油氣管道SCADA系統數據回填技術

閆 峰 高保成 祁國成 陳清山 溫昭琦

1．中國石油北京油氣調控中心 2．北京科東電力控制系統有限責任公司

為適應管道大型化、網絡化和輸送介質多樣化的發展方向，油氣管道控制管理必須走集中化和智能化的發展道路［1］。油氣管道SCADA系統必須保證管網的可靠、穩定和安全運行，這對數據采集和存儲的完整性、實時性、安全性和可靠性都提出了更高的要求。

從目前油氣管道SCADA系統實際運行的情況來看，中心SCADA系統軟件和場站通信設備的通訊常會出現中斷現象，中斷期間的數據在中心的SCADA軟件系統中沒有記錄，這種數據的不完整性給油氣管道正常的生產運行帶來了安全隱患。

本文參考文獻［1－3］對SCADA系統在長輸管線的應用進行了闡述和展望；本文參考文獻［4－12］對SCADA系統技術進行了探討；本文參考文獻［13－14］對相關標準進行了研究；本文參考文獻［15－19］對工業控制領域的通信技術進行了研究。本文提出了一種數據回填技術，在通信網絡中斷期間，場站通信設備（或站控系統）存儲相關數據，通訊恢復正常后，中心SCADA系統軟件對這些數據進行補采，以實現中心數據的完整性。數據回填技術可解決因通訊中斷而導致的數據完整性和連續性問題。

1 功能概述

數據回填技術主要包括：場站通信設備存儲通信中斷期間數據、數據回填通信、回填數據處理、回填數據存儲，總體結構如圖1所示。通信中斷期間，場站通信設備（或站控系統）需要對中斷期間的數據進行本地存儲，可以采用數據庫、文件等方式存儲。為方便中心SCADA系統回填，場站通信設備有必要對系統所有數據或通信數據全部進行存儲。數據回填通信功能在通信恢復后進行數據回填，中心SCADA系統主動與場站建立鏈接并發送數據回填請求，場站給予數據響應。中心SCADA系統對回填的數據進行處理，包括告警、事件記錄等。中心SCADA系統對回填數據采用與實時數據相同的數據存儲方式，但要對回填數據的質量位打上回填標識，用于標注該數據是采用回填方式獲得的。

圖1 數據回填轉發總體結構圖

2 主要功能

2．1 回填通信與實時通信之間的關系

中心SCADA系統和場站通信設備的通訊中斷恢復后，中心SCADA系統軟件對中斷期間未傳輸的數據進行回填。回填的實現方式可以有以下幾種：①通信恢復后，場站先進行數據補傳，而后傳輸實時數據；②通信恢復后，進行實時數據傳輸，在實時數據傳輸的空閑時段進行中斷數據補傳；③通信恢復后，進行實時數據傳輸，同時創建新的鏈路補傳中斷數據。

回填通信不能影響實時通信，這是一個基本原則?；诖嗽瓌t，實現②和③是可用的。但如何做到對實時通信不影響或影響最小，要從實時數據的傳輸量等統計指標進行判斷。

一般來說，數據回填過程中，中心SCADA系統和場站通信設備都需要對實時通信的情況進行監測，確保實時通信的質量。中心SCADA系統在實時通信數據量比較大的情況下，要延遲或停止對回填數據的請求；場站通信設備需要有優先傳送實時數據的控制機制。

2．2 回填數據的時標處理

實時數據的時標處理采用“就近”原則，即數據的時標應采用離采集設備或裝置（數據源）最近的時標，最好采用裝置的時標。在沒有裝置時標的情況下，則應該采用場站通信設備發送數據的時標；在沒有發送時標的情況下，則應該采用中心SCADA系統數據采集模塊接收數據的時標時間。中心SCADA系統應該對數據時標打上標簽，標明時標來源為場站還是中心。

回填數據的報文必須帶時標傳輸，不帶時標的報文無法適應數據的回填要求。回填數據的時標也最好采用裝置的時標，在沒有裝置時標的情況下，則應該采用場站通信設備存儲的數據時標。

