馮思斌 屈濤 張宏偉 楊闖 王麗國(中控智網(北京)能源技術有限公司，北京 100000)

1 國內長輸管道SCADA軟硬件現(xiàn)狀

截止2019年年底，我國油氣管道建設事業(yè)已經取得令人矚目的成就，相繼建成油氣管道14萬余公里，形成了“北油南運”、“西油東進”、“西氣東輸”、“海氣登陸”的油氣輸送格局。

在建設油氣管道的同時，對自動化技術與上位機SCADA軟件的要求也日益苛刻，在自動化水平提升的同時，能源安全也是重中之重。國內輸油氣干線、省級管網等長輸管道SCADA系統(tǒng)軟硬件國外進口占比在90%以上，主要為Rockwell、Cegelec、Telvent、Honeywell、Schneider，嚴重制約了國內自動化系統(tǒng)的發(fā)展，且部分軟硬件已經停產，后期維護費用極高。

2 國產油氣管道PCS發(fā)展歷程及成果

2011年7月北京油氣調控中心承擔了國產油氣管道SCADA系統(tǒng)國產化研發(fā)項目；2012年6月，經過需求分析，開始集中研發(fā)；2013年3月，完成了軟件規(guī)劃、總體架構概要、詳細設計工作；2013年8月，完成編碼集成、單元測試和集成測試；2014年7月，軟件通過系統(tǒng)測試和第三方測試；2014年8月，項目通過自驗收并發(fā)布PCS V1.0。[1]歷時三年，經過不懈努力，凝心聚力，攻堅克難，圓滿完成國產油氣管道PCS系統(tǒng)軟件研發(fā)。軟件適應管道網絡化和集中調控模式發(fā)展趨勢，滿足油氣管道生產監(jiān)控需要。且所有成果權屬完全歸中國石油天然氣股份有限公司所有。

3 國產油氣管道PCS系統(tǒng)介紹

3.1 軟件架構

PCS V1.0軟件基于面向服務架構(SOA), 設計研發(fā)集成服務臺，實現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)管理、交互和應用服務管理功能。應用可使用統(tǒng)一接口接入，并通過人機進行一體化數(shù)據(jù)展示。

3.2 組成結構

PCS V1.0軟件主要由以下子系統(tǒng)組成：(1)集成服務平臺(包括集成服務總線、系統(tǒng)管理、 公共服務、實時數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)庫與模型管理)；(2)數(shù)據(jù)采集(包括報文分析、前置數(shù)據(jù)處理、規(guī)約采集、鏈路管理)；(3)HMI人機界面 & Web(包括控制臺、系統(tǒng)監(jiān)視、畫面瀏覽、Web瀏覽、組態(tài)功能、維護診斷工具、報表分析、趨勢分析)；(4)基礎應用(包括批次跟蹤、管存分析、差壓流量分析、庫存管理、高點壓力分析、水力坡降分析、官網平衡分析)。

3.3 主要功能特點

一體化的集成服務平臺、開放的集成服務總線、標準化的數(shù)據(jù)訪問接口、靈活的應用擴展機制、圖模庫一體化技術、人機客戶端跨系統(tǒng)訪問、分布式部署、一主多備冗余、安全訪問控制機制、支持跨平臺應用、可伸縮、可裁剪、可擴展。

3.4 中國軟件評測中心評測情況

中國軟件評測中心，從軟件功能、性能和通信協(xié)議一致性等多個方面，在實驗室環(huán)境下對PCS V1.0軟件進行了全面的第三方評測。經過多輪測試消缺后，一般及以上缺陷修復率達到100%，PCS V1.0軟件滿足軟件需求定義的功能與性能要求，通過測試。

中國軟件評測中心對PCS V1.0軟件進行了“數(shù)據(jù)采集→實時數(shù)據(jù)處理→歷史存儲→人機界面展示”的全業(yè)務流程性能測試，主要性能指標測試結果如表1所示。

表1 指標測試結果

3.5 關鍵技術及創(chuàng)新[1-8]

(1)集成服務總線技術。集成服務總線用以支撐服務間的實時通信， 提供了標準的訪問接口，屏蔽了服務實現(xiàn)、分布的信息，支持服務分布式部署和動態(tài)接入，并有較高通信效率。

(2)實時數(shù)據(jù)庫技術。實時數(shù)據(jù)庫采用共享內存技術實現(xiàn)存儲管理，同時采用高速數(shù)據(jù)索引、線程池和雙隊列緩存等技術，提高數(shù)據(jù)處理、存儲和查詢的并發(fā)能力與執(zhí)行效率，可滿足100萬點數(shù)據(jù)管理、20萬點/秒數(shù)據(jù)更新。

(3)歷史數(shù)據(jù)庫技術。歷史數(shù)據(jù)庫可分為數(shù)據(jù)存儲層、通用接口層和歷史服務層。存儲層由關系數(shù)據(jù)庫和存儲介質構成。通用接口層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，可以兼容不同的關系數(shù)據(jù)庫。歷史服務層采用數(shù)據(jù)壓縮、多級緩存策略、自適應線程池等技術，提供海量歷史數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計分析、報表等服務。

