瑞麗江水電站LCU組網方式優化

張顯兵，張 捷

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

瑞麗江水電站位于緬甸境內，離中國瑞麗口岸直線距離60 km，裝機6臺，單機容量100 MW。電站按照一廠兩站接線設計，即在電氣上分為兩座電站，電站以220 kV（230 kV）/66 kV二級升高電壓分別向中緬送電。該電站在生產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家調度的指令，控制各自的機組。

1 優化前的狀況

瑞麗江水電站監控系統現地部分采用分布式結構設計，每一套LCU都是一個獨立的控制設備單元，對相應設備進行單獨的數據采集和控制。全廠現地部分主要包括：

6套機組LCU，1套開關站LCU，1套壩區LCU，1套公用LCU，1套電能計量LCU。除電能計量LCU之外，其它所有LCU均由可編程控制器組成。

現地層的PLC采用S908 RIO總線方式，物理介質為同軸電纜；廠站層與現地層之間的數據通信采用光纖作為通信介質，該模式采用雙網采集、控制方式，保證了在任何一條鏈路出現問題的情況下，另外一條鏈路可以正常采集、控制現地LCU的數據；電能計量LCU負責采集電站的電量，并通過通信方式將電度量上送到遠方計算機監控系統；現地觸摸屏與CPU之間通過ModBus總線通信，并可以保證在主、備用CPU發生切換的情況下，觸摸屏仍然可以采集到相應數據。具體結構如圖1所示。

圖1 S908總線網絡拓撲圖

經過長周期運行，S908 RIO通信的弊端日益顯露。多次隨機出現單個子站全部信號復歸的現象，以及主站模塊報ErrorA 或者ErrorB,產生此類故障的原因，主要如下。

（1）同軸電纜連接附件較多，因而故障點較多。S908 RIO總線涉及到的設備有總線主站模塊、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，每個元件都是理論上的故障點，每次出現故障，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或長時間氧化而接觸不實，分支器/分離器質量不好或受到損傷或老化導致通信性能下降。S908 RIO總線長期在振動、粉塵的環境下運行，設備之間的連接由于長時間的振動及粉塵，容易出現接觸不良，氧化等問題。

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

（4）外界強電磁干擾、制作和安裝工藝不合格產生型號衰減。，同軸電纜且對彎曲半徑要求較高，而同軸電纜都是手工制作，這對同軸電纜的制作、安裝要求很高，加之電磁干擾的運行環境，導致S908總線在通信時發生遲滯。

2 優化方法

2.1 優化原則

監控系統LCU按“總體設計、分步實施”方案進行，無擾接入的要求。LCU組網方式優化需滿足以下基本要求：

（1）系統配置和設備的選型符合技術發展特點，硬件、軟件采用成熟、可靠、標準化、模塊化、結構化的產品，又要適應功能的增加和系統規模的擴展。

LCU設備需采用冗余工作方式設計。主、備用CPU熱備冗余設計可以在主用CPU發生故障的同時，將備用CPU升格為主用CPU，同時，由于主用CPU在運行的過程中會將控制數據實時傳送到備用CPU，所以，在發生主、備用CPU切換的時候，不會出現任何擾動現象影響外圍設備的運行；系統采用冗余數據的采集、控制結構，每套CPU都可以通過A、B兩套I/O數據網對遠程I/O實施采集和控制，任何一套網絡出現問題的情況下，CPU都會自動從另外一套網絡上獲得遠程I/O信息數據，從而保證了數據采集與控制的可靠性；

（2）實時性好，響應速度快，抗干擾能力強，可靠性高，適用電廠的現場環境，易于維護。

LCU設備需要有對I/O模塊的故障診斷功能并支持對I/O模塊的熱插拔。需支持所有I/O模塊的質量狀態，當某一塊模塊出現問題的時候，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通道的故障信息，程序會自動判斷模塊及通道的質量狀態，在某個模塊或某個通道出現問題的時候，程序會閉鎖與該模塊或通道相關的控制輸出，不會影響LCU的正常運行及對外部設備的正常控制；當模塊出現故障的時候，運行人員可以在帶電的情況下更換I/O模塊，不會影響機組的正常運行。

（3）最大限度的利用現有硬件設備，小范圍改動。最大限度的壓縮改動的范圍，以減低升級成本、縮短升級的周期。

（4）分步實施過程中，未優化和已優化LCU需并列運行。優化方案需充分考慮升級過程中，已升級和未完成升級的LCU同時運行時的對監控系統的影響，保障兩者能夠同時穩定運行。

2.2 優化內容

結合現場LCU的實際情況，決定采用QEIO網絡替換S908 RIO總線的方法[2]，實現LCU組網方式的優化。更換S908總線主站模塊140CRP93200為QERO 網絡主站模塊140CRP31200；更換S908總線子站模塊140CRA93200為QERO 網絡子站模塊140CRA31200；更換新版本的CPU模塊140CPU67160。具體結構如圖2所示。

圖2 QEIO總線網絡拓撲圖

具體實施步驟如下：

（1）連接PLC控制器，備份CPU程序，并檢查確認傳輸至其它系統的相關數據是否需要強制設定。

（2）斷 開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，修改相應診斷程序及健康系統狀態字，重新大編譯LCU程序。

（5）合上PLC供電電源，download新程序，測試信號的上傳下送。

3 優化的成果

此次LCU組網方式優化，有以下成果：

（1）工業以太網發展迅猛，QEIO代表未來的發展趨勢，保障了技術的先進性。目前，各主流控制器的工業總線，都逐漸支持工業以太網，為將來各設備間的互聯互通，創造了便利條件。QEIO將逐步替代S908、Profibus等現場總線，成為統一的現場總線。

（2）改動范圍小，風險小，周期短。現場升級的設備較少，控制柜的布置不需要做改動，除了拆除S908總線，安裝以太網連接電纜，其他信號電纜均不需要重新敷設。控制器也沒有變化，只是提高了OS版本，以支持QEIO模塊。硬件方面的改的極小，大大縮短了升級的周期，在電廠小修的間隙，即可以完成升級工作。

（3）最大限度的保留了原有設備，節省成本。升級為QEIO組網，原有的信號采集模件如開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、中斷量模塊、模量量輸入模塊、溫度量輸入模塊都可以保留，繼續使用，大大減輕了升級的成本。

（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，每一個遠程子站的通信容量也大幅提高：S908的組網方式，每一個遠程子站通信上限值是輸入輸出各64字；而對于QEIO模式，這一上限值為400字，通信能力提高6.25倍。因此，QEIO組網方式可以根據需要配置IO模塊，而不必考慮通信上限的限制。也就是說，QEIO在子站的模塊組網方面更加靈活，對于子站模塊的拓展，提供了足夠的支撐。

（5）網絡介質由同軸電纜改為以太網，布線簡單、診斷更加方便，減少維護工作量。以太網成本低，盤柜內或者盤柜間，安裝都很方便。使用的都是標準的工業以太網線，可以方便擴充為光纖方式，可以大大延長通信距離，接口穩定，日常維護的工作量小。

4 結語

對水電站LCU而言，穩定可靠，易于維護是衡量其安全性能的重要指標之一，隨著工業以太網通信的快速發展，QEIO網絡必將逐步替代S908 RIO。本文中所述的優化方法，為同類型水電站進行LCU升級優化提供了重要參考。