城市燃氣管網SCADA系統設計與實現

張鐵軍

（上海航天能源股份有限公司，上海201201）

深圳市自2006年開始引進大鵬液化天然氣，整個能源結構發生較大的調整，天然氣在能源消費構成中所占比重越來越大。為了保證燃氣管網安全、穩定、可靠、經濟的供氣，實現對全市天然氣各級輸配管網用氣調度、事故應急、系統調峰、安全儲氣以及安全監控，需要建立一套高起點、高質量、具有國際先進水平的監控和數據采集系統（SCADA）。深圳市燃氣集團在2006年之前先后建立了次高壓（0.4MPa＜p≤1.6MPa）和中壓（0.01MPa≤p≤0.4MPa）兩套獨立的SCADA系統，分別實現對次高壓管網和中壓管網進行安全監控。隨著深圳市燃氣高壓管網的逐步完善，原有的兩套SCADA系統已不能滿足深圳市燃氣管網輸配調度及安全監控的要求。因此，需要建立一套統一的燃氣輸配調度及安全監控管理平臺（SCADA系統），對高壓（1.6MPa＜p≤4.0MPa）、次高壓及中壓管網進行統一管理，實現三網合一。

1 系統功能

SCADA系統廣泛應用于化工、石油、燃氣、水利、電力等大范圍長距離的工藝數據監控系統中。基于燃氣管網的SCADA系統主要通過實時采集燃氣管網生產數據、設備狀態和報警信息，實現對城市管網的安全監控；通過遠程控制場站及管線電動閥門等手段，實現對城市管網多氣源、不同壓力等級管網的輸配調度管理，保證城市管網負荷平衡。根據燃氣管網的管理特點，筆者總結了基于燃氣SCADA系統應實現的主要功能。

a）生產管理功能。1）顯示城市管網總圖的重要工藝數據、設備狀態、設備參數，調壓站工藝流程，工藝數據趨勢顯示，關鍵設備的操作；2）應急調峰分析功能，通過計算液化天然氣調峰站內每個儲罐內存儲的氣量值，計算出該調峰站內的總儲氣量，然后根據每個調峰站內每個儲罐的氣化能力來計算出當前所有液化天然氣調峰站內的儲罐總量可以持續使用的估測情況；3）計算全市次高壓管網和高壓管網儲氣量，根據計算數據來估算當發生供氣事故時，保障重要用戶供氣的時間，以制定相應的調峰方案，保證安全穩定供氣；4）通過SCADA系統的控制設備動態調整管網天然氣的體積流量和壓力，動態平衡天然氣管網供氣。

b）安全管理功能。根據生產需要將報警分為一般報警、重要報警和嚴重報警，系統通過報警顏色和聲音區別不同報警的級別。當發生報警時，系統自動彈出報警畫面，報警記錄具有查詢功能。

c）輔助管理功能。軟件能自動記錄系統運行記錄，包括用戶登錄及系統操作信息，方便用戶對事故進行分析和追溯；為保證系統運行安全，系統的權限管理以多用戶和密碼的方式實現；SCADA系統能自動生成各種生產數據報表，包括實時數據列表、日報表、月報表、年報表，供氣和用氣供銷差分析報表等。

2 系統設計

改造后的SCADA系統需要同時對高壓、次高壓和中壓管網生產運行狀態進行集中監控，實現“多氣源、一張網”管理模式。在系統設計過程中，除了考慮SCADA系統數據采集、安全監控及集成輸配調度管理功能外，重點考慮系統本身運行的安全性、可靠性、可擴展性。

深圳市燃氣管網SCADA系統初期設計規模包括主備2個調度中心、3個高壓門站、8個電廠計量站、1個高壓次高壓調壓站、4個高壓中壓調壓站、2個次高壓門站、27個次高壓中壓調壓站、7個LNG氣化調峰站、26個高壓截斷閥室、50個次高壓截斷閥室、1個共同溝以及81個中壓站點。系統實際監控的數據點數達到15 000個，設計監控點數可達50 000個。

SCADA系統主要通過采集各站點壓力、差壓、溫度、流量、氣體組分、管網儲量等運行參數以及泄漏、閥門狀態、備用電源、門禁等設備狀態變量，實現全市管網運行狀態的實時監控，同時通過調度中心遠程控制場站閥門，實現遠程生產調度管理。調度中心對采集的數據進行存儲、統計、分析，為地理信息系統（GIS）、管網仿真、負荷預測等信息化系統提供基礎數據。

2.1 系統結構

深圳市燃氣SCADA系統由主調度中心、網絡通信系統和遠程站控系統組成，主調度中心SCADA系統軟件采用客戶機／服務器（C／S）和瀏覽器／服務器（B／S）架構。主調度中心操作員工作站和服務器采用C／S架構，其他應用管理部門管理人員訪問SCADA系統采用B／S架構。

主調度中心的中心機房是SCADA系統的最高指揮部，所有采集命令、控制命令、報警、報表等功能均由此處發出。故在系統設計時，如何有效利用軟件（通信軟件），硬件（服務器、通信設備），網絡組成穩定可靠的中心機房是SCADA系統的設計重點，整個網絡時鐘的同步和UPS配置的穩定性和時效性對中心機房接口設計非常重要，主調度中心機房結構設計如圖1所示。

圖1 主調度中心機房結構

調度指揮中心是整個SCADA系統的窗口，主調度中心值班人員通過SCADA系統中監控界面的操作，實現對天然氣有人值守場站和無人值守場站的管理。在主調度中心設計中，采用冗余配置的操作員站和用于系統維護的工程師站，針式打印機用于實時打印報警和事件，投影大屏作為輔助展示手段，對天然氣管網進行全方位展示，圖2為調度指揮中心結構示意。