(4)油氣管道模型技術。首次提出并實現(xiàn)了一種油氣管道設備對象模型。通過分析油氣管道SCADA系統(tǒng)業(yè)務需求，抽象整理出一套以生產設備為核心的模型體系，既可定義設備信息及數(shù)據(jù)類型，亦可描述設備之間的連接關系。 按照模型定義來設計數(shù)據(jù)庫表的模式并制定約束條件，實現(xiàn)基于管道設備模型的數(shù)據(jù)管理，為油氣管道調控應用提供了良好的信息基礎和擴展支持。

(5)油氣管道模型技術。設計實現(xiàn)了通用協(xié)議擴展調用框架，支持協(xié)議的動態(tài)擴展，使系統(tǒng)具備與任意通信協(xié)議對接的能力。

(6)數(shù)據(jù)轉發(fā)與回填技術。中控系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，從站控系統(tǒng)獲得站場的數(shù)據(jù)。站控系統(tǒng)可緩存實時采集數(shù)據(jù)，當中控與站控通信中斷，待恢復后， 中控系統(tǒng)可通過站控系統(tǒng)獲取斷連期間緩存的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回填，確保數(shù)據(jù)完整。

(7)插入式界面管理技術。采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)技術，實現(xiàn)了標準化、插件式的界面管理。通過插件的注冊、注銷和啟動等服務管理功能為應用和第三方系統(tǒng)的集成提供便捷手段。

(8)管網拓撲著色技術。基于模型拓撲信息，計算管道連通狀態(tài)、流動狀態(tài)及流向，并在畫面動態(tài)展示，實現(xiàn)管網拓撲著色功能，為調度人員提供直觀的管網狀態(tài)顯示。

4 國產油氣管道PCS系統(tǒng)的應用及效果

PCS軟件作為國產化核心部件，在站控SCADA系統(tǒng)應用中得到了充分檢驗。

為了直觀展示油氣管道SCADA系統(tǒng)軟件國產化研發(fā)成果，應用PCS V1.0軟件，參照現(xiàn)役SCADA系統(tǒng)，搭建了秦沈( 秦皇島-沈陽)天然氣管道SCADA演示系統(tǒng)，具備除控制之外的全部SCADA功能。利用現(xiàn)役系統(tǒng)轉發(fā)實時數(shù)據(jù)，通過人機畫面直觀展示秦沈線生產運行情況。通過與現(xiàn)役SCADA系統(tǒng)進行對比分析，軟件得以優(yōu)化。目前秦沈線演示系統(tǒng)運行一切正常，進一步證明PCSV1.0軟件經過實驗室測試后，已初步具備建設油氣管道SCADA系統(tǒng)工程的基礎能力，可進一步開展工業(yè)試驗。

2016年至2017年PCS系統(tǒng)在港棗成品油管道和冀寧天然氣管道成功進行試驗。試驗結果顯示，PCS系統(tǒng)在各方面已超過同類國外產品，可完全實現(xiàn)國產化替代。

2019年11月28日，大連至沈陽天然氣管道蓋州壓氣站工程順利投產，宣告國產PCS軟件首次在新建管道工程正式應用并獲得成功。蓋州壓氣站是中國石油首個實現(xiàn)管道控制系統(tǒng)軟件和硬件全面國產化的站場。這個站不僅在國產化方面取得了突破，而且實現(xiàn)了一鍵啟停壓縮機組、一鍵啟停壓氣站，具有較高控制水平。由調控中心國產化項目組同步自主建設的中控蓋州PCS軟件，達到了較高技術水平，目前調控運行穩(wěn)定，其功能與可靠性完全滿足現(xiàn)場控制要求。為國產SCADA控制系統(tǒng)在中俄東線天然氣管道工程中的應用奠定了基礎。[9,12]

5 結語

目前國內已經建成油氣管道14萬余公里，長輸油氣管道總里程位居世界第三，總體來說，我國已基本形成連通海外、覆蓋全國、橫跨東西、縱貫南北、區(qū)域管網緊密跟進的油氣骨干管網布局。根據(jù) 2017 年我國《中長期油氣管網規(guī)劃》，到 2020 年全國長輸油氣管網規(guī)模將達到16.9萬公里，到2025年，管網規(guī)模將達到24萬公里。

按照能源發(fā)展規(guī)劃，我國未來還將持續(xù)加大油氣管道建設投入力度。這為PCS系統(tǒng)軟件的推廣應用提供了廣闊市場。國產油氣管道PCS系統(tǒng)必將打破國外軟件壟斷的局面，有效降低管道建設、運營維護的成本，增加效益。

逐步替換管道系統(tǒng)內現(xiàn)役國外軟件，實現(xiàn)油氣管道SCADA系統(tǒng)軟件完全國產化，將從根本上消除使用國外軟件的安全隱患，確保國家能源安全。