最大带载为256mA，在留取约40%余量的情况下，可选择400mA阈值的聚合开关做限流保护。当M-Bus接口电压过高，使线路电流大于400mA时聚合开关发生保护动作，使线路断开。根据M-Bus输出电压值，选择对应的稳压管进行电压钳位。M-Bus输出电压值范围为22V至42V，如设计值为36V，可选择40V稳压管进行电压钳位，当电压过高时稳压管发生动作。此时稳压管处于低阻状态，线路电流增大，可加快限流保护的聚合开关保护动作。 b) 压敏加热敏电阻方式。在误接到220V时，压敏电阻会动作。当在短时间（约2s以下）作用时，压敏电阻会因短路、瞬间功率大而发热，热敏电阻动作加速M-Bus接口关断，从而保护后端的电路能够正常工作。当在长时间（大概5s以上）作用时，压敏电阻会因短路的功率过大而损坏，但可保护后端的M-Bus电路，重新更换压敏电阻后可正常运行。压敏和热敏电阻为阻性负载，会使M-Bus接口的输出效率降低，增加终端功耗。 4、检测项目和方法4.1 绝缘性能 采集器M-Bus接口应进行绝缘性能的检测，试验项目应包括：接口绝缘电阻测试、绝缘强度测试、冲击耐压测试。试验前采集器应盖好外壳和端子盖板，不进行试验的电气回路应短路并接地；试验时采集器不应发生闪络、破坏性放电和击穿；试验后采集器M-Bus接口不应损坏，各项功能应正常。 进行测试的电气回路应包括：a) 主M-Bus接口与地间；b) 从M-Bus接口与地间；c) 主M-Bus接口与电源回路间；d) 从M-Bus接口与电源回路间；e) 主与从M-Bus接口间。 各试验项目施加于各试验回路的测试电压如表4。 表4 绝缘性能测试电压表  测试回路绝缘电阻测试电压绝缘强度测试电压冲击耐压测试电压主M-Bus接口与地间250V 500V 2000V从M-Bus接口与地间250V 500V 2000V主/从M-Bus接口与电源回路间250V 4000V 6000V主与从M-Bus接口间250V 500V 2000V 4.2 过电流测试 采集器主M-Bus接口为M-Bus总线提供工作电源，其正常工作时所能接入最大从节点数量，即是采集器主M-Bus接口驱动带载能力，当接入节点数量过多，超过主M-Bus接口带载能力时，主M-Bus接口将无法正常工作。采集器应设计保护电路限制其主M-Bus接口回路的电流。虽然不同的采集器设计的电流限值各不相同，但主M-Bus接口是供电接口，其回路最大电流应为短路电流。 因此采集器主M-Bus接口的过电流测试可将测试接口短接，采集器应能进行接口过载告警指示。分开短接线路后，采集器主M-Bus接口不应损坏，各项功能应正常。 4.3 过电压测试 采集器从M-Bus接口为接入上行M-Bus总线接口，上行M-Bus总线电压的升高会造成采集器从M-Bus接口故障。采集器应设计从M-Bus接口的耐压保护电路。M- Bus总线接口标准要求总线电压为直流22V～42V，按总线电压浮动10%计算，总线上的最大电压约为直流50V。 因此采集器从M-Bus接口的过电压测试可将测试回路接入直流50V，持续时间30分钟，采集器应能进行告警指示。当回路电压恢复正常时，采集器从M-Bus接口不应损坏，各项功能应正常。 5、结论用于“多表合一”信息采集系统的通信接口转换器，其M-Bus接口主要用于采集水、气、热表计数据。M-Bus接口的供电质量直接影响水、气、热表计数据的采集，需根据M-bus接口的过压和过流故障进行相应的保护设计。造成M-bus接口的电压超限值一般可分为两种情况：一是采集器内部电路损坏造成M-Bus接口输出电压超限值，二是外部M-bus接口总线电压异常。在采集器中设计隔离变压器、电压监测和控制电路，以及加入聚合开关、稳压管、压敏和热敏电阻等方式，可对采集器M-Bus接口形成一定的保护。 另外，M-Bus接口输出电压一般不会高42V，虽然高于36V安全电压，但其输出电流很小，因此不会对人身安全产生较大影响。本文所述M-Bus接口保护方案，均为针对采集器M-Bus接口的设计提出，采用M-Bus接口的智能水、气、热表计可参考设计。 参考文献： [1] “多表合一”远程集中采集的建设及应用前景浅析, 王化雨[J]. 山东工业技术，2016 [2] 多表合一采集应用建设浅析, 周平星，[J]. 中国新通信，2016 [3] 水电气“多表合一”的一体化采集实践, 吴海平、蔡晓岳、秦丽华，[J]. 中国电力企业管理，2016 [4] EN 13757-2-2005 Communication Systems For And Remote Reading Of Meters - Part 2: Physical And Link Layer（表计远程通信系统.第2部分：物理和链路层） [5] “多表合一”构建能源服务新模式的探讨, 巫志平、洪雅婷、冯舒宁，[J]. 电力需求侧管理，2016 DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2017.06.003 |
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