圖2 調度指揮中心結構示意

遠程站控系統主要考慮該站的類型是有人站還是無人站、場站自身的重要性如何、是否帶遠程控制、與調度中心通信是否需要采用冗余網絡配置等?；谝陨蠗l件，在常規站控系統設計中，有人站選用冗余PLC設備，無人站選用耐溫－40～＋80℃的設備。考慮站控需要在通用的Modbus協議中支持網絡授時、數據補傳和報警主動上傳功能，故與PLC通信側增加專用通信SIXNET RTU設備，使得整個網絡通信系統統一，減少了系統管理和維護的難度，提高了系統的可靠性。圖3所示為遠程站控系統結構，其中通信網絡采用主信道自建光纖，中國電信的VPDN CDMA網絡作為備用信道，保證調度中心與現場網絡的穩定性。

圖3 遠程站控系統結構示意

2.2 軟件設計

2.2.1 通信管理

SCADA系統中的通信管理軟件負責在調度中心和遠程站點進行數據傳輸，并對數據幀進行分析、解包、封裝、協議轉換和轉發，是SCADA系統數據傳輸的紐帶和核心，通信管理軟件的穩定運行是SCADA系統完整性、真實性和實時性的重要保障。該項目每個場站由于采用雙線路通信方式，監控的站點多、數據采集量大，對高壓、次高壓管網各站點要實施遠程調度功能等，對管理軟件要求很高。為滿足燃氣管網SCADA系統輸配調度管理功能要求，設計了以下功能：

a）支持多站點、多變量采集功能，每個站點相互獨立，不會因為站點多而影響數據掃描周期。

b）通信協議采用通用的Modbus TCP／IP。

c）當主通信信道出現故障時，通信管理軟件能自動切換到備用通信信道。

d）當主通信服務器出現故障時，通信管理軟件能自動切換到備用通信服務器上。

e）通信管理軟件將采集的實時數據同步至備調度中心通信軟件服務器中。

f）支持數據補傳和報警主動上傳功能。

g）為保證控制閥門指令的實時性，通信管理軟件優先處理控制指令。

因Modbus協議具有數據幀長度短、響應時間快、通用性強等優點，大多數PLC和RTU設備均支持該協議，但該協議自身并不支持時鐘同步、數據報警上傳、數據補傳等在SCADA系統中必須要求具備的功能。在開發過程中如何在Modbus標準格式中嵌入時鐘同步、逢變上報、數據補傳、雙通信信道、雙通信服務器和雙數據中心等功能，同時又不改變Modbus協議自身的特點成為該通信軟件開發的難點。根據對Modbus協議幀的分析，在Modbus協議應用層，進行時間標簽等狀態的二次封裝；同時利用Modbus TCP協議自身特點，進行了逢變上報和數據補傳的開發；雙通信信道、雙通信服務器和雙中心的開發工作借鑒成熟的國際工控組態軟件對通信管理模式進行開發，通信軟件結 構示意如圖4所示。

圖4 通信軟件結構示意

調度中心通信服務程序通過Modbus TCP Client讀取現場RTU時間標簽和工藝數據，提供給SCADA服務器使用，同時現場RTU設備在中心掃描周期之外有事件報警發生或通信網絡恢復后，主動將帶有時間標簽的工藝數據發送至調度中心TCP Server端，供SCADA服務器報表和報警使用。

該通信軟件開發的意義在于如何利用現有成熟的通信平臺，構建適合燃氣行業的通信管理軟件?？煽康碾p通信網絡、雙通信服務器、雙數據中心的冗余熱備，在深圳燃氣項目中，利用GPRS APN／CDMA VPDN通信網絡，在系統改造前，其控制命令下達信號傳輸需要50s左右；改造后，在3s內遠程切斷無人值守閥室閥門，系統效率大幅提升。同時，在10s內創造了對15 000點的全系統工藝變量進行掃描的記錄。

2.2.2 監控界面

監控界面設計本著界面簡單、友好、易于操作的原則，從監控界面功能上劃分為管網圖、系統流程圖、歷史趨勢、報警總覽、報表打印、參數設定、登錄系統、幫助等功能菜單。

管網圖主要包含站點的地理及管網信息、站點重要參數、重要報警等內容。系統流程圖包含調壓計量區工藝流程及工藝數據，具體功能設計時要求可以對有輸出信號的閥門進行控制操作。點擊畫面上所有的模擬量，將彈出相應的趨勢界面；畫面上有反饋信號的閥門通過顏色變化來區分閥門是開還是關；鼠標點擊任意一個流量計的圖標，可以彈出流量計詳細信息的放大界面；在界面上放置布置圖按鈕，點擊此按鈕可進入布置圖界面；歷史趨勢主要針對調度人員關注的場站工藝參數，定制關聯比較趨勢圖，從中發現管網壓力、流量的相關性，對安全事故進行預警和事后事故分析等。

3 結束語

在整個SCADA系統的開發過程中，須充分結合天然氣輸配工藝、天然氣管網和場站的設備特性。無人值守站的電液聯動閥門安全控制，輸配管網管理的儲氣計算模塊，流量分析和預警模塊均很好地應用到SCADA系統中。同時，系統標準化設計和數據庫接口對第三方系統提供了良好的支持（例如GIS，氣量管理系統等）。

深圳市燃氣管網SCADA系統建成后，實現了在同一輸配調度管理平臺上對高壓、次高壓和中壓三級管網進行安全監控和輸配調度管理。系統在設計過程中采用多項國內領先設計理念和措施，保障燃氣管網安全、持續、穩定運行，提高了深圳燃氣的管理水平，創造了巨大的經濟效益和社會效益。

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