清远水利枢纽发电机控制系统通信升级改造

朱妃生

(清远粤华电力有限公司，广东 清远 511500)

1 概述

清远水利枢纽位于广东省北江中游清远市境内，电站装机容量为4×11 MW，机组设备为四川东风电机股份有限公司提供的GZB1140-WP-670灯泡贯流式水轮发电机组，额定转速为76.9 r/min，额定水头为7.4 m，额定流量为236.0 m3/s。2011年11月至2012年8月，4台机组相继投产发电。

清远水利枢纽电站每台发电机组的电气控制系统主要包含以下子系统: ①上位机监控系统；② 机旁LCU控制系统；③ 微机励磁系统；④ 微机调速器系统；⑤ 轴承润滑油泵控制系统；⑥ 温度巡检系统。以上6个子系统的数据交互关系如图1所示。

图1 电气控制系统数据交互关系示意

机旁LCU控制系统以Modicon公司的Premuim系列PLC作为控制核心，以TSXSCY21601模块的CH1通道1作为RS485串行通信的主站，微机励磁系统、微机调速器系统、机组轴承润滑油泵控制系统、温度巡检系统等4个子系统作为RS485串行通信的从站。串行通信协议采用国家标准GB/T19582—2008中的MODBUS协议[1]。

2019年11月10日16：32，1#机组在并网运行过程中，运行人员发现上位机监控系统语音报警提示1#机组温度巡检通信中断，1#机组轴承润滑油泵控制通信中断，1#机组调速器通信中断，1#机组的包括水轮机导/桨叶开度值、1#机组发电机线圈温度、发电机铁芯温度、轴承润滑油泵运行状态，润滑油低位油箱液位等机组运行的重要参数已经不能够实时更新，运行值长在等待了5 min后，上述数据未见恢复正常通信，为了机组运行安全，值长将机组停机检查处理，同样的故障已经在1#机组发生多次。

2 故障原因分析

2.1 通信介质应用存在缺陷

清远水利枢纽为河床式电站，作为通信主站的机旁LCU控制系统安装于厂房的操作层，离主站最远的机组轴承润滑油泵控制系统从站安装于厂房的流道层，两者垂直海拔落差达30 m，线缆的布线路径经过每层的电缆桥架，布线路径还需要与10 kV高压电缆层平行布线，总的线缆长度约达200 m。主站和从站间通过RVVP4*0.75的普通线缆连接，且线缆屏蔽层无可靠接地。对于屏蔽通道而言，仅有一层金属屏蔽层是不够的，更重要的还要有正确、良好的接地，把干扰有效地引入大地，才能保证信号在屏蔽通道中安全、可靠地传输[2]。串行通信接口(RS-422、RS485)在使用电缆时的传输距离一般不应大于1 km[3]。传输介质决定了网络的传输速率和网络段的最大长度[4]。根据Modicon公司产品的帮助手册中对于RS485串行通信方式性能参数的描述，理论上RS485串行通信以很低的通信速率可以在磁场干扰较低的环境中将通信距离延长到1 200 m，以较高速率进行通信时，通信距离会明显缩短，普通的铜质线缆在较强的磁场干扰作用下容易形成感应压降，引起RS485串行通信中断，甚至损坏通信模块。

2.2 主站和从站间通信组网接线方式存在缺陷

MODBUS串行链路协议是一个主-从协议[5]。主站和从站采用RS485串行通信方式且通信总线上同时存在多个从站时，主站与从站间的通信线组网连接宜采用菊花链式的接法(如图2所示)。

图2 菊花链式接法示意

即通信线从主站通信口连接至离主站最近的从站1的通信口，通信线再从从站1的通信口并接至临近的从站2的通信口，以此类推，一直将通信线连接至最远的从站，采用菊花链式的接法能减少干扰，提高通信稳定性。但实际情况是电站生产现场主站与从站间的通信线组网连接采用了星形连接法(如图3所示)。

图3 星形接法示意

串行通信如果使用星形接法对距离是有严格要求的，主站与从站间的距离如超出15 m使用此接法时，通信出错概率很高，严重时就是通信中断，电站现场MODBUS主站与部份从站的距离就大大超出这个距离范围。

2.3 主站和从站间的通信方式选择不合理

通信方式的选择应遵照国家通信技术政策，根据水电厂的特点，结合水电厂所在流域和电力系统的通信现状和发展规划，经技术经济比较后确定[6]。串行通信一般只适用于传输数据量小，传输速率要求不高，传输距离较近，对抗干扰要求不高的场合。但清远水利枢纽水电站装机容量较大，机组运行时主站和从站间的运行数据的交换速率要求较高，数据量比较大，加之厂房各设备间的距离较远，就会造成通信布线距离过长，布线所经之处均是有干扰磁场的变压器，大功率电动机等设备，以上不利因素均会影响到串行通信的正常运行。

