光纖中繼器在水電站控制應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)及改進(jìn)

劉興勝

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電工程建設(shè)管理局，云南 迪慶674606）

0 引言

光纖通信因?yàn)閭鬏斶h(yuǎn)、速度快、信息傳遞質(zhì)量高、抗電磁干擾、信息傳輸量大等諸多優(yōu)勢[2]，在工業(yè)、民用、互聯(lián)網(wǎng)、電站及各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，尤其在現(xiàn)在信息化時(shí)代，光纖通信更成為信息傳輸?shù)闹匾侄巍Ｔ诠饫w通信中，光纖中繼器作為重要的光傳輸設(shè)備也不可避免的得到廣泛應(yīng)用。

水電站作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，各樞紐建筑物、功能設(shè)備布置較為分散，土建、機(jī)電、金屬結(jié)構(gòu)的觀測、控制設(shè)備繁雜、信息量大，信息傳輸要求高，因此，性能優(yōu)異的光纖通信在水電站上得到廣泛應(yīng)用。但光纖通信在果多水電站使用中，由于設(shè)計(jì)和設(shè)備原因，出現(xiàn)了一些問題，導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，事件具體情況如下。

1 果多水電站概況

果多水電站位于西藏自治區(qū)昌都市境內(nèi)，為扎曲西藏段水電規(guī)劃“兩庫五級(jí)”中第二個(gè)梯級(jí)電站。該電站以發(fā)電為主，具有周調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量160 MW（4×40 MW），保證出力33.54 MW，年發(fā)電量8.319億kW·h。電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，發(fā)電機(jī)與主變壓器連接采用單元接線，發(fā)電機(jī)裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，以220 kV、110 kV兩個(gè)電壓等級(jí)3回出線分別接入瀾滄江變電站、玉龍變電站和柴維變電站，供電昌都地區(qū)，同時(shí)通過川藏聯(lián)網(wǎng)外送。果多水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式、分層分布結(jié)構(gòu)，由電廠級(jí)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)地控制級(jí)控制單元（LCU）組成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用冗余交換式雙星型工業(yè)以太局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP，傳輸速率1 000/100 Mb/s。電廠級(jí)交換機(jī)采用千兆工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，并冗余配置。各LCU及水機(jī)保護(hù)柜均用兩個(gè)現(xiàn)地交換機(jī)（雙網(wǎng)）通過光纜和電廠級(jí)交換機(jī)相連。連接后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為雙星型網(wǎng)絡(luò)。

一鍵落門系統(tǒng)主要用于緊急情況下，將運(yùn)行機(jī)組停機(jī)且落進(jìn)水口門。由于果多水電站采用無人值班方式運(yùn)行，分別設(shè)有營地控制室和廠房控制室，因此，一鍵落門系統(tǒng)由營地和廠房2套一鍵落門柜構(gòu)成。

2 事件經(jīng)過

2016年5月9日16：57，果多水電站監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)：“3號(hào)機(jī)組中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作”，“3號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作”，“3號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)遠(yuǎn)方緊急落門按鈕動(dòng)作跳閘”，“3號(hào)機(jī)組事故停機(jī)”，“3號(hào)機(jī)組遠(yuǎn)方緊急落門按鈕動(dòng)作跳閘”。3號(hào)機(jī)組啟動(dòng)事故停機(jī)流程，關(guān)閉進(jìn)水口事故門。

2016年5月9日17：10，果多電廠監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)：“4號(hào)機(jī)組中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作”，“4號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作”，“4號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)遠(yuǎn)方緊急落門按鈕動(dòng)作跳閘”，“4號(hào)機(jī)組事故停機(jī)”，“4號(hào)機(jī)組遠(yuǎn)方緊急落門按鈕動(dòng)作跳閘”。4號(hào)機(jī)組啟動(dòng)事故停機(jī)流程，關(guān)閉進(jìn)水口事故門。

3 事件分析

3.1 一鍵落門系統(tǒng)圖

系統(tǒng)圖“以1號(hào)機(jī)組為例”詳見圖1。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警事件記錄

監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警事件記錄“3號(hào)機(jī)組中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作/復(fù)歸”“3號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作/復(fù)歸”從16：57：55～17：02：33共重復(fù)報(bào)出17次，“動(dòng)作”“復(fù)歸”間隔最短3 ms，最長61 ms。“4號(hào)機(jī)組中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作/復(fù)歸”“4號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作/復(fù)歸”從17：10：09～17：19：35共重復(fù)報(bào)出17次，“動(dòng)作”“復(fù)歸”間隔最短5 ms，最長307 ms。

3.3 光纖中繼器工作原理

光纖中繼器內(nèi)部主要由故障報(bào)警信號(hào)回路和動(dòng)作信號(hào)回路兩部分組成，報(bào)警和動(dòng)作信號(hào)回路完全獨(dú)立。

3.3.1 光纖中繼器故障報(bào)警信號(hào)原理

光纖中繼器的告警繼電器的判斷條件是只要Rx端收到光信號(hào)，告警繼電器就處于斷開狀態(tài)，無光信號(hào)時(shí)就處于閉合狀態(tài)，并不對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)進(jìn)行判斷。中繼器U101和U111的故障信號(hào)并接送至監(jiān)控LCU。

