瑞麗江水電站LCU組網(wǎng)方式優(yōu)化

張顯兵，張 捷

（北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

瑞麗江水電站位于緬甸境內(nèi)，離中國(guó)瑞麗口岸直線距離60 km，裝機(jī)6臺(tái)，單機(jī)容量100 MW。電站按照一廠兩站接線設(shè)計(jì)，即在電氣上分為兩座電站，電站以220 kV（230 kV）/66 kV二級(jí)升高電壓分別向中緬送電。該電站在生產(chǎn)管理上采取一室兩控的管理方式，即緬方人員和中方人員共同在中控室接收各自國(guó)家調(diào)度的指令，控制各自的機(jī)組。

1 優(yōu)化前的狀況

瑞麗江水電站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地部分采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每一套LCU都是一個(gè)獨(dú)立的控制設(shè)備單元，對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集和控制。全廠現(xiàn)地部分主要包括：

6套機(jī)組LCU，1套開(kāi)關(guān)站LCU，1套壩區(qū)LCU，1套公用LCU，1套電能計(jì)量LCU。除電能計(jì)量LCU之外，其它所有LCU均由可編程控制器組成。

現(xiàn)地層的PLC采用S908 RIO總線方式，物理介質(zhì)為同軸電纜；廠站層與現(xiàn)地層之間的數(shù)據(jù)通信采用光纖作為通信介質(zhì)，該模式采用雙網(wǎng)采集、控制方式，保證了在任何一條鏈路出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，另外一條鏈路可以正常采集、控制現(xiàn)地LCU的數(shù)據(jù)；電能計(jì)量LCU負(fù)責(zé)采集電站的電量，并通過(guò)通信方式將電度量上送到遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)地觸摸屏與CPU之間通過(guò)ModBus總線通信，并可以保證在主、備用CPU發(fā)生切換的情況下，觸摸屏仍然可以采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S908總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期運(yùn)行，S908 RIO通信的弊端日益顯露。多次隨機(jī)出現(xiàn)單個(gè)子站全部信號(hào)復(fù)歸的現(xiàn)象，以及主站模塊報(bào)ErrorA 或者ErrorB,產(chǎn)生此類故障的原因，主要如下。

（1）同軸電纜連接附件較多，因而故障點(diǎn)較多。S908 RIO總線涉及到的設(shè)備有總線主站模塊、總線子站模塊、主站分支器、子站分離器、同軸電纜及終端電阻，每個(gè)元件都是理論上的故障點(diǎn)，每次出現(xiàn)故障，都需要逐一排除排查。

（2）同軸電纜與分支器/分離器接頭的地方松動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間氧化而接觸不實(shí)，分支器/分離器質(zhì)量不好或受到損傷或老化導(dǎo)致通信性能下降。S908 RIO總線長(zhǎng)期在振動(dòng)、粉塵的環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備之間的連接由于長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)及粉塵，容易出現(xiàn)接觸不良，氧化等問(wèn)題。

（3）同軸電纜的反射特性，導(dǎo)致連接的同軸電纜長(zhǎng)度至少為2.2 m[1]。同軸電纜的最小長(zhǎng)度限制，導(dǎo)致盤內(nèi)布線擁擠，盤柜之間同軸電纜的布線難以規(guī)范，布線的不規(guī)范容易造成同軸電纜接觸不良。

（4）外界強(qiáng)電磁干擾、制作和安裝工藝不合格產(chǎn)生型號(hào)衰減。，同軸電纜且對(duì)彎曲半徑要求較高，而同軸電纜都是手工制作，這對(duì)同軸電纜的制作、安裝要求很高，加之電磁干擾的運(yùn)行環(huán)境，導(dǎo)致S908總線在通信時(shí)發(fā)生遲滯。

2 優(yōu)化方法

2.1 優(yōu)化原則

監(jiān)控系統(tǒng)LCU按“總體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施”方案進(jìn)行，無(wú)擾接入的要求。LCU組網(wǎng)方式優(yōu)化需滿足以下基本要求：

（1）系統(tǒng)配置和設(shè)備的選型符合技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)，硬件、軟件采用成熟、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品，又要適應(yīng)功能的增加和系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。

LCU設(shè)備需采用冗余工作方式設(shè)計(jì)。主、備用CPU熱備冗余設(shè)計(jì)可以在主用CPU發(fā)生故障的同時(shí)，將備用CPU升格為主用CPU，同時(shí)，由于主用CPU在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)將控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到備用CPU，所以，在發(fā)生主、備用CPU切換的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)任何擾動(dòng)現(xiàn)象影響外圍設(shè)備的運(yùn)行；系統(tǒng)采用冗余數(shù)據(jù)的采集、控制結(jié)構(gòu)，每套CPU都可以通過(guò)A、B兩套I/O數(shù)據(jù)網(wǎng)對(duì)遠(yuǎn)程I/O實(shí)施采集和控制，任何一套網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，CPU都會(huì)自動(dòng)從另外一套網(wǎng)絡(luò)上獲得遠(yuǎn)程I/O信息數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)采集與控制的可靠性；

（2）實(shí)時(shí)性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適用電廠的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，易于維護(hù)。