3 技术改造

清远水利枢纽电站1#机组串行通信中断故障事件频频发生，已经严重影响到机组的运行安全，通过对原有通信方式的软件、硬件进行改进，改造，从根本上杜绝此类故障事件已经迫在眉睫。

3.1 增加主站数量让数据分流的改造

改造前的旧系统是1个主站与4个从站进行通信，1个主站跟4个从站通信会产生轮询时间，造成数据刷新不快的问题。改造第1步需先增加主站，给数据分流。将原先的1个主站与4个从站通信，改成3个主站与4个从站通信，4个从站中，励磁系统从站和温度巡检从站距离机组LCU控制屏比较近，布线距离在5米以内，这两个从站仍然采用串行通信方式，保留由TSXSCY21601模块的CH0通道0作为新增的主站与温度巡检从站进行1主站1从站方式进行点对点通信，由TSXSCY21601模块的CH1通道1作为主站与微机励磁系统从站进行1主站1从站方式进行点对点通信。1主站1从站方式通信，不存在通信轮询的问题，更不存在串行通信组网接线的问题，通信速率还可以设置得很快，同时会提高通信稳定性。

3.2 通信由串口改以太网的改造

利用机组LCU柜内PLC主机架的备用槽位，添加1块型号为TSX ETY 4103的以太网模块，此模块的以太网通道按MODBUS TCP协议作为主站跟距离较远的调速器从站和机组润滑油泵控制从站进行通信。调速器从站是1块屏通品牌的人机界面，在旧系统中是通过人机界面上的串口作为从站进行通信，系统改造后，改用人机界面上自带有的以太网口作为MODBUS TCP的从站，同样在旧的通信系统中机组润滑油泵控制系统从站是以1套M340系列PLC的BMX NOM 0200模块的0通道作为RS485的从站进行通信，系统改造后，将BMX NOM 0200串行通信模块更换成BMX NOE 0100以太网通信模块。机组LCU控制系统添加以太网通信主站后的通信网络如图4所示。

图4 机组添加以太网通信主站后的通信网络示意

3.3 通信介质的改造

由于励磁系统从站和温度巡检系统从站保留了RS485串口的通信方式，改造后将主站至这两个从站的通信线缆升级更换成带双层屏蔽层的专业通信用双绞线缆。双绞线较适合于近距离、环境单纯(远离磁场、潮湿等)局域网络系统[7]。并将双绞线缆屏蔽层单点可靠接地，加强抗干扰能力。双绞线可以在有限距离内达到每秒几兆比特的可靠传输率[8]。距离主站比较远的调速器从站和机组润滑油泵控制从站将通信方式由串行通信升级为以太网通信后，以太网通信介质可选用光纤或超五类及以上屏蔽双绞线[9]。从电站厂房的实际通信及布线环境考虑，最佳方案是将原先的铜质线缆更换成室内光纤，室内光纤宜选用非延燃材料外护层结构[10](如图5所示)。

图5 非延燃材料外护层示意

光纤通信是利用光导纤维来传输光波信号的[11]，光纤介质重量轻，体积小，抗腐蚀，不怕潮湿[12]，光纤传输系统是数字通信的理想通道[13]。在电站这种充满强磁场干扰的场合采用光纤材料作为通信介质更具有技术优势，数据传输速度快，通信稳定，由于通信数据是光信号传输对磁场干扰不敏感，所以磁场干扰的因素可以忽略不计，而且同等距离的室内光纤的价格只是铜质线缆的1/3。唯一需要增加成本的是需要在通信设备两端添加光纤收发器或者带光口的交换机。清远水利枢纽电站机组LCU的主站端添加了1台4光口4电口的工业交换机，在调速器从站和机组润滑油泵控制从站各添加1台1光口1电口的光纤收发器(如图6所示)。

图6 光纤收发器示意

4 结语

清远水利枢纽电站针对发电机控制系统通信中断事件经过因地制宜的综合分析，在满足现场通信系统技术条件的基础上，通过增加通信主站数量，数据分流，升级通信方式，更换主站和从站间的通信介质等技术手段对1#机组发电机控制通信系统进行全面的升级改造后，机组LCU主站采集各个从站数据的速度较改造前快许多倍，且稳定性显著提高，经过长达1 a多时间的不间断运行，1#机组再无出现机旁LCU控制系统通信中断的现象，提高了机组运行的安全可靠性，同时为其他机组的类似故障提供了行之有效的技术改造参考方案。