2．3 回填數據的處理

回填數據處理包括對回填數據進行預處理、告警、計算、壓縮、歸檔等處理模塊?；靥顢祿奶幚聿桓聦崟r數據庫，而是直接進行歸檔。

2．3．1 回填數據預處理

回填數據預處理模塊對回填數據進行判斷，判斷采集點數據是否產生告警，將告警數據交由告警模塊處理。

判斷采集點數據是否需要歸檔，將需要歸檔的數據交由歸檔模塊壓縮歸檔。

2．3．2 回填數據告警處理

告警服務作為一種公共服務為各應用提供相應的告警處理功能。對于回填數據，告警服務應提供數值越限、遙信狀態變化等告警判斷功能，并提供告警的歸檔功能，以便歷史分析和查詢。從界面上需要用不同顏色區分回填數據告警與實時數據告警。

2．3．3 回填數據計算處理

數據處理模塊對回填數據提供數據計算功能，根據用戶預定義公式對相關回填數據進行實時計算。

回填數據計算涉及的計算分量，應從歷史數據庫獲取，回填數據計算涉及的計算結果，也需要更新歷史數據庫，并對計算結果進行相關標注。

2．3．4 回填數據歸檔處理

數據處理模塊對回填數據提供壓縮歸檔功能，主要是針對數值型的數據進行選擇性壓縮，其他 數據類型將不做壓縮，直接歸檔。采用合理的壓縮技術，可以在要求的數據精度下，恢復被壓縮數據，既能保證系統處理歸檔數據的高效性，也能實現在同樣的硬件條件下，存儲更多的歷史數據。

經過壓縮后的回填數據暫存在緩存中，當緩存數據達到一定數量時，調用歷史庫接口批量寫入歷史庫。歸檔數據應包含數據點名稱、數據值、數據質量、時標。

2．4 回填數據的應用

在中心SCADA系統，回填數據與實時數據的區別僅僅在于數據處理的個別差別，比如回填數據無需也不能寫入實時數據庫?；靥顢祿膽门c實時數據的應用基本一致，僅僅是在使用回填數據時要注明“回填”標志。

事故反演功能也可以充分利用回填的數據，在進行事故反演時，將最真實的現場情況展現給操作人員。

事故反演模塊提取距離反演開始時間之前最近的數據斷面，載入到反演快照表中，將之后的完整數據依次刷新到快照表中，直到快照表反映出反演開始時間數據斷面。同時提取出反演開始時間和結束時間內的所有數據（包括回填數據），對事故進行反演。通過回放通信中斷期間的油氣管道業務數據，直觀地了解這段時間內的業務數據變化情況，可以對報警、事故、設備故障等做出初步診斷，以便于進行故障排查。

3 數據回填通信設計

回填數據通信有兩種方式：計算機通信方式和文件傳輸方式。

計算機通信方式是目前主要的實時數據通信方式，應用該方式時通信兩側要保證通信測點名稱的一致。計算機通信規約一般采用IEC60870－5－104規約。

筆者給出了一整套的解決方案，包括完整的服務端（場站端）、客戶端（中心SCADA系統）的功能設計，實現方法以及交互流程，提供了擴展的通信協議用于傳輸服務端與客戶端間的命令及數據報文。該設計完整地解決了油氣管道SCADA系統中，因為調控中心與站場間的通信中斷而導致的部分數據缺失問題，提高了整個系統數據的連續性和可用性。

3．1 數據回填通信服務端功能設計

場站端數據通信模塊分別采用獨立的進程實現數據回填存儲和轉發功能（數據回填存儲程序和數據回填服務端程序）。

數據回填服務端程序負責監聽指定的端口、接收數據回填客戶端的請求并完成數據轉發。數據回填服務端程序與數據回填客戶端程序采用IEC 60870－5－104協議擴展功能完成數據傳輸任務。數據回填服務端程序用于轉發的數據來源有兩個，第一數據源是站控系統實時數據轉發程序記錄的報文日志，第二數據源是數據回填存儲程序記錄的報文日志。數據回填服務端程序優先使用第一數據源提供的數據，當第一數據源無法提供所需數據時再使用第二數據源提供的數據。

數據回填存儲程序用于記錄實時數據變化情況，并將實時數據轉換成能夠用于數據回填轉發的IEC 60870－5－104協議擴展功能要求的報文。數據回填存儲程序記錄的報文可以作為數據回填服務端程序的第二數據源來使用。

保存日志的命名規則為日期＋鏈路名稱的組合，如“20130101＿測試站．log”，日志記錄的格式如圖2所示。

圖2 日志記錄格式圖

3．2 數據回填通信客戶端功能設計

主站端數據回填采集支持兩種觸發方式：自動觸發回填和人工觸發回填。自動觸發回填的發起者是SCADA系統數據檢測模塊，它負責判斷需要數據回填的站場及數據回填的起始時間和結束時間，并將上述信息發送給數據采集子系統，再由數據采集子系統負責將數據采集上來。人工觸發回填的發起者是操作員，操作員通過操作界面下發數據回填消息，該消息同樣包含需要數據回填的站場及數據回填的起始時間和結束時間，再由數據采集子系統負責將數據采集上來。

