清遠水利樞紐發電機控制系統通信升級改造

朱妃生

(清遠粵華電力有限公司，廣東 清遠 511500)

1 概述

清遠水利樞紐位于廣東省北江中游清遠市境內，電站裝機容量為4×11 MW，機組設備為四川東風電機股份有限公司提供的GZB1140-WP-670燈泡貫流式水輪發電機組，額定轉速為76.9 r/min，額定水頭為7.4 m，額定流量為236.0 m3/s。2011年11月至2012年8月，4臺機組相繼投產發電。

清遠水利樞紐電站每臺發電機組的電氣控制系統主要包含以下子系統: ①上位機監控系統；② 機旁LCU控制系統；③ 微機勵磁系統；④ 微機調速器系統；⑤ 軸承潤滑油泵控制系統；⑥ 溫度巡檢系統。以上6個子系統的數據交互關系如圖1所示。

圖1 電氣控制系統數據交互關系示意

機旁LCU控制系統以Modicon公司的Premuim系列PLC作為控制核心，以TSXSCY21601模塊的CH1通道1作為RS485串行通信的主站，微機勵磁系統、微機調速器系統、機組軸承潤滑油泵控制系統、溫度巡檢系統等4個子系統作為RS485串行通信的從站。串行通信協議采用國家標準GB/T19582—2008中的MODBUS協議[1]。

2019年11月10日16：32，1#機組在并網運行過程中，運行人員發現上位機監控系統語音報警提示1#機組溫度巡檢通信中斷，1#機組軸承潤滑油泵控制通信中斷，1#機組調速器通信中斷，1#機組的包括水輪機導/槳葉開度值、1#機組發電機線圈溫度、發電機鐵芯溫度、軸承潤滑油泵運行狀態，潤滑油低位油箱液位等機組運行的重要參數已經不能夠實時更新，運行值長在等待了5 min后，上述數據未見恢復正常通信，為了機組運行安全，值長將機組停機檢查處理，同樣的故障已經在1#機組發生多次。

2 故障原因分析

2.1 通信介質應用存在缺陷

清遠水利樞紐為河床式電站，作為通信主站的機旁LCU控制系統安裝于廠房的操作層，離主站最遠的機組軸承潤滑油泵控制系統從站安裝于廠房的流道層，兩者垂直海拔落差達30 m，線纜的布線路徑經過每層的電纜橋架，布線路徑還需要與10 kV高壓電纜層平行布線，總的線纜長度約達200 m。主站和從站間通過RVVP4*0.75的普通線纜連接，且線纜屏蔽層無可靠接地。對于屏蔽通道而言，僅有一層金屬屏蔽層是不夠的，更重要的還要有正確、良好的接地，把干擾有效地引入大地，才能保證信號在屏蔽通道中安全、可靠地傳輸[2]。串行通信接口(RS-422、RS485)在使用電纜時的傳輸距離一般不應大于1 km[3]。傳輸介質決定了網絡的傳輸速率和網絡段的最大長度[4]。根據Modicon公司產品的幫助手冊中對于RS485串行通信方式性能參數的描述，理論上RS485串行通信以很低的通信速率可以在磁場干擾較低的環境中將通信距離延長到1 200 m，以較高速率進行通信時，通信距離會明顯縮短，普通的銅質線纜在較強的磁場干擾作用下容易形成感應壓降，引起RS485串行通信中斷，甚至損壞通信模塊。

2.2 主站和從站間通信組網接線方式存在缺陷

MODBUS串行鏈路協議是一個主-從協議[5]。主站和從站采用RS485串行通信方式且通信總線上同時存在多個從站時，主站與從站間的通信線組網連接宜采用菊花鏈式的接法(如圖2所示)。

圖2 菊花鏈式接法示意

即通信線從主站通信口連接至離主站最近的從站1的通信口，通信線再從從站1的通信口并接至臨近的從站2的通信口，以此類推，一直將通信線連接至最遠的從站，采用菊花鏈式的接法能減少干擾，提高通信穩定性。但實際情況是電站生產現場主站與從站間的通信線組網連接采用了星形連接法(如圖3所示)。

圖3 星形接法示意

串行通信如果使用星形接法對距離是有嚴格要求的，主站與從站間的距離如超出15 m使用此接法時，通信出錯概率很高，嚴重時就是通信中斷，電站現場MODBUS主站與部份從站的距離就大大超出這個距離范圍。

2.3 主站和從站間的通信方式選擇不合理

通信方式的選擇應遵照國家通信技術政策，根據水電廠的特點，結合水電廠所在流域和電力系統的通信現狀和發展規劃，經技術經濟比較后確定[6]。串行通信一般只適用于傳輸數據量小，傳輸速率要求不高，傳輸距離較近，對抗干擾要求不高的場合。但清遠水利樞紐水電站裝機容量較大，機組運行時主站和從站間的運行數據的交換速率要求較高，數據量比較大，加之廠房各設備間的距離較遠，就會造成通信布線距離過長，布線所經之處均是有干擾磁場的變壓器，大功率電動機等設備，以上不利因素均會影響到串行通信的正常運行。

