巨型水電站泄洪閘壩系統LCU 可靠性優化

黃鵬輝，郭 穗，張 鵬，夏國強

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某巨型水電站監控系統已投運近20 年，泄洪閘壩系統LCU 面臨著技術不夠先進、考慮面不夠全面等使用不便現狀，已不能完全滿足電站的實際安全生產需求。隨著智能電網、智慧電廠建設的不斷推進，迫切需要對泄洪閘壩系統LCU 進行可靠性優化，實現為一套技術領先的監控系統。基于北京中水科技開發有限公司自行研發的H9000 V6.0 系統，對此巨型水電站泄洪閘壩系統LCU 的可靠性進行研究與應用。

1 網絡結構設計優化

1.1 CPU 與IO 子站網絡結構優化

優化前LCU IO 網絡結構采用ABB 專用協議AF100 雙線性網結構，該網絡結構數據傳輸為總線模式傳輸，數據交互能力較低，如圖1 線性網絡結構中，如果出現一個斷點，將導致后面所有的設備通信中斷。

圖1 原LCU IO 網絡結構圖

原網絡結構的最大問題是當RIO1、RIO2、RIO3、RIO4、RIO5、RIO6 柜任一盤柜進行斷電檢修或者通信故障或者停電或者改造，均會影響其他遠程IO 盤柜的通信從而擴大事故面積，影響對泄洪設施進行監視和控制，增加運行潛在風險。

基于以上問題考慮，根據目前自動化、智能化水電站建設需求，泄水閘LCU 設計EtherNet/IP（EtherNet Industry Protocol）是目前工業環境應用的比 較廣泛的協議體系，它是基于CIP（common industrial protocol）通用工業協議的網絡，是面向對象的協議，能夠保證網絡上隱式的實時I/O 信息和顯式信息（包括硬件組要、診斷等）的有效傳輸，EtherNet/IP 采用以太網或光纖傳輸，大大提高了傳輸速率；其環網結構大大增加了網絡結構冗余性、可靠性；以太網結構具有維護方便、易擴展等性能。

基于EtherNet/IP 環網結構進行研究，新LCU 規劃設計后的IO 網絡結構如圖2 所示，RIO1、RIO2、RIO3、RIO4、RIO5、RIO6 柜任一盤柜斷電檢修或者通信故障或者停電或者改造，均不會對其他RIO 柜的監視和控制造成任何影響，極大地提高了通信可靠性和易擴展性。

圖2 新LCU 規劃設計后的IO 網絡結構圖

1.2 Profibus DP 通信網絡結構優化

某巨型水電站Profibus DP 環網監控6 個深孔泵站（對應23 個深孔弧門）、1 號排漂孔、2 號排漂孔、3 號排漂孔、1 號沖砂閘和2 號沖沙閘。

原LCU 系統與泄洪閘等設備采用Profibus DP環網結構，11 個泄洪設施控制盤柜與LCU 主PLC通過OLM 光纖鏈路模塊形成一個光纖環網。根據泄洪設施運行實際工況和泄洪設施檢修計劃，泄洪設施在冬休檢修期和汛期運行期，均存在不同泄洪設施同時停電檢修的情況，尤其是冬休檢修期期間，經常發生11 個泄洪設施控制柜中的2 個泄洪設施控制柜停電檢修情況。

如 圖3 LCU Profibus DP 通 信 結 構，602 泵 站（5 號、6 號、7 號、8 號深孔弧門控制柜）停電檢修和2 號沖沙閘控制柜同時停電檢修，運行人員無法對601 泵站（1 號、2 號、3 號、4 號深孔弧門控制柜）、1 號排漂孔和1 號沖沙閘進行監視和控制，增加潛在的運行風險。同時多數運行當班值人員，打電話通知維護人員對LCU 進行檢查處理，維護人員根據LCU 網絡結構實際情況給運行當班值人員進行匯報解釋，增加了運行維護人員的工作量，尤其是在冬休檢修期人員緊張，大大地降低了工作效率。

圖3 原LCU 監控系統Profibus DP 網絡結構

基于以上等原因，對新LCU 通信網絡結構進行優化研究，根據檢修計劃與實際需求，Profibus DP通信采用分離式雙Profibus DP 總線環網機構，即將一個階段內檢修的閘門放到一個Profibus DP 總線環網，另一個階段檢修的閘門放到另一個Profibus DP 總線環網。極大地減少了運行人員在閘門檢修期間無法實時監視的閘門數量；減少了Profibus DP環網子站數量、降低了Profibus DP 環網負荷、也降低了網絡故障率；Profibus DP 主站設備由原來1 個增加為2 個，避免了因為主站設備故障導致所有通信數據消失，大大地提高了通信可靠性。

