光纤中继器在水电站控制应用中的风险及改进

刘兴胜

（华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙·里底水电工程建设管理局，云南 迪庆674606）

0 引言

光纤通信因为传输远、速度快、信息传递质量高、抗电磁干扰、信息传输量大等诸多优势[2]，在工业、民用、互联网、电站及各行各业得到广泛应用，尤其在现在信息化时代，光纤通信更成为信息传输的重要手段。在光纤通信中，光纤中继器作为重要的光传输设备也不可避免的得到广泛应用。

水电站作为一个庞大的系统工程，各枢纽建筑物、功能设备布置较为分散，土建、机电、金属结构的观测、控制设备繁杂、信息量大，信息传输要求高，因此，性能优异的光纤通信在水电站上得到广泛应用。但光纤通信在果多水电站使用中，由于设计和设备原因，出现了一些问题，导致机组非计划停运，事件具体情况如下。

1 果多水电站概况

果多水电站位于西藏自治区昌都市境内，为扎曲西藏段水电规划“两库五级”中第二个梯级电站。该电站以发电为主，具有周调节性能，电站装机容量160 MW（4×40 MW），保证出力33.54 MW，年发电量8.319亿kW·h。电站开发任务以发电为主，发电机与主变压器连接采用单元接线，发电机装设发电机出口断路器，以220 kV、110 kV两个电压等级3回出线分别接入澜沧江变电站、玉龙变电站和柴维变电站，供电昌都地区，同时通过川藏联网外送。果多水电站计算机监控系统采用开放式、分层分布结构，由电厂级计算机和现地控制级控制单元（LCU）组成。网络结构采用冗余交换式双星型工业以太局域网络，网络传输协议TCP/IP，传输速率1 000/100 Mb/s。电厂级交换机采用千兆工业级以太网交换机，并冗余配置。各LCU及水机保护柜均用两个现地交换机（双网）通过光缆和电厂级交换机相连。连接后网络结构为双星型网络。

一键落门系统主要用于紧急情况下，将运行机组停机且落进水口门。由于果多水电站采用无人值班方式运行，分别设有营地控制室和厂房控制室，因此，一键落门系统由营地和厂房2套一键落门柜构成。

2 事件经过

2016年5月9日16：57，果多水电站监控系统报：“3号机组中控室机组紧急落门按钮动作”，“3号机组水机保护中控室机组紧急落门按钮动作”，“3号机组水机保护远方紧急落门按钮动作跳闸”，“3号机组事故停机”，“3号机组远方紧急落门按钮动作跳闸”。3号机组启动事故停机流程，关闭进水口事故门。

2016年5月9日17：10，果多电厂监控系统报：“4号机组中控室机组紧急落门按钮动作”，“4号机组水机保护中控室机组紧急落门按钮动作”，“4号机组水机保护远方紧急落门按钮动作跳闸”，“4号机组事故停机”，“4号机组远方紧急落门按钮动作跳闸”。4号机组启动事故停机流程，关闭进水口事故门。

3 事件分析

3.1 一键落门系统图

系统图“以1号机组为例”详见图1。

3.2 监控系统报警事件记录

监控系统报警事件记录“3号机组中控室机组紧急落门按钮动作/复归”“3号机组水机保护中控室机组紧急落门按钮动作/复归”从16：57：55～17：02：33共重复报出17次，“动作”“复归”间隔最短3 ms，最长61 ms。“4号机组中控室机组紧急落门按钮动作/复归”“4号机组水机保护中控室机组紧急落门按钮动作/复归”从17：10：09～17：19：35共重复报出17次，“动作”“复归”间隔最短5 ms，最长307 ms。

3.3 光纤中继器工作原理

光纤中继器内部主要由故障报警信号回路和动作信号回路两部分组成，报警和动作信号回路完全独立。

3.3.1 光纤中继器故障报警信号原理

光纤中继器的告警继电器的判断条件是只要Rx端收到光信号，告警继电器就处于断开状态，无光信号时就处于闭合状态，并不对数据的对错进行判断。中继器U101和U111的故障信号并接送至监控LCU。

3.3.2 光纤中继器动作信号原理

中继器开关量信号输入端：开关量干接点信号输入→开关量信号防过电流电路→开关信号转高低电平电路→防过电压保护电路→设备内部主控芯片数据采样→主控芯片内部做数据编码处理→编码后TTL格式信号输出→光通信模块TX口→光模块做电信号编译光信号处理→光模块光纤输出。

中继器开关量信号输出端：光信号输入→光通信模块RX口→光通信模块做光信号转电信号→编码后的TTL格式信号输出→设备内部主控芯片→主控芯片内部做数据解码处理→主控芯片解码后的TTL格式开关信号输出→信号隔离器→继电器驱动电路→继电器→开关量输出。

3.4 外部光缆检查

通过对外部光缆检查发现，连接营地控制室至厂房控制室机组紧急落门柜的光缆虽然外观无异常，但光时域反射仪检测衰减较大，说明光缆内部存在损伤[4]。

3.5 事件过程分析

（1）由于外部光缆存在损伤，光衰减较大，导致光传输存在故障。本来故障信号可以通过中继器送至监控系统，但由于光纤中继器故障信号回路不完善，中继器报警回路中，U101和U111的故障信号并接送至监控LCU，而光纤中继器的告警继电器的判断条件是只要Rx端收到光信号，告警继电器就处于断开状态，无光信号时就处于闭合状态，并不对数据的对错进行判断。由于U101中继器Rx端无光信号（Rx端未用），所以告警继电器一直处于闭合状态，信号“开关站1号机组紧急落门光纤中继器状态”一直为高电平，导致U111中继器故障时并未报出信号，监控系统设计在故障信号回路存在缺陷。

