瑞丽江水电站LCU组网方式优化

张显兵，张 捷

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

瑞丽江水电站位于缅甸境内，离中国瑞丽口岸直线距离60 km，装机6台，单机容量100 MW。电站按照一厂两站接线设计，即在电气上分为两座电站，电站以220 kV（230 kV）/66 kV二级升高电压分别向中缅送电。该电站在生产管理上采取一室两控的管理方式，即缅方人员和中方人员共同在中控室接收各自国家调度的指令，控制各自的机组。

1 优化前的状况

瑞丽江水电站监控系统现地部分采用分布式结构设计，每一套LCU都是一个独立的控制设备单元，对相应设备进行单独的数据采集和控制。全厂现地部分主要包括：

6套机组LCU，1套开关站LCU，1套坝区LCU，1套公用LCU，1套电能计量LCU。除电能计量LCU之外，其它所有LCU均由可编程控制器组成。

现地层的PLC采用S908 RIO总线方式，物理介质为同轴电缆；厂站层与现地层之间的数据通信采用光纤作为通信介质，该模式采用双网采集、控制方式，保证了在任何一条链路出现问题的情况下，另外一条链路可以正常采集、控制现地LCU的数据；电能计量LCU负责采集电站的电量，并通过通信方式将电度量上送到远方计算机监控系统；现地触摸屏与CPU之间通过ModBus总线通信，并可以保证在主、备用CPU发生切换的情况下，触摸屏仍然可以采集到相应数据。具体结构如图1所示。

图1 S908总线网络拓扑图

经过长周期运行，S908 RIO通信的弊端日益显露。多次随机出现单个子站全部信号复归的现象，以及主站模块报ErrorA 或者ErrorB,产生此类故障的原因，主要如下。

（1）同轴电缆连接附件较多，因而故障点较多。S908 RIO总线涉及到的设备有总线主站模块、总线子站模块、主站分支器、子站分离器、同轴电缆及终端电阻，每个元件都是理论上的故障点，每次出现故障，都需要逐一排除排查。

（2）同轴电缆与分支器/分离器接头的地方松动或长时间氧化而接触不实，分支器/分离器质量不好或受到损伤或老化导致通信性能下降。S908 RIO总线长期在振动、粉尘的环境下运行，设备之间的连接由于长时间的振动及粉尘，容易出现接触不良，氧化等问题。

（3）同轴电缆的反射特性，导致连接的同轴电缆长度至少为2.2 m[1]。同轴电缆的最小长度限制，导致盘内布线拥挤，盘柜之间同轴电缆的布线难以规范，布线的不规范容易造成同轴电缆接触不良。

（4）外界强电磁干扰、制作和安装工艺不合格产生型号衰减。，同轴电缆且对弯曲半径要求较高，而同轴电缆都是手工制作，这对同轴电缆的制作、安装要求很高，加之电磁干扰的运行环境，导致S908总线在通信时发生迟滞。

2 优化方法

2.1 优化原则

监控系统LCU按“总体设计、分步实施”方案进行，无扰接入的要求。LCU组网方式优化需满足以下基本要求：

（1）系统配置和设备的选型符合技术发展特点，硬件、软件采用成熟、可靠、标准化、模块化、结构化的产品，又要适应功能的增加和系统规模的扩展。

LCU设备需采用冗余工作方式设计。主、备用CPU热备冗余设计可以在主用CPU发生故障的同时，将备用CPU升格为主用CPU，同时，由于主用CPU在运行的过程中会将控制数据实时传送到备用CPU，所以，在发生主、备用CPU切换的时候，不会出现任何扰动现象影响外围设备的运行；系统采用冗余数据的采集、控制结构，每套CPU都可以通过A、B两套I/O数据网对远程I/O实施采集和控制，任何一套网络出现问题的情况下，CPU都会自动从另外一套网络上获得远程I/O信息数据，从而保证了数据采集与控制的可靠性；

