管道SCADA系統(tǒng)通信安全問題及應對措施

劉福志 黃志江 李永明 李 軍

（1. 中油國際管道有限公司中哈天然氣管道項目，北京 100029；2. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司山東省分公司德州作業(yè)區(qū)，山東 德州 253000；3. 廊坊中油龍慧科技有限公司，河北 廊坊 065000；4. 國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741020）

0 引言

十四五期間我國長輸油氣管道快速發(fā)展，形成覆蓋全域、接連海外、規(guī)模龐大的油氣管網(wǎng)，基本建立集中遠程調(diào)控的管理方式[1]。隨著多級管網(wǎng)互通互聯(lián)體量迅速擴充，對管道運行控制技術和設備性能提出更高要求[2]，表現(xiàn)在保證SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠、穩(wěn)定，為管道控制管理提供安全穩(wěn)定的環(huán)境條件。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是管道運行控制的核心技術手段，基于計算機與通信網(wǎng)絡基礎，實現(xiàn)管道集中、遠程自動化控制，在降低人員勞動強度和企業(yè)經(jīng)營成本方面發(fā)揮重要作用。管道系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，做好通信光纜維護至關重要。SACDA系統(tǒng)存在通信中斷問題，不能有效處置輸油泵甩泵、閥室關斷突發(fā)事件，也可能造成管道超壓事故，已成為影響管道安全運行的重要因素。因此，應對管道SACDA系統(tǒng)通信中斷原因和預防措施開展研究，并指定科學有效的監(jiān)測、維護和保護程序，對于提高管道安全性和管理水平具有重要意義。

1 管道SCADA系統(tǒng)通信設計要求

管道SCADA系統(tǒng)組成是主/備調(diào)控中心、工藝站場及線路截斷閥室RTU和和通信系統(tǒng)。管道主通信方式是光纖光纜，管道建設期同溝并行敷設光纜，施工方便，減少資金成本；備用通信方式是衛(wèi)星通信及租用公網(wǎng)。通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求是調(diào)控中心與站控系統(tǒng)傳輸速率不低于64kbps，調(diào)控中心與RTU閥室傳輸速率不低于19.2kbps，誤碼率低于10-6，管道系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集時間小于10s。SCADA系統(tǒng)服務器和局域網(wǎng)（LAN）采用冗余熱備方式，按照C/S服務器結(jié)構(gòu)設計。通信系統(tǒng)為管道生產(chǎn)業(yè)務提供統(tǒng)一的環(huán)形鏈路通道，包括SCADA系統(tǒng)、監(jiān)視工業(yè)視頻、遠程視頻會議、自動化辦公和固定電話。如鏈路中某點斷開，數(shù)據(jù)從斷點處向環(huán)形相對兩側(cè)方向傳輸，調(diào)控中心可對站場進行監(jiān)測和控制。通信鏈路處于故障狀態(tài)，站控系統(tǒng)PLC控制器以發(fā)送和接受脈沖方式進行診斷并報警，調(diào)控中心可以監(jiān)測鏈路得狀態(tài)診斷信息，及時定位故障點和查找原因。

2 SCADA系統(tǒng)通信中斷原因分析

SCADA系統(tǒng)通信中斷指管道數(shù)據(jù)參數(shù)因系統(tǒng)或外界原因無法更新，歷史數(shù)據(jù)不能檢索，調(diào)控中心失去對站場、閥室的監(jiān)測控制功能，統(tǒng)計表明，以某輸氣管道為例，閥室通信中斷遠高于站場，通信中斷時間2～12h情形占總次數(shù)的45%，天氣條件和設備故障是通信中斷的主要因素，占比75%，其他原因包括地表沉降、供電不穩(wěn)定、第三方破壞等。

2.1 天氣條件

惡劣天氣條件導致管道通信中斷最為常見，特別是管道沿線降水豐沛、地表河流較多、夏季多雷天天氣的情形。我國管道干線部分截斷法師采用衛(wèi)星通信，對地基施工質(zhì)量、供電功率和天氣條件要求較高，冬季雨雪、夏季雷電易導致衛(wèi)星通信中斷情形。管道閥室間多為地下建設，降雨量較大時閥室滲水影響壓變、溫變和可燃氣體探測系統(tǒng)等儀表正常工作，儀表故障時即造成通信中斷。

2.2 設備故障

設備故障造成通信中斷情形包括站控系統(tǒng)路由器、通訊機柜、變送器、備用發(fā)電機、不間斷電源和閥室執(zhí)行機構(gòu)。這些通信中斷恢復時間取決于產(chǎn)品備件和維修時間，以及伴行路建設維護情況，如檢修人員、設備到達現(xiàn)場遲滯，也會造成較長通信中斷時間。

2.3 地表沉降

地表沉降主要針對位于高寒凍土區(qū)和地質(zhì)災害區(qū)管道。高寒凍土區(qū)多分布不連續(xù)凍土區(qū)域，易產(chǎn)生凍脹融沉和熱融滑坡等地質(zhì)災害。山區(qū)管道、黃土塬管道易發(fā)生水毀沖蝕、河流漂管等地質(zhì)災害。地表沉降和土壤變形對電纜產(chǎn)生剪切作用，如超過電纜最大承受磨損程度可能造成光纖芯斷裂，導致通信中斷。

