清遠(yuǎn)水利樞紐發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)通信升級改造

朱妃生

(清遠(yuǎn)粵華電力有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

1 概述

清遠(yuǎn)水利樞紐位于廣東省北江中游清遠(yuǎn)市境內(nèi)，電站裝機(jī)容量為4×11 MW，機(jī)組設(shè)備為四川東風(fēng)電機(jī)股份有限公司提供的GZB1140-WP-670燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)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(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。

清遠(yuǎn)水利樞紐電站每臺發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)主要包含以下子系統(tǒng): ①上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；② 機(jī)旁LCU控制系統(tǒng)；③ 微機(jī)勵磁系統(tǒng)；④ 微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)；⑤ 軸承潤滑油泵控制系統(tǒng)；⑥ 溫度巡檢系統(tǒng)。以上6個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互關(guān)系示意

機(jī)旁LCU控制系統(tǒng)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(jī)勵磁系統(tǒng)、微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)、機(jī)組軸承潤滑油泵控制系統(tǒng)、溫度巡檢系統(tǒng)等4個子系統(tǒng)作為RS485串行通信的從站。串行通信協(xié)議采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582—2008中的MODBUS協(xié)議[1]。

2019年11月10日16：32，1#機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)語音報警提示1#機(jī)組溫度巡檢通信中斷，1#機(jī)組軸承潤滑油泵控制通信中斷，1#機(jī)組調(diào)速器通信中斷，1#機(jī)組的包括水輪機(jī)導(dǎo)/槳葉開度值、1#機(jī)組發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)鐵芯溫度、軸承潤滑油泵運(yùn)行狀態(tài)，潤滑油低位油箱液位等機(jī)組運(yùn)行的重要參數(shù)已經(jīng)不能夠?qū)崟r更新，運(yùn)行值長在等待了5 min后，上述數(shù)據(jù)未見恢復(fù)正常通信，為了機(jī)組運(yùn)行安全，值長將機(jī)組停機(jī)檢查處理，同樣的故障已經(jīng)在1#機(jī)組發(fā)生多次。

2 故障原因分析

2.1 通信介質(zhì)應(yīng)用存在缺陷

清遠(yuǎn)水利樞紐為河床式電站，作為通信主站的機(jī)旁LCU控制系統(tǒng)安裝于廠房的操作層，離主站最遠(yuǎn)的機(jī)組軸承潤滑油泵控制系統(tǒng)從站安裝于廠房的流道層，兩者垂直海拔落差達(dá)30 m，線纜的布線路徑經(jīng)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(dá)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(yīng)大于1 km[3]。傳輸介質(zhì)決定了網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)段的最大長度[4]。根據(jù)Modicon公司產(chǎn)品的幫助手冊中對于RS485串行通信方式性能參數(shù)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(huán)境中將通信距離延長到1 200 m，以較高速率進(jìn)行通信時，通信距離會明顯縮短，普通的銅質(zhì)線纜在較強(qiáng)的磁場干擾作用下容易形成感應(yīng)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(wǎng)接線方式存在缺陷

MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個主-從協(xié)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(wǎng)連接宜采用菊花鏈?zhǔn)降慕臃?如圖2所示)。

圖2 菊花鏈?zhǔn)浇臃ㄊ疽?/p>

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(yuǎn)的從站，采用菊花鏈?zhǔn)降慕臃軠p少干擾，提高通信穩(wěn)定性。但實際情況是電站生產(chǎn)現(xiàn)場主站與從站間的通信線組網(wǎng)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(yán)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(yán)重時就是通信中斷，電站現(xiàn)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(yīng)遵照國家通信技術(shù)政策，根據(jù)水電廠的特點(diǎn)，結(jié)合水電廠所在流域和電力系統(tǒng)的通信現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定[6]。串行通信一般只適用于傳輸數(shù)據(jù)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(yuǎn)水利樞紐水電站裝機(jī)容量較大，機(jī)組運(yùn)行時主站和從站間的運(yùn)行數(shù)據(jù)的交換速率要求較高，數(shù)據(jù)量比較大，加之廠房各設(shè)備間的距離較遠(yuǎn)，就會造成通信布線距離過長，布線所經(jīng)之處均是有干擾磁場的變壓器，大功率電動機(jī)等設(shè)備，以上不利因素均會影響到串行通信的正常運(yùn)行。

3 技術(shù)改造

清遠(yuǎn)水利樞紐電站1#機(jī)組串行通信中斷故障事件頻頻發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重影響到機(jī)組的運(yùn)行安全，通過對原有通信方式的軟件、硬件進(jìn)行改進(jìn)，改造，從根本上杜絕此類故障事件已經(jīng)迫在眉睫。

