巨型水電站泄洪閘壩系統(tǒng)LCU 可靠性優(yōu)化

黃鵬輝，郭 穗，張 鵬，夏國強(qiáng)

（中國長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某巨型水電站監(jiān)控系統(tǒng)已投運(yùn)近20 年，泄洪閘壩系統(tǒng)LCU 面臨著技術(shù)不夠先進(jìn)、考慮面不夠全面等使用不便現(xiàn)狀，已不能完全滿足電站的實(shí)際安全生產(chǎn)需求。隨著智能電網(wǎng)、智慧電廠建設(shè)的不斷推進(jìn)，迫切需要對(duì)泄洪閘壩系統(tǒng)LCU 進(jìn)行可靠性優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)為一套技術(shù)領(lǐng)先的監(jiān)控系統(tǒng)?；诒本┲兴萍奸_發(fā)有限公司自行研發(fā)的H9000 V6.0 系統(tǒng)，對(duì)此巨型水電站泄洪閘壩系統(tǒng)LCU 的可靠性進(jìn)行研究與應(yīng)用。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 CPU 與IO 子站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化前LCU IO 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用ABB 專用協(xié)議AF100 雙線性網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸為總線模式傳輸，數(shù)據(jù)交互能力較低，如圖1 線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如果出現(xiàn)一個(gè)斷點(diǎn)，將導(dǎo)致后面所有的設(shè)備通信中斷。

圖1 原LCU IO 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最大問題是當(dāng)RIO1、RIO2、RIO3、RIO4、RIO5、RIO6 柜任一盤柜進(jìn)行斷電檢修或者通信故障或者停電或者改造，均會(huì)影響其他遠(yuǎn)程IO 盤柜的通信從而擴(kuò)大事故面積，影響對(duì)泄洪設(shè)施進(jìn)行監(jiān)視和控制，增加運(yùn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上問題考慮，根據(jù)目前自動(dòng)化、智能化水電站建設(shè)需求，泄水閘LCU 設(shè)計(jì)EtherNet/IP（EtherNet Industry Protocol）是目前工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的比 較廣泛的協(xié)議體系，它是基于CIP（common industrial protocol）通用工業(yè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式的實(shí)時(shí)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(wǎng)或光纖傳輸，大大提高了傳輸速率；其環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)大大增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)冗余性、可靠性；以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有維護(hù)方便、易擴(kuò)展等性能。

基于EtherNet/IP 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，新LCU 規(guī)劃設(shè)計(jì)后的IO 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(huì)對(duì)其他RIO 柜的監(jiān)視和控制造成任何影響，極大地提高了通信可靠性和易擴(kuò)展性。

圖2 新LCU 規(guī)劃設(shè)計(jì)后的IO 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 Profibus DP 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某巨型水電站Profibus DP 環(huán)網(wǎng)監(jiān)控6 個(gè)深孔泵站（對(duì)應(yīng)23 個(gè)深孔弧門）、1 號(hào)排漂孔、2 號(hào)排漂孔、3 號(hào)排漂孔、1 號(hào)沖砂閘和2 號(hào)沖沙閘。

原LCU 系統(tǒng)與泄洪閘等設(shè)備采用Profibus DP環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，11 個(gè)泄洪設(shè)施控制盤柜與LCU 主PLC通過OLM 光纖鏈路模塊形成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。根據(jù)泄洪設(shè)施運(yùn)行實(shí)際工況和泄洪設(shè)施檢修計(jì)劃，泄洪設(shè)施在冬休檢修期和汛期運(yùn)行期，均存在不同泄洪設(shè)施同時(shí)停電檢修的情況，尤其是冬休檢修期期間，經(jīng)常發(fā)生11 個(gè)泄洪設(shè)施控制柜中的2 個(gè)泄洪設(shè)施控制柜停電檢修情況。