3.3.2 光纖中繼器動(dòng)作信號(hào)原理

中繼器開關(guān)量信號(hào)輸入端：開關(guān)量干接點(diǎn)信號(hào)輸入→開關(guān)量信號(hào)防過電流電路→開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)高低電平電路→防過電壓保護(hù)電路→設(shè)備內(nèi)部主控芯片數(shù)據(jù)采樣→主控芯片內(nèi)部做數(shù)據(jù)編碼處理→編碼后TTL格式信號(hào)輸出→光通信模塊TX口→光模塊做電信號(hào)編譯光信號(hào)處理→光模塊光纖輸出。

中繼器開關(guān)量信號(hào)輸出端：光信號(hào)輸入→光通信模塊RX口→光通信模塊做光信號(hào)轉(zhuǎn)電信號(hào)→編碼后的TTL格式信號(hào)輸出→設(shè)備內(nèi)部主控芯片→主控芯片內(nèi)部做數(shù)據(jù)解碼處理→主控芯片解碼后的TTL格式開關(guān)信號(hào)輸出→信號(hào)隔離器→繼電器驅(qū)動(dòng)電路→繼電器→開關(guān)量輸出。

3.4 外部光纜檢查

通過對(duì)外部光纜檢查發(fā)現(xiàn)，連接營地控制室至廠房控制室機(jī)組緊急落門柜的光纜雖然外觀無異常，但光時(shí)域反射儀檢測衰減較大，說明光纜內(nèi)部存在損傷[4]。

3.5 事件過程分析

（1）由于外部光纜存在損傷，光衰減較大，導(dǎo)致光傳輸存在故障。本來故障信號(hào)可以通過中繼器送至監(jiān)控系統(tǒng)，但由于光纖中繼器故障信號(hào)回路不完善，中繼器報(bào)警回路中，U101和U111的故障信號(hào)并接送至監(jiān)控LCU，而光纖中繼器的告警繼電器的判斷條件是只要Rx端收到光信號(hào)，告警繼電器就處于斷開狀態(tài)，無光信號(hào)時(shí)就處于閉合狀態(tài)，并不對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)進(jìn)行判斷。由于U101中繼器Rx端無光信號(hào)（Rx端未用），所以告警繼電器一直處于閉合狀態(tài)，信號(hào)“開關(guān)站1號(hào)機(jī)組緊急落門光纖中繼器狀態(tài)”一直為高電平，導(dǎo)致U111中繼器故障時(shí)并未報(bào)出信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在故障信號(hào)回路存在缺陷。

圖1 原一鍵落門系統(tǒng)圖

（2）由于光纖中傳輸?shù)耐ㄐ鸥袷绞怯蓭^、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)構(gòu)成。在通信過程中，若光纖斷裂或光功率低于要求值，接收端不會(huì)收到有效的命令，則不會(huì)有錯(cuò)誤輸出。但如果光纖接續(xù)不好，或衰減過大，或外部環(huán)境因素干擾等，致使光信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，若光功率恰好處于臨界狀態(tài)，會(huì)使光纖處于高速通斷的切換狀態(tài)。機(jī)組緊急落門控制系統(tǒng)中光通信是由有光表示位1，無光表示位0，如果在正常通信中已發(fā)送幀頭，這時(shí)光纖受干擾而出現(xiàn)毫秒甚至微秒級(jí)斷裂，馬上又恢復(fù)正常，這個(gè)時(shí)間段如符合通信速率特性，接收端不會(huì)認(rèn)為是光纖斷裂，而會(huì)解析為低電平信號(hào)，如果該信號(hào)恰好滿足光通信速率條件，就會(huì)接收為正常數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)恰好為正確的開關(guān)量信號(hào)，就有可能讓數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)。滿足上述條件的概率雖極低，但光纖微秒到毫秒級(jí)的時(shí)通時(shí)斷就有可能造成信號(hào)的誤開出。

另外一種可能，如果光纖處于高速通斷的切換狀態(tài)改變的數(shù)據(jù)位巧合，還有可能使錯(cuò)誤信號(hào)檢驗(yàn)剛好和正確檢驗(yàn)完全相同，也會(huì)造成信號(hào)的誤開出。

為了驗(yàn)證上述判斷，果多電站人員把光纖中繼器送到中國測試技術(shù)研究院進(jìn)行測試，測試報(bào)告顯示：模擬光通道在正常通信的臨界點(diǎn)，不加干擾光源的情況下，通過人為彎曲抖動(dòng)光纜的方式模擬時(shí)通時(shí)斷狀態(tài)，接收端中繼器出現(xiàn)時(shí)通時(shí)斷的故障指示。模擬這種時(shí)通時(shí)斷的狀態(tài)超過3 000次，接收端中繼器的輸出接點(diǎn)檢測到實(shí)際的動(dòng)作開出，雖然概率較小，但確實(shí)存在誤動(dòng)情況。在接近臨界點(diǎn)通信狀態(tài)下，外加1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm波長的干擾脈沖光源后，同時(shí)通過人為彎曲抖動(dòng)光纜的方式模擬時(shí)通時(shí)斷狀態(tài)，接收端中繼器的輸出接點(diǎn)檢測到實(shí)際的動(dòng)作開出，誤動(dòng)概率較大。