3.1 增加主站數(shù)量讓數(shù)據(jù)分流的改造

改造前的舊系統(tǒng)是1個主站與4個從站進(jìn)行通信，1個主站跟4個從站通信會產(chǎn)生輪詢時間，造成數(shù)據(jù)刷新不快的問題。改造第1步需先增加主站，給數(shù)據(jù)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(tǒng)從站和溫度巡檢從站距離機(jī)組LCU控制屏比較近，布線距離在5米以內(nèi)，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(jìn)行1主站1從站方式進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，由TSXSCY21601模塊的CH1通道1作為主站與微機(jī)勵磁系統(tǒng)從站進(jìn)行1主站1從站方式進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)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(wǎng)接線的問題，通信速率還可以設(shè)置得很快，同時會提高通信穩(wěn)定性。

3.2 通信由串口改以太網(wǎng)的改造

利用機(jī)組LCU柜內(nèi)PLC主機(jī)架的備用槽位，添加1塊型號為TSX ETY 4103的以太網(wǎng)模塊，此模塊的以太網(wǎng)通道按MODBUS TCP協(xié)議作為主站跟距離較遠(yuǎn)的調(diào)速器從站和機(jī)組潤滑油泵控制從站進(jìn)行通信。調(diào)速器從站是1塊屏通品牌的人機(jī)界面，在舊系統(tǒng)中是通過人機(jī)界面上的串口作為從站進(jìn)行通信，系統(tǒng)改造后，改用人機(jī)界面上自帶有的以太網(wǎng)口作為MODBUS TCP的從站，同樣在舊的通信系統(tǒng)中機(jī)組潤滑油泵控制系統(tǒng)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(jìn)行通信，系統(tǒng)改造后，將BMX NOM 0200串行通信模塊更換成BMX NOE 0100以太網(wǎng)通信模塊。機(jī)組LCU控制系統(tǒng)添加以太網(wǎng)通信主站后的通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 機(jī)組添加以太網(wǎng)通信主站后的通信網(wǎng)絡(luò)示意

3.3 通信介質(zhì)的改造

由于勵磁系統(tǒng)從站和溫度巡檢系統(tǒng)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(yè)通信用雙絞線纜。雙絞線較適合于近距離、環(huán)境單純(遠(yuǎn)離磁場、潮濕等)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7]。并將雙絞線纜屏蔽層單點(diǎn)可靠接地，加強(qiáng)抗干擾能力。雙絞線可以在有限距離內(nèi)達(dá)到每秒幾兆比特的可靠傳輸率[8]。距離主站比較遠(yuǎn)的調(diào)速器從站和機(jī)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(wǎng)通信后，以太網(wǎng)通信介質(zhì)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(huán)境考慮，最佳方案是將原先的銅質(zhì)線纜更換成室內(nèi)光纖，室內(nèi)光纖宜選用非延燃材料外護(hù)層結(jié)構(gòu)[10](如圖5所示)。

圖5 非延燃材料外護(hù)層示意

光纖通信是利用光導(dǎo)纖維來傳輸光波信號的[11]，光纖介質(zhì)重量輕，體積小，抗腐蝕，不怕潮濕[12]，光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信的理想通道[13]。在電站這種充滿強(qiáng)磁場干擾的場合采用光纖材料作為通信介質(zhì)更具有技術(shù)優(yōu)勢，數(shù)據(jù)傳輸速度快，通信穩(wěn)定，由于通信數(shù)據(jù)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(nèi)光纖的價格只是銅質(zhì)線纜的1/3。唯一需要增加成本的是需要在通信設(shè)備兩端添加光纖收發(fā)器或者帶光口的交換機(jī)。清遠(yuǎn)水利樞紐電站機(jī)組LCU的主站端添加了1臺4光口4電口的工業(yè)交換機(jī)，在調(diào)速器從站和機(jī)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(fā)器(如圖6所示)。

圖6 光纖收發(fā)器示意

4 結(jié)語

清遠(yuǎn)水利樞紐電站針對發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)通信中斷事件經(jīng)過因地制宜的綜合分析，在滿足現(xiàn)場通信系統(tǒng)技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，通過增加通信主站數(shù)量，數(shù)據(jù)分流，升級通信方式，更換主站和從站間的通信介質(zhì)等技術(shù)手段對1#機(jī)組發(fā)電機(jī)控制通信系統(tǒng)進(jìn)行全面的升級改造后，機(jī)組LCU主站采集各個從站數(shù)據(jù)的速度較改造前快許多倍，且穩(wěn)定性顯著提高，經(jīng)過長達(dá)1 a多時間的不間斷運(yùn)行，1#機(jī)組再無出現(xiàn)機(jī)旁LCU控制系統(tǒng)通信中斷的現(xiàn)象，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性，同時為其他機(jī)組的類似故障提供了行之有效的技術(shù)改造參考方案。