如 圖3 LCU Profibus DP 通 信 結(jié) 構(gòu)，602 泵 站（5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)深孔弧門控制柜）停電檢修和2 號(hào)沖沙閘控制柜同時(shí)停電檢修，運(yùn)行人員無法對(duì)601 泵站（1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)深孔弧門控制柜）、1 號(hào)排漂孔和1 號(hào)沖沙閘進(jìn)行監(jiān)視和控制，增加潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)多數(shù)運(yùn)行當(dāng)班值人員，打電話通知維護(hù)人員對(duì)LCU 進(jìn)行檢查處理，維護(hù)人員根據(jù)LCU 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況給運(yùn)行當(dāng)班值人員進(jìn)行匯報(bào)解釋，增加了運(yùn)行維護(hù)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(jiān)控系統(tǒng)Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于以上等原因，對(duì)新LCU 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，根據(jù)檢修計(jì)劃與實(shí)際需求，Profibus DP通信采用分離式雙Profibus DP 總線環(huán)網(wǎng)機(jī)構(gòu)，即將一個(gè)階段內(nèi)檢修的閘門放到一個(gè)Profibus DP 總線環(huán)網(wǎng)，另一個(gè)階段檢修的閘門放到另一個(gè)Profibus DP 總線環(huán)網(wǎng)。極大地減少了運(yùn)行人員在閘門檢修期間無法實(shí)時(shí)監(jiān)視的閘門數(shù)量；減少了Profibus DP環(huán)網(wǎng)子站數(shù)量、降低了Profibus DP 環(huán)網(wǎng)負(fù)荷、也降低了網(wǎng)絡(luò)故障率；Profibus DP 主站設(shè)備由原來1 個(gè)增加為2 個(gè)，避免了因?yàn)橹髡驹O(shè)備故障導(dǎo)致所有通信數(shù)據(jù)消失，大大地提高了通信可靠性。

如圖4 為新LCU 規(guī)劃設(shè)計(jì)的Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，11 個(gè)泄洪設(shè)施控制柜任意2個(gè)泄洪設(shè)施控制柜及其對(duì)應(yīng)設(shè)備停電檢修，均不會(huì)對(duì)其他設(shè)備的通信造成任何影響，從而不影響運(yùn)行人員對(duì)泄洪設(shè)施的監(jiān)視和控制，極大地提高了電站泄洪設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 新LCU 規(guī)劃設(shè)計(jì)后Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集與處理

針對(duì)特大型電站巨型機(jī)組的數(shù)據(jù)采集要求，采用多連接、多線程并行網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，徹底解決了巨型機(jī)組信息采集點(diǎn)多、通信數(shù)據(jù)量大而導(dǎo)致的實(shí)時(shí)性問題。電站現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)的采集基本由各自的LCU 來完成，數(shù)據(jù)采樣周期滿足系統(tǒng)性能參數(shù)要求。所有事件均采用帶時(shí)標(biāo)方式采集、處理、上送，以方便運(yùn)行人員更能精確的查詢事件發(fā)生的時(shí)間，提高泄洪閘壩系統(tǒng)的可靠性，其PLC 配置圖如圖5 所示。

圖5 PLC 配置圖

2.1 數(shù)據(jù)處理方式

模擬量數(shù)據(jù)處理：從AI 模件采集的源碼值和通道質(zhì)量分別存儲(chǔ)于數(shù)組AnaReal[ ]和AnaQual[ ]，上位機(jī)下發(fā)強(qiáng)制命令后，強(qiáng)制值源碼存儲(chǔ)在數(shù)組CmdAnaValue[ ]，同時(shí)將強(qiáng)制狀態(tài)AnaFStatue[ ]置1。如果模擬量第i 點(diǎn)強(qiáng)制狀態(tài)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(zhuǎn)換為實(shí)際工程值，便于查看和修改。當(dāng)某個(gè)點(diǎn)被強(qiáng)制后，該點(diǎn)的通道質(zhì)量置為正常。

