巨型水电站泄洪闸坝系统LCU 可靠性优化

黄鹏辉，郭 穗，张 鹏，夏国强

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某巨型水电站监控系统已投运近20 年，泄洪闸坝系统LCU 面临着技术不够先进、考虑面不够全面等使用不便现状，已不能完全满足电站的实际安全生产需求。随着智能电网、智慧电厂建设的不断推进，迫切需要对泄洪闸坝系统LCU 进行可靠性优化，实现为一套技术领先的监控系统。基于北京中水科技开发有限公司自行研发的H9000 V6.0 系统，对此巨型水电站泄洪闸坝系统LCU 的可靠性进行研究与应用。

1 网络结构设计优化

1.1 CPU 与IO 子站网络结构优化

优化前LCU IO 网络结构采用ABB 专用协议AF100 双线性网结构，该网络结构数据传输为总线模式传输，数据交互能力较低，如图1 线性网络结构中，如果出现一个断点，将导致后面所有的设备通信中断。

图1 原LCU IO 网络结构图

原网络结构的最大问题是当RIO1、RIO2、RIO3、RIO4、RIO5、RIO6 柜任一盘柜进行断电检修或者通信故障或者停电或者改造，均会影响其他远程IO 盘柜的通信从而扩大事故面积，影响对泄洪设施进行监视和控制，增加运行潜在风险。

基于以上问题考虑，根据目前自动化、智能化水电站建设需求，泄水闸LCU 设计EtherNet/IP（EtherNet Industry Protocol）是目前工业环境应用的比 较广泛的协议体系，它是基于CIP（common industrial protocol）通用工业协议的网络，是面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时I/O 信息和显式信息（包括硬件组要、诊断等）的有效传输，EtherNet/IP 采用以太网或光纤传输，大大提高了传输速率；其环网结构大大增加了网络结构冗余性、可靠性；以太网结构具有维护方便、易扩展等性能。

基于EtherNet/IP 环网结构进行研究，新LCU 规划设计后的IO 网络结构如图2 所示，RIO1、RIO2、RIO3、RIO4、RIO5、RIO6 柜任一盘柜断电检修或者通信故障或者停电或者改造，均不会对其他RIO 柜的监视和控制造成任何影响，极大地提高了通信可靠性和易扩展性。

图2 新LCU 规划设计后的IO 网络结构图

1.2 Profibus DP 通信网络结构优化

某巨型水电站Profibus DP 环网监控6 个深孔泵站（对应23 个深孔弧门）、1 号排漂孔、2 号排漂孔、3 号排漂孔、1 号冲砂闸和2 号冲沙闸。

原LCU 系统与泄洪闸等设备采用Profibus DP环网结构，11 个泄洪设施控制盘柜与LCU 主PLC通过OLM 光纤链路模块形成一个光纤环网。根据泄洪设施运行实际工况和泄洪设施检修计划，泄洪设施在冬休检修期和汛期运行期，均存在不同泄洪设施同时停电检修的情况，尤其是冬休检修期期间，经常发生11 个泄洪设施控制柜中的2 个泄洪设施控制柜停电检修情况。

如 图3 LCU Profibus DP 通 信 结 构，602 泵 站（5 号、6 号、7 号、8 号深孔弧门控制柜）停电检修和2 号冲沙闸控制柜同时停电检修，运行人员无法对601 泵站（1 号、2 号、3 号、4 号深孔弧门控制柜）、1 号排漂孔和1 号冲沙闸进行监视和控制，增加潜在的运行风险。同时多数运行当班值人员，打电话通知维护人员对LCU 进行检查处理，维护人员根据LCU 网络结构实际情况给运行当班值人员进行汇报解释，增加了运行维护人员的工作量，尤其是在冬休检修期人员紧张，大大地降低了工作效率。

图3 原LCU 监控系统Profibus DP 网络结构

基于以上等原因，对新LCU 通信网络结构进行优化研究，根据检修计划与实际需求，Profibus DP通信采用分离式双Profibus DP 总线环网机构，即将一个阶段内检修的闸门放到一个Profibus DP 总线环网，另一个阶段检修的闸门放到另一个Profibus DP 总线环网。极大地减少了运行人员在闸门检修期间无法实时监视的闸门数量；减少了Profibus DP环网子站数量、降低了Profibus DP 环网负荷、也降低了网络故障率；Profibus DP 主站设备由原来1 个增加为2 个，避免了因为主站设备故障导致所有通信数据消失，大大地提高了通信可靠性。