2.4 供電不穩(wěn)定

如管道和站場位于人員稀少、社會依托條件差的一級、二級地區(qū)，管道站場、閥室主要依靠社會市政供電系統(tǒng)，可靠性交叉，站控系統(tǒng)、應急照明設有不間斷電源。具備較長光照條件的閥室采用不間斷電源配合太陽能發(fā)電裝置，其他供電方式包括柴油發(fā)電機和農(nóng)業(yè)供電等。上述供電方式存在問題是供電資源相對孤立，供電可靠性難以完全保證，柴油發(fā)電機和不間斷電源持續(xù)供電時間有限，特別是管道沿線自然環(huán)境復雜，電力維修難度高，因供電不穩(wěn)定導致站場和閥室通信中斷時間均較長。

2.5 第三方破壞

第三方破壞指施工機械挖掘損壞光纜，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人員活動、開挖施工作業(yè)、車輛載荷、鐵路公路建設等極易威脅光纜線路安全，導致管道備用通信線路損壞。

3 預防SCADA系統(tǒng)通信中斷技術措施

管道通信中斷危害性在于管道系統(tǒng)處于不可控狀態(tài)，這段時間內(nèi)如管道運行參數(shù)和工況發(fā)生顯著變化而無法時間，極易造成油氣泄漏等嚴重事故，同時也不利于及時啟動應急預案和實施救援處置活動，可能造成嚴重安全、環(huán)境和財產(chǎn)損失。為降低管道SCADA系統(tǒng)通信中斷的次數(shù)，保證長輸管道運行狀態(tài)可控，提出以下管道管理措施。

3.1 天氣狀況監(jiān)測

除記錄分析管道運行參數(shù)，加強管道沿線氣候、天氣狀況觀測，科學預測評估通信線路風險，持續(xù)完善通信中斷應急預案的可行性。同時密切關注站場、閥室涉及光纜、衛(wèi)星的施工作業(yè)審批、進度跟蹤和現(xiàn)場安全監(jiān)護等。

3.2 改進管道水擊超前保護程序

管道通信中斷后自動保護是研究熱點問題，石蘭輸油管道在分析通信中斷的風險因素，提出了通信中斷工況下站場和閥室的保護邏輯和程序，分別從處置程序、壓力控制、壓力升高速率連鎖、進出站壓力超壓連鎖和安全閥泄壓等方面實現(xiàn)通信中斷和遠程控制失效時管道安全保護。定期測試管道保護軟件功能，綜合考慮極端情況下管道壓力超限的情形，保證管道通信中斷后管道運行壓力值不超標。按照管道電氣設備檢修計劃，做好站場、閥室、衛(wèi)星等通信設備的春秋檢和預防性維護工作，督促設備廠家按照完成設備維修更換，保證管道通信設備正常運行。

3.3 加強管道管理和巡線保護

高寒區(qū)管道、山區(qū)管道、水網(wǎng)管道應特別注意新建管道建設期光纜埋深不足的問題，調(diào)研表明，高寒區(qū)管道季節(jié)性凍土區(qū)融化后管溝塌陷位移局部地區(qū)高達1.5m，應對措施是在冬季之前管道進行致密覆土回填壓實，避免產(chǎn)生凍脹融沉問題，降低土體移動損壞光纜的可能性。在夏季多雨季節(jié)，應評估河流洪水對管道光纜沖刷的危害性。在雨季之前，管道周圍易發(fā)洪水區(qū)域，設計擋水墻、引流渠設施。針對閥室間進水、積水問題，研究防滲措施，閥室設備上移，避免通信設備損壞的風險。夏季雷電季節(jié)，加強管道巡線工作，除關注管道附近施工作業(yè)、土體移動、油氣泄漏等，還應檢測光纜質(zhì)量狀況，進行光纜維護修復工作。

3.4 應用光纜故障檢測技術

目前國內(nèi)外管道行業(yè)應用的光纜檢測技術包括行波法、阻抗法和測距法。行波法在故障光纜檢測中精確度需進一步提高。阻抗法問題在于如果光纜測量電阻值很大或者光纜故障復雜時不能有效實施，存在信號干擾和檢測結(jié)果偏差問題。其他應用的光纜故障檢測方法包括高壓/低壓脈沖法、電橋法、閃絡法、故障點燒法、二次脈沖法和駐波法，可以根據(jù)電阻值高低、光纜故障類型、設備操作和人員技術能力等選用合適的檢測方法。

4 結(jié)語

調(diào)研我國長輸管道SCADA系統(tǒng)通信中斷的時間、類型和原因，惡劣天氣狀態(tài)和設備故障是造成通信中斷的主要原因。根據(jù)我國管道實際情況，提出的應對措施是加強天氣質(zhì)量監(jiān)測，制定專項應急預案；改進管道保護程序，確保通信中斷時避免管道超壓；高寒區(qū)管道、山區(qū)管道、水網(wǎng)管道應特別重視凍脹融沉、地質(zhì)災害和埋深不足可能造成光纜損壞的問題。