將模擬量源碼值、通道質(zhì)量及強(qiáng)制狀態(tài)上送上位機(jī)，在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中設(shè)定模擬量的量程、限值及死區(qū)。

開關(guān)量數(shù)據(jù)處理：開關(guān)量包含掃查開入量、計(jì)算掃查量及開出量，所有硬接線點(diǎn)（掃查開入量、開出量）具備上位機(jī)強(qiáng)制功能。上位機(jī)對(duì)開關(guān)量的采集方式為5 min 定時(shí)總召+變位讀取，總召是從PLC位圖緩存區(qū)直接讀取，變位讀取是從PLC 事件記錄緩存區(qū)中讀取。所有開關(guān)量及其通道質(zhì)量和強(qiáng)制狀態(tài)產(chǎn)生變位時(shí)，會(huì)在事件記錄緩存區(qū)中產(chǎn)生一條事件，事件包含點(diǎn)號(hào)、值及變位時(shí)間（包含年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒）等信息。當(dāng)有新的事件產(chǎn)生時(shí)，緩存區(qū)的指針發(fā)生變化，上位機(jī)根據(jù)指針讀取事件，同時(shí)對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫寫值。

2.2 對(duì)象設(shè)備控制

對(duì)象設(shè)備的控制模式均為自動(dòng)和手動(dòng)，自動(dòng)控制為程序根據(jù)控制邏輯自動(dòng)啟停，手動(dòng)控制為運(yùn)行人員手動(dòng)發(fā)啟停命令，且運(yùn)行人員主要監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)及啟停條件是否滿足，因此所有的對(duì)象設(shè)備的PLC 編程模式和上位機(jī)的監(jiān)視方式可統(tǒng)一。為排漂孔實(shí)現(xiàn)監(jiān)控為研究，圖8 為排漂孔系統(tǒng)的控制和監(jiān)視方式。

圖6 模擬量數(shù)據(jù)處理

圖7 開關(guān)量數(shù)據(jù)處理

圖8 排漂孔系統(tǒng)控制與監(jiān)視

當(dāng)排漂孔系統(tǒng)處于現(xiàn)地控制控制方式時(shí)，自動(dòng)和手動(dòng)均無法啟停排漂孔系統(tǒng)；當(dāng)手動(dòng)啟/停排漂孔系統(tǒng)條件不滿足時(shí)，上位機(jī)無法下發(fā)啟/停命令，同時(shí)PLC 中即使接收到命令也無法輸出；當(dāng)自動(dòng)啟/停排漂孔系統(tǒng)條件滿足時(shí)，輸出排漂孔系統(tǒng)啟/停的3 s 脈沖輸出；當(dāng)停止命令開出后但排漂孔系統(tǒng)反饋為啟動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)延時(shí)后報(bào)警（停止命令和狀態(tài)反饋不一致）；當(dāng)啟動(dòng)命令開出后但排漂孔系統(tǒng)反饋為停止?fàn)顟B(tài)，經(jīng)延時(shí)后報(bào)警（啟動(dòng)命令和狀態(tài)反饋不一致），可上位機(jī)發(fā)令復(fù)歸報(bào)警信號(hào)。

3 結(jié)語

泄洪閘壩系統(tǒng)LCU 冗余IO 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由原先的AF100 總線線性結(jié)構(gòu)改為EtherNet/IP 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)冗余性、可靠性，提升了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互能力，降低了系統(tǒng)故障率?？煽緿P 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由原先的1 個(gè)單環(huán)網(wǎng)改為2 個(gè)單環(huán)網(wǎng)，提高了與外部設(shè)備通信數(shù)據(jù)可靠性、穩(wěn)定性，減少了在閘門檢修期間無法實(shí)時(shí)監(jiān)視的閘門數(shù)量；降低了Profibus DP環(huán)網(wǎng)負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)故障率；避免因?yàn)? 個(gè)主站設(shè)備故障導(dǎo)致所有通信數(shù)據(jù)消失，大大地提高了通信可靠性。