如圖4 為新LCU 規劃設計的Profibus DP 網絡結構，相比原網絡結構，11 個泄洪設施控制柜任意2個泄洪設施控制柜及其對應設備停電檢修，均不會對其他設備的通信造成任何影響，從而不影響運行人員對泄洪設施的監視和控制，極大地提高了電站泄洪設施的安全穩定運行。

圖4 新LCU 規劃設計后Profibus DP 網絡結構圖

2 數據采集與處理

針對特大型電站巨型機組的數據采集要求，采用多連接、多線程并行網絡通信技術，徹底解決了巨型機組信息采集點多、通信數據量大而導致的實時性問題。電站現場各種數據的采集基本由各自的LCU 來完成，數據采樣周期滿足系統性能參數要求。所有事件均采用帶時標方式采集、處理、上送，以方便運行人員更能精確的查詢事件發生的時間，提高泄洪閘壩系統的可靠性，其PLC 配置圖如圖5 所示。

圖5 PLC 配置圖

2.1 數據處理方式

模擬量數據處理：從AI 模件采集的源碼值和通道質量分別存儲于數組AnaReal[ ]和AnaQual[ ]，上位機下發強制命令后，強制值源碼存儲在數組CmdAnaValue[ ]，同時將強制狀態AnaFStatue[ ]置1。如果模擬量第i 點強制狀態為0，將AnaReal[i]值賦給AnaAct[i]，否則將CmdAnaValue[i]賦給AnaAct[i]。程序中參與邏輯判斷的模擬量需從0～16000 的源碼值轉換為實際工程值，便于查看和修改。當某個點被強制后，該點的通道質量置為正常。

將模擬量源碼值、通道質量及強制狀態上送上位機，在上位機數據庫中設定模擬量的量程、限值及死區。

開關量數據處理：開關量包含掃查開入量、計算掃查量及開出量，所有硬接線點（掃查開入量、開出量）具備上位機強制功能。上位機對開關量的采集方式為5 min 定時總召+變位讀取，總召是從PLC位圖緩存區直接讀取，變位讀取是從PLC 事件記錄緩存區中讀取。所有開關量及其通道質量和強制狀態產生變位時，會在事件記錄緩存區中產生一條事件，事件包含點號、值及變位時間（包含年、月、日、時、分、秒、毫秒）等信息。當有新的事件產生時，緩存區的指針發生變化，上位機根據指針讀取事件，同時對上位機數據庫寫值。

2.2 對象設備控制

對象設備的控制模式均為自動和手動，自動控制為程序根據控制邏輯自動啟停，手動控制為運行人員手動發啟停命令，且運行人員主要監視設備運行狀態、故障狀態及啟停條件是否滿足，因此所有的對象設備的PLC 編程模式和上位機的監視方式可統一。為排漂孔實現監控為研究，圖8 為排漂孔系統的控制和監視方式。

圖6 模擬量數據處理

圖7 開關量數據處理

圖8 排漂孔系統控制與監視

當排漂孔系統處于現地控制控制方式時，自動和手動均無法啟停排漂孔系統；當手動啟/停排漂孔系統條件不滿足時，上位機無法下發啟/停命令，同時PLC 中即使接收到命令也無法輸出；當自動啟/停排漂孔系統條件滿足時，輸出排漂孔系統啟/停的3 s 脈沖輸出；當停止命令開出后但排漂孔系統反饋為啟動狀態，經延時后報警（停止命令和狀態反饋不一致）；當啟動命令開出后但排漂孔系統反饋為停止狀態，經延時后報警（啟動命令和狀態反饋不一致），可上位機發令復歸報警信號。

3 結語

泄洪閘壩系統LCU 冗余IO 網絡結構，由原先的AF100 總線線性結構改為EtherNet/IP 環網結構，大大提高了系統冗余性、可靠性，提升了系統數據交互能力，降低了系統故障率。可靠DP 網絡結構中，由原先的1 個單環網改為2 個單環網，提高了與外部設備通信數據可靠性、穩定性，減少了在閘門檢修期間無法實時監視的閘門數量；降低了Profibus DP環網負荷、網絡故障率；避免因為1 個主站設備故障導致所有通信數據消失，大大地提高了通信可靠性。