如图4 为新LCU 规划设计的Profibus DP 网络结构，相比原网络结构，11 个泄洪设施控制柜任意2个泄洪设施控制柜及其对应设备停电检修，均不会对其他设备的通信造成任何影响，从而不影响运行人员对泄洪设施的监视和控制，极大地提高了电站泄洪设施的安全稳定运行。

图4 新LCU 规划设计后Profibus DP 网络结构图

2 数据采集与处理

针对特大型电站巨型机组的数据采集要求，采用多连接、多线程并行网络通信技术，彻底解决了巨型机组信息采集点多、通信数据量大而导致的实时性问题。电站现场各种数据的采集基本由各自的LCU 来完成，数据采样周期满足系统性能参数要求。所有事件均采用带时标方式采集、处理、上送，以方便运行人员更能精确的查询事件发生的时间，提高泄洪闸坝系统的可靠性，其PLC 配置图如图5 所示。

图5 PLC 配置图

2.1 数据处理方式

模拟量数据处理：从AI 模件采集的源码值和通道质量分别存储于数组AnaReal[ ]和AnaQual[ ]，上位机下发强制命令后，强制值源码存储在数组CmdAnaValue[ ]，同时将强制状态AnaFStatue[ ]置1。如果模拟量第i 点强制状态为0，将AnaReal[i]值赋给AnaAct[i]，否则将CmdAnaValue[i]赋给AnaAct[i]。程序中参与逻辑判断的模拟量需从0～16000 的源码值转换为实际工程值，便于查看和修改。当某个点被强制后，该点的通道质量置为正常。

将模拟量源码值、通道质量及强制状态上送上位机，在上位机数据库中设定模拟量的量程、限值及死区。

开关量数据处理：开关量包含扫查开入量、计算扫查量及开出量，所有硬接线点（扫查开入量、开出量）具备上位机强制功能。上位机对开关量的采集方式为5 min 定时总召+变位读取，总召是从PLC位图缓存区直接读取，变位读取是从PLC 事件记录缓存区中读取。所有开关量及其通道质量和强制状态产生变位时，会在事件记录缓存区中产生一条事件，事件包含点号、值及变位时间（包含年、月、日、时、分、秒、毫秒）等信息。当有新的事件产生时，缓存区的指针发生变化，上位机根据指针读取事件，同时对上位机数据库写值。

2.2 对象设备控制

对象设备的控制模式均为自动和手动，自动控制为程序根据控制逻辑自动启停，手动控制为运行人员手动发启停命令，且运行人员主要监视设备运行状态、故障状态及启停条件是否满足，因此所有的对象设备的PLC 编程模式和上位机的监视方式可统一。为排漂孔实现监控为研究，图8 为排漂孔系统的控制和监视方式。

图6 模拟量数据处理

图7 开关量数据处理

图8 排漂孔系统控制与监视

当排漂孔系统处于现地控制控制方式时，自动和手动均无法启停排漂孔系统；当手动启/停排漂孔系统条件不满足时，上位机无法下发启/停命令，同时PLC 中即使接收到命令也无法输出；当自动启/停排漂孔系统条件满足时，输出排漂孔系统启/停的3 s 脉冲输出；当停止命令开出后但排漂孔系统反馈为启动状态，经延时后报警（停止命令和状态反馈不一致）；当启动命令开出后但排漂孔系统反馈为停止状态，经延时后报警（启动命令和状态反馈不一致），可上位机发令复归报警信号。

3 结语

泄洪闸坝系统LCU 冗余IO 网络结构，由原先的AF100 总线线性结构改为EtherNet/IP 环网结构，大大提高了系统冗余性、可靠性，提升了系统数据交互能力，降低了系统故障率。可靠DP 网络结构中，由原先的1 个单环网改为2 个单环网，提高了与外部设备通信数据可靠性、稳定性，减少了在闸门检修期间无法实时监视的闸门数量；降低了Profibus DP环网负荷、网络故障率；避免因为1 个主站设备故障导致所有通信数据消失，大大地提高了通信可靠性。