數據回填觸發時需要判斷實時數據采集通信鏈路的連接狀態，只有在鏈路連接正常時才可以觸發數據回填。

主站端數據采集子系統接收數據回填消息，解析消息并根據消息的內容確定數據回填通道、數據回填起始時間、數據回填結束時間，再與場站通信設備建立連接并通過IEC 60870－5－104協議擴展功能采集需要回填的數據，將此數據標記為回填數據并按照與實時數據相同的流程發送給數據處理模塊。主站端數據采集子系統有獨立的進程（數據回填客戶端程序）專門負責數據回填采集工作，該進程接收到數據回填消息后為每個需要數據回填的站場創建專用線程完成數據回填采集工作。為了減少對實時數據采集的影響，數據回填采集與實時數據采集分別采用不同的TCP連接。

3．3 通訊協議擴展

通訊協議擴展基于IEC 60870－5－104協議并在此基礎上增加了數據回填功能?；靥顢祿膫鬏斎坎捎脦r標的數據格式。

服務端收到回填數據請求，用標準數據報文給予響應；如果沒有相應的數據，則給出否認應答。

增加回填數據召喚功能，報文格式見表1。

表1 數據回填召喚報文格式表

3．4 通信交互流程

中心SCADA系統與場站通信設備之間的通信交互流程見圖3。

圖3 通信交互流程圖

一個典型通信過程的實例描述：

3．4．1 建立回填數據傳輸管道

1）主站通信啟動過程。由主站主動向子站提出建立回填數據傳輸管道的申請。

子站接受申請，建立與主站之間的回填數據傳輸管道。

2）子站通信啟動過程。等待主站建立回填數據傳輸管道的申請。接受主站建立回填數據傳輸管道的申請后，建立與主站之間的回填數據傳輸管道。

3）回填數據傳輸管道重建。出現回填數據傳輸管道故障或異常斷開現象，則斷開主站和對應場站的回填數據傳輸管道，并重新建立回填數據傳輸管道。

3．4．2 啟動數據傳輸

主站發送啟動報文。

子站響應啟動報文。

3．4．3 回填數據傳輸

主站召喚回填數據。

子站響應召喚。

子站上送回填數據。

子站結束回填數據上送。

3．4．4 回填數據傳輸過程中的中斷操作

在回填數據傳輸過程中，如果需要中斷回填數據，可以通過人工發送中斷請求，由客戶端處理響應請求，停止此次回填數據。

3．4．5 回填數據過程中的異常處理

在回填數據過程中，如果服務端沒有所需時間段的回填數據，需向客戶端返回沒有該時間段數據的相應命令碼。如果有所需全部的數據或部分數據，需將數據所在的時間段返回客戶端，以便客戶端做出相應操作。

4 實驗驗證

數據回填技術在實驗室中得到了很好的驗證，實現了數據的完整性。中心SCADA系統與站控系統的數據采集網絡互連。圖4為網絡結構示意圖。

圖4 網絡互聯結構示意圖

中心SCADA系統數據通信服務器部署數據回填客戶端程序，站控系統數據通信服務器部署數據回填服務端端程序。通信中斷恢復后，中心SCADA系統啟動連接，并發出數據回填請求；站控系統接收連接請求和數據回填請求，獲取存儲數據，發送到中心SCADA系統；中心SCADA系統對回填數據進行處理；回填數據傳輸完成后，通信過程結束。

驗證實驗中完整模擬了某個站場系統與中心SCADA系統的數據通信，量測對象（遙信、遙測）約2 000點。

實驗表明：數據回填技術可以實現數據的完整性，具有可行性。數據回填技術的應用將進一步提高油氣管道SCADA系統的可用性。

5 結論

1）通過試驗驗證，數據回填技術可以實現中心SCADA系統與場站通信設備之間的數據回填功能，滿足系統的數據回填需求。

2）通過包含場站通信設備存儲通信中斷期間數據、數據回填通信、回填數據處理、回填數據存儲等環節的數據回填技術，解決了因通訊中斷而導致的數據完整性和連續性問題，提高了系統數據的完整性和系統的可用性。

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