3 技術改造

清遠水利樞紐電站1#機組串行通信中斷故障事件頻頻發生，已經嚴重影響到機組的運行安全，通過對原有通信方式的軟件、硬件進行改進，改造，從根本上杜絕此類故障事件已經迫在眉睫。

3.1 增加主站數量讓數據分流的改造

改造前的舊系統是1個主站與4個從站進行通信，1個主站跟4個從站通信會產生輪詢時間，造成數據刷新不快的問題。改造第1步需先增加主站，給數據分流。將原先的1個主站與4個從站通信，改成3個主站與4個從站通信，4個從站中，勵磁系統從站和溫度巡檢從站距離機組LCU控制屏比較近，布線距離在5米以內，這兩個從站仍然采用串行通信方式，保留由TSXSCY21601模塊的CH0通道0作為新增的主站與溫度巡檢從站進行1主站1從站方式進行點對點通信，由TSXSCY21601模塊的CH1通道1作為主站與微機勵磁系統從站進行1主站1從站方式進行點對點通信。1主站1從站方式通信，不存在通信輪詢的問題，更不存在串行通信組網接線的問題，通信速率還可以設置得很快，同時會提高通信穩定性。

3.2 通信由串口改以太網的改造

利用機組LCU柜內PLC主機架的備用槽位，添加1塊型號為TSX ETY 4103的以太網模塊，此模塊的以太網通道按MODBUS TCP協議作為主站跟距離較遠的調速器從站和機組潤滑油泵控制從站進行通信。調速器從站是1塊屏通品牌的人機界面，在舊系統中是通過人機界面上的串口作為從站進行通信，系統改造后，改用人機界面上自帶有的以太網口作為MODBUS TCP的從站，同樣在舊的通信系統中機組潤滑油泵控制系統從站是以1套M340系列PLC的BMX NOM 0200模塊的0通道作為RS485的從站進行通信，系統改造后，將BMX NOM 0200串行通信模塊更換成BMX NOE 0100以太網通信模塊。機組LCU控制系統添加以太網通信主站后的通信網絡如圖4所示。

圖4 機組添加以太網通信主站后的通信網絡示意

3.3 通信介質的改造

由于勵磁系統從站和溫度巡檢系統從站保留了RS485串口的通信方式，改造后將主站至這兩個從站的通信線纜升級更換成帶雙層屏蔽層的專業通信用雙絞線纜。雙絞線較適合于近距離、環境單純(遠離磁場、潮濕等)局域網絡系統[7]。并將雙絞線纜屏蔽層單點可靠接地，加強抗干擾能力。雙絞線可以在有限距離內達到每秒幾兆比特的可靠傳輸率[8]。距離主站比較遠的調速器從站和機組潤滑油泵控制從站將通信方式由串行通信升級為以太網通信后，以太網通信介質可選用光纖或超五類及以上屏蔽雙絞線[9]。從電站廠房的實際通信及布線環境考慮，最佳方案是將原先的銅質線纜更換成室內光纖，室內光纖宜選用非延燃材料外護層結構[10](如圖5所示)。

圖5 非延燃材料外護層示意

光纖通信是利用光導纖維來傳輸光波信號的[11]，光纖介質重量輕，體積小，抗腐蝕，不怕潮濕[12]，光纖傳輸系統是數字通信的理想通道[13]。在電站這種充滿強磁場干擾的場合采用光纖材料作為通信介質更具有技術優勢，數據傳輸速度快，通信穩定，由于通信數據是光信號傳輸對磁場干擾不敏感，所以磁場干擾的因素可以忽略不計，而且同等距離的室內光纖的價格只是銅質線纜的1/3。唯一需要增加成本的是需要在通信設備兩端添加光纖收發器或者帶光口的交換機。清遠水利樞紐電站機組LCU的主站端添加了1臺4光口4電口的工業交換機，在調速器從站和機組潤滑油泵控制從站各添加1臺1光口1電口的光纖收發器(如圖6所示)。

圖6 光纖收發器示意

4 結語

清遠水利樞紐電站針對發電機控制系統通信中斷事件經過因地制宜的綜合分析，在滿足現場通信系統技術條件的基礎上，通過增加通信主站數量，數據分流，升級通信方式，更換主站和從站間的通信介質等技術手段對1#機組發電機控制通信系統進行全面的升級改造后，機組LCU主站采集各個從站數據的速度較改造前快許多倍，且穩定性顯著提高，經過長達1 a多時間的不間斷運行，1#機組再無出現機旁LCU控制系統通信中斷的現象，提高了機組運行的安全可靠性，同時為其他機組的類似故障提供了行之有效的技術改造參考方案。