LCU設(shè)備需要有對(duì)I/O模塊的故障診斷功能并支持對(duì)I/O模塊的熱插拔。需支持所有I/O模塊的質(zhì)量狀態(tài)，當(dāng)某一塊模塊出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，可以采集到該模塊的故障信息，某些模塊甚至可以采集到模塊中每個(gè)通道的故障信息，程序會(huì)自動(dòng)判斷模塊及通道的質(zhì)量狀態(tài)，在某個(gè)模塊或某個(gè)通道出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，程序會(huì)閉鎖與該模塊或通道相關(guān)的控制輸出，不會(huì)影響LCU的正常運(yùn)行及對(duì)外部設(shè)備的正常控制；當(dāng)模塊出現(xiàn)故障的時(shí)候，運(yùn)行人員可以在帶電的情況下更換I/O模塊，不會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

（3）最大限度的利用現(xiàn)有硬件設(shè)備，小范圍改動(dòng)。最大限度的壓縮改動(dòng)的范圍，以減低升級(jí)成本、縮短升級(jí)的周期。

（4）分步實(shí)施過(guò)程中，未優(yōu)化和已優(yōu)化LCU需并列運(yùn)行。優(yōu)化方案需充分考慮升級(jí)過(guò)程中，已升級(jí)和未完成升級(jí)的LCU同時(shí)運(yùn)行時(shí)的對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的影響，保障兩者能夠同時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 優(yōu)化內(nèi)容

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)LCU的實(shí)際情況，決定采用QEIO網(wǎng)絡(luò)替換S908 RIO總線的方法[2]，實(shí)現(xiàn)LCU組網(wǎng)方式的優(yōu)化。更換S908總線主站模塊140CRP93200為QERO 網(wǎng)絡(luò)主站模塊140CRP31200；更換S908總線子站模塊140CRA93200為QERO 網(wǎng)絡(luò)子站模塊140CRA31200；更換新版本的CPU模塊140CPU67160。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 QEIO總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

具體實(shí)施步驟如下：

（1）連接PLC控制器，備份CPU程序，并檢查確認(rèn)傳輸至其它系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)是否需要強(qiáng)制設(shè)定。

（2）斷 開(kāi)PLC供 電 電 源，拆 除PLC模 件140CPU67160、140CRP93200、140CRA93200，拆除分離器、分支器、終端電阻、同軸電纜等附件。

（3）安 裝140CRP31200模 塊、140CRA31200模塊，以及新版本的140CPU67160模塊，安裝QEIO電纜。

（4）更改軟件配置。修改CPU、CRP、CRA的配置，修改相應(yīng)診斷程序及健康系統(tǒng)狀態(tài)字，重新大編譯LCU程序。

（5）合上PLC供電電源，download新程序，測(cè)試信號(hào)的上傳下送。

3 優(yōu)化的成果

此次LCU組網(wǎng)方式優(yōu)化，有以下成果：

（1）工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展迅猛，QEIO代表未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，保障了技術(shù)的先進(jìn)性。目前，各主流控制器的工業(yè)總線，都逐漸支持工業(yè)以太網(wǎng)，為將來(lái)各設(shè)備間的互聯(lián)互通，創(chuàng)造了便利條件。QEIO將逐步替代S908、Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線，成為統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線。

（2）改動(dòng)范圍小，風(fēng)險(xiǎn)小，周期短。現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的設(shè)備較少，控制柜的布置不需要做改動(dòng)，除了拆除S908總線，安裝以太網(wǎng)連接電纜，其他信號(hào)電纜均不需要重新敷設(shè)。控制器也沒(méi)有變化，只是提高了OS版本，以支持QEIO模塊。硬件方面的改的極小，大大縮短了升級(jí)的周期，在電廠小修的間隙，即可以完成升級(jí)工作。

（3）最大限度的保留了原有設(shè)備，節(jié)省成本。升級(jí)為QEIO組網(wǎng)，原有的信號(hào)采集模件如開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、中斷量模塊、模量量輸入模塊、溫度量輸入模塊都可以保留，繼續(xù)使用，大大減輕了升級(jí)的成本。

（4）子站通信吞吐量大大增加，改善CPU與I/O子站的通信速率，同時(shí)方便以后I/O子站的拓展。S908的典型速率是1.544M，QEIO通信速率為理論100M，提高74.77倍。由于通信速率的提高，每一個(gè)遠(yuǎn)程子站的通信容量也大幅提高：S908的組網(wǎng)方式，每一個(gè)遠(yuǎn)程子站通信上限值是輸入輸出各64字；而對(duì)于QEIO模式，這一上限值為400字，通信能力提高6.25倍。因此，QEIO組網(wǎng)方式可以根據(jù)需要配置IO模塊，而不必考慮通信上限的限制。也就是說(shuō)，QEIO在子站的模塊組網(wǎng)方面更加靈活，對(duì)于子站模塊的拓展，提供了足夠的支撐。

（5）網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)由同軸電纜改為以太網(wǎng)，布線簡(jiǎn)單、診斷更加方便，減少維護(hù)工作量。以太網(wǎng)成本低，盤柜內(nèi)或者盤柜間，安裝都很方便。使用的都是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)線，可以方便擴(kuò)充為光纖方式，可以大大延長(zhǎng)通信距離，接口穩(wěn)定，日常維護(hù)的工作量小。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)水電站LCU而言，穩(wěn)定可靠，易于維護(hù)是衡量其安全性能的重要指標(biāo)之一，隨著工業(yè)以太網(wǎng)通信的快速發(fā)展，QEIO網(wǎng)絡(luò)必將逐步替代S908 RIO。本文中所述的優(yōu)化方法，為同類型水電站進(jìn)行LCU升級(jí)優(yōu)化提供了重要參考。