通過驗(yàn)證，在中國測試技術(shù)研究院的測試與上述判斷是吻合的。

針對(duì)告警繼電器連續(xù)報(bào)警后開始出現(xiàn)開關(guān)信號(hào)異常輸出的現(xiàn)象，分析如下：

首先告警繼電器的判斷機(jī)制是只要收到外部光信號(hào)就處于斷開狀態(tài)，無光時(shí)就處于動(dòng)作閉合狀態(tài)，并不對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)進(jìn)行判斷。且控制告警繼電器的信號(hào)是由獨(dú)立的電路對(duì)有無光信號(hào)進(jìn)行判斷，與工作繼電器開出動(dòng)作信號(hào)電路完全是分開的。所以才會(huì)出現(xiàn)在光纖出現(xiàn)時(shí)通時(shí)斷的時(shí)候，首先告警繼電器會(huì)連續(xù)動(dòng)作，然后遇到錯(cuò)誤的但符合有效數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)時(shí)，開關(guān)信號(hào)才動(dòng)作輸出。同時(shí)也說明廠家提供的光電中繼器內(nèi)部控制邏輯不完善，未能有效屏蔽錯(cuò)誤信號(hào)。

“動(dòng)作/復(fù)歸”信號(hào)頻繁報(bào)出，且間隔時(shí)間非常短，同時(shí)通過調(diào)取監(jiān)控錄像，對(duì)控制室、廠房控制室至各機(jī)組電纜通道進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)在事故期間有人員進(jìn)行工作，因此，可以排除人為誤操作。

最終判斷，由于光纖中繼器缺乏有效閉鎖功能，遇外界干擾，遠(yuǎn)方落門信號(hào)（中控室機(jī)組緊急落門按鈕動(dòng)作）誤開出，導(dǎo)致進(jìn)水口事故門落門并動(dòng)作于停機(jī)。

4 解決方案

通過分析，如果光纜故障，光纖中繼器由于自身缺陷可能發(fā)生誤動(dòng)，且存在隨機(jī)性，因此從營地控制室遠(yuǎn)程落門柜到廠房控制室遠(yuǎn)程落門柜之間通信不再采用光纖中繼器，而改用PLC控制器通過以太網(wǎng)通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)傳。具體配置方案：在營地控制室遠(yuǎn)程落門柜和廠房控制室遠(yuǎn)程落門柜中分別配置2套獨(dú)立的PLC控制器和1套光纖交換機(jī)。營地控制室遠(yuǎn)程落門柜上的4臺(tái)機(jī)組的緊急落門信號(hào)分別接入2套PLC控制器，通過光纖交換機(jī)和IEC60870-5-104規(guī)約遠(yuǎn)傳至廠房控制室，廠房控制室遠(yuǎn)程落門柜內(nèi)的2套PLC控制器分別收到緊急落門信號(hào)后，可進(jìn)行初步邏輯判斷，再分別控制輸出。另外，將廠房控制室遠(yuǎn)程落門柜內(nèi)2套PLC控制器的控制輸出接點(diǎn)分別串聯(lián)，只有在這兩套輸出均動(dòng)作時(shí)才允許去緊急落門。原理圖（以單臺(tái)機(jī)組接入為例）詳見圖2。

5 結(jié)論及啟示

圖2 一鍵落門修改圖

果多電站“一鍵落門系統(tǒng)”改造后，經(jīng)過多次模擬試驗(yàn)，緊急落門功能可靠，運(yùn)行至今再未出現(xiàn)誤動(dòng)情況，證明改造是成功的。光纖通信雖然具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但光纖中繼器作為重要的光傳輸設(shè)備由于結(jié)構(gòu)簡單，功能獨(dú)特，在光纖通信中使用廣泛，而光纖在施工和使用過程中（尤其在戶外環(huán)境下）易遭受到外力損傷，光纖斷線、微彎、熔接造成的損耗不可避免[3]，光纖中繼器作為定型產(chǎn)品，由于自身功能的局限性，內(nèi)部控制邏輯不完善，不具備現(xiàn)場編程功能，不能有效屏蔽錯(cuò)誤信號(hào)，可靠性不足，只適用于非重要控制系統(tǒng)。對(duì)于重要控制系統(tǒng)，防誤動(dòng)性能要求較高，PLC控制器可通過現(xiàn)場編程，增加必要的閉鎖邏輯，防止設(shè)備誤動(dòng)事件發(fā)生。因此，在水電站類似于“一鍵落門系統(tǒng)”等關(guān)鍵控制系統(tǒng)中，簡單采用光纖中繼器達(dá)到控制功能的方案需慎選，相比較，使用PLC控制器比光纖中繼器更為可靠、合適。