（2）实时性好，响应速度快，抗干扰能力强，可靠性高，适用电厂的现场环境，易于维护。

LCU设备需要有对I/O模块的故障诊断功能并支持对I/O模块的热插拔。需支持所有I/O模块的质量状态，当某一块模块出现问题的时候，可以采集到该模块的故障信息，某些模块甚至可以采集到模块中每个通道的故障信息，程序会自动判断模块及通道的质量状态，在某个模块或某个通道出现问题的时候，程序会闭锁与该模块或通道相关的控制输出，不会影响LCU的正常运行及对外部设备的正常控制；当模块出现故障的时候，运行人员可以在带电的情况下更换I/O模块，不会影响机组的正常运行。

（3）最大限度的利用现有硬件设备，小范围改动。最大限度的压缩改动的范围，以减低升级成本、缩短升级的周期。

（4）分步实施过程中，未优化和已优化LCU需并列运行。优化方案需充分考虑升级过程中，已升级和未完成升级的LCU同时运行时的对监控系统的影响，保障两者能够同时稳定运行。

2.2 优化内容

结合现场LCU的实际情况，决定采用QEIO网络替换S908 RIO总线的方法[2]，实现LCU组网方式的优化。更换S908总线主站模块140CRP93200为QERO 网络主站模块140CRP31200；更换S908总线子站模块140CRA93200为QERO 网络子站模块140CRA31200；更换新版本的CPU模块140CPU67160。具体结构如图2所示。

图2 QEIO总线网络拓扑图

具体实施步骤如下：

（1）连接PLC控制器，备份CPU程序，并检查确认传输至其它系统的相关数据是否需要强制设定。

（2）断 开PLC供 电 电 源，拆 除PLC模 件140CPU67160、140CRP93200、140CRA93200，拆除分离器、分支器、终端电阻、同轴电缆等附件。

（3）安 装140CRP31200模 块、140CRA31200模块，以及新版本的140CPU67160模块，安装QEIO电缆。

（4）更改软件配置。修改CPU、CRP、CRA的配置，修改相应诊断程序及健康系统状态字，重新大编译LCU程序。

（5）合上PLC供电电源，download新程序，测试信号的上传下送。

3 优化的成果

此次LCU组网方式优化，有以下成果：

（1）工业以太网发展迅猛，QEIO代表未来的发展趋势，保障了技术的先进性。目前，各主流控制器的工业总线，都逐渐支持工业以太网，为将来各设备间的互联互通，创造了便利条件。QEIO将逐步替代S908、Profibus等现场总线，成为统一的现场总线。

（2）改动范围小，风险小，周期短。现场升级的设备较少，控制柜的布置不需要做改动，除了拆除S908总线，安装以太网连接电缆，其他信号电缆均不需要重新敷设。控制器也没有变化，只是提高了OS版本，以支持QEIO模块。硬件方面的改的极小，大大缩短了升级的周期，在电厂小修的间隙，即可以完成升级工作。

（3）最大限度的保留了原有设备，节省成本。升级为QEIO组网，原有的信号采集模件如开关量输入模块、开关量输出模块、中断量模块、模量量输入模块、温度量输入模块都可以保留，继续使用，大大减轻了升级的成本。

（4）子站通信吞吐量大大增加，改善CPU与I/O子站的通信速率，同时方便以后I/O子站的拓展。S908的典型速率是1.544M，QEIO通信速率为理论100M，提高74.77倍。由于通信速率的提高，每一个远程子站的通信容量也大幅提高：S908的组网方式，每一个远程子站通信上限值是输入输出各64字；而对于QEIO模式，这一上限值为400字，通信能力提高6.25倍。因此，QEIO组网方式可以根据需要配置IO模块，而不必考虑通信上限的限制。也就是说，QEIO在子站的模块组网方面更加灵活，对于子站模块的拓展，提供了足够的支撑。

（5）网络介质由同轴电缆改为以太网，布线简单、诊断更加方便，减少维护工作量。以太网成本低，盘柜内或者盘柜间，安装都很方便。使用的都是标准的工业以太网线，可以方便扩充为光纤方式，可以大大延长通信距离，接口稳定，日常维护的工作量小。

4 结语

对水电站LCU而言，稳定可靠，易于维护是衡量其安全性能的重要指标之一，随着工业以太网通信的快速发展，QEIO网络必将逐步替代S908 RIO。本文中所述的优化方法，为同类型水电站进行LCU升级优化提供了重要参考。