图1 原一键落门系统图

（2）由于光纤中传输的通信格式是由帧头、数据、校验构成。在通信过程中，若光纤断裂或光功率低于要求值，接收端不会收到有效的命令，则不会有错误输出。但如果光纤接续不好，或衰减过大，或外部环境因素干扰等，致使光信号时强时弱，若光功率恰好处于临界状态，会使光纤处于高速通断的切换状态。机组紧急落门控制系统中光通信是由有光表示位1，无光表示位0，如果在正常通信中已发送帧头，这时光纤受干扰而出现毫秒甚至微秒级断裂，马上又恢复正常，这个时间段如符合通信速率特性，接收端不会认为是光纤断裂，而会解析为低电平信号，如果该信号恰好满足光通信速率条件，就会接收为正常数据，如果该数据恰好为正确的开关量信号，就有可能让数据帧出错。满足上述条件的概率虽极低，但光纤微秒到毫秒级的时通时断就有可能造成信号的误开出。

另外一种可能，如果光纤处于高速通断的切换状态改变的数据位巧合，还有可能使错误信号检验刚好和正确检验完全相同，也会造成信号的误开出。

为了验证上述判断，果多电站人员把光纤中继器送到中国测试技术研究院进行测试，测试报告显示：模拟光通道在正常通信的临界点，不加干扰光源的情况下，通过人为弯曲抖动光缆的方式模拟时通时断状态，接收端中继器出现时通时断的故障指示。模拟这种时通时断的状态超过3 000次，接收端中继器的输出接点检测到实际的动作开出，虽然概率较小，但确实存在误动情况。在接近临界点通信状态下，外加1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm波长的干扰脉冲光源后，同时通过人为弯曲抖动光缆的方式模拟时通时断状态，接收端中继器的输出接点检测到实际的动作开出，误动概率较大。

通过验证，在中国测试技术研究院的测试与上述判断是吻合的。

针对告警继电器连续报警后开始出现开关信号异常输出的现象，分析如下：

首先告警继电器的判断机制是只要收到外部光信号就处于断开状态，无光时就处于动作闭合状态，并不对数据对错进行判断。且控制告警继电器的信号是由独立的电路对有无光信号进行判断，与工作继电器开出动作信号电路完全是分开的。所以才会出现在光纤出现时通时断的时候，首先告警继电器会连续动作，然后遇到错误的但符合有效数据格式的数据时，开关信号才动作输出。同时也说明厂家提供的光电中继器内部控制逻辑不完善，未能有效屏蔽错误信号。

“动作/复归”信号频繁报出，且间隔时间非常短，同时通过调取监控录像，对控制室、厂房控制室至各机组电缆通道进行检查，未发现在事故期间有人员进行工作，因此，可以排除人为误操作。

最终判断，由于光纤中继器缺乏有效闭锁功能，遇外界干扰，远方落门信号（中控室机组紧急落门按钮动作）误开出，导致进水口事故门落门并动作于停机。

4 解决方案

通过分析，如果光缆故障，光纤中继器由于自身缺陷可能发生误动，且存在随机性，因此从营地控制室远程落门柜到厂房控制室远程落门柜之间通信不再采用光纤中继器，而改用PLC控制器通过以太网通信规约实现信号的远传。具体配置方案：在营地控制室远程落门柜和厂房控制室远程落门柜中分别配置2套独立的PLC控制器和1套光纤交换机。营地控制室远程落门柜上的4台机组的紧急落门信号分别接入2套PLC控制器，通过光纤交换机和IEC60870-5-104规约远传至厂房控制室，厂房控制室远程落门柜内的2套PLC控制器分别收到紧急落门信号后，可进行初步逻辑判断，再分别控制输出。另外，将厂房控制室远程落门柜内2套PLC控制器的控制输出接点分别串联，只有在这两套输出均动作时才允许去紧急落门。原理图（以单台机组接入为例）详见图2。

5 结论及启示

图2 一键落门修改图

果多电站“一键落门系统”改造后，经过多次模拟试验，紧急落门功能可靠，运行至今再未出现误动情况，证明改造是成功的。光纤通信虽然具有传输距离远、抗干扰能力强等诸多优点，但光纤中继器作为重要的光传输设备由于结构简单，功能独特，在光纤通信中使用广泛，而光纤在施工和使用过程中（尤其在户外环境下）易遭受到外力损伤，光纤断线、微弯、熔接造成的损耗不可避免[3]，光纤中继器作为定型产品，由于自身功能的局限性，内部控制逻辑不完善，不具备现场编程功能，不能有效屏蔽错误信号，可靠性不足，只适用于非重要控制系统。对于重要控制系统，防误动性能要求较高，PLC控制器可通过现场编程，增加必要的闭锁逻辑，防止设备误动事件发生。因此，在水电站类似于“一键落门系统”等关键控制系统中，简单采用光纤中继器达到控制功能的方案需慎选，相比较，使用PLC控制器比光纤中继器更为可靠、合适。