PCS系統在油氣管道站場應用的技術及意義

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軟硬件現狀

截止2019年年底，我國油氣管道建設事業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的發展，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系統國產化研發項目；2012年6月，經過需求分析，開始集中研發；2013年3月，完成了軟件規劃、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，軟件通過系統測試和第三方測試；2014年8月，項目通過自驗收并發布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系統軟件研發。軟件適應管道網絡化和集中調控模式發展趨勢，滿足油氣管道生產監控需要。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), 設計研發集成服務臺，實現了底層數據管理、交互和應用服務管理功能。應用可使用統一接口接入，并通過人機進行一體化數據展示。

3.2 組成結構

PCS V1.0軟件主要由以下子系統組成：(1)集成服務平臺(包括集成服務總線、系統管理、 公共服務、實時數據庫、數據處理、歷史數據庫與模型管理)；(2)數據采集(包括報文分析、前置數據處理、規約采集、鏈路管理)；(3)HMI人機界面 & Web(包括控制臺、系統監視、畫面瀏覽、Web瀏覽、組態功能、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、標準化的數據訪問接口、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、性能和通信協議一致性等多個方面，在實驗室環境下對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“數據采集→實時數據處理→歷史存儲→人機界面展示”的全業務流程性能測試，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、分布的信息，支持服務分布式部署和動態接入，并有較高通信效率。

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

(3)歷史數據庫技術。歷史數據庫可分為數據存儲層、通用接口層和歷史服務層。存儲層由關系數據庫和存儲介質構成。通用接口層提供統一的數據訪問接口，可以兼容不同的關系數據庫。歷史服務層采用數據壓縮、多級緩存策略、自適應線程池等技術，提供海量歷史數據的存儲、查詢、統計分析、報表等服務。

(4)油氣管道模型技術。首次提出并實現了一種油氣管道設備對象模型。通過分析油氣管道SCADA系統業務需求，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據類型，亦可描述設備之間的連接關系。 按照模型定義來設計數據庫表的模式并制定約束條件，實現基于管道設備模型的數據管理，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。設計實現了通用協議擴展調用框架，支持協議的動態擴展，使系統具備與任意通信協議對接的能力。

(6)數據轉發與回填技術。中控系統可通過數據轉發功能，從站控系統獲得站場的數據。站控系統可緩存實時采集數據，當中控與站控通信中斷，待恢復后， 中控系統可通過站控系統獲取斷連期間緩存的數據，實現數據回填，確保數據完整。

(7)插入式界面管理技術。采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)技術，實現了標準化、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的集成提供便捷手段。

(8)管網拓撲著色技術?；谀Ｐ屯負湫畔?，計算管道連通狀態、流動狀態及流向，并在畫面動態展示，實現管網拓撲著色功能，為調度人員提供直觀的管網狀態顯示。

4 國產油氣管道PCS系統的應用及效果

PCS軟件作為國產化核心部件，在站控SCADA系統應用中得到了充分檢驗。

為了直觀展示油氣管道SCADA系統軟件國產化研發成果，應用PCS V1.0軟件，參照現役SCADA系統，搭建了秦沈( 秦皇島-沈陽)天然氣管道SCADA演示系統，具備除控制之外的全部SCADA功能。利用現役系統轉發實時數據，通過人機畫面直觀展示秦沈線生產運行情況。通過與現役SCADA系統進行對比分析，軟件得以優化。目前秦沈線演示系統運行一切正常，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系統工程的基礎能力，可進一步開展工業試驗。

2016年至2017年PCS系統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系統在各方面已超過同類國外產品，可完全實現國產化替代。

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管道控制系統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，目前調控運行穩定，其功能與可靠性完全滿足現場控制要求。為國產SCADA控制系統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、區域管網緊密跟進的油氣骨干管網布局。根據 2017 年我國《中長期油氣管網規劃》，到 2020 年全國長輸油氣管網規模將達到16.9萬公里，到2025年，管網規模將達到24萬公里。

按照能源發展規劃，我國未來還將持續加大油氣管道建設投入力度。這為PCS系統軟件的推廣應用提供了廣闊市場。國產油氣管道PCS系統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。

逐步替換管道系統內現役國外軟件，實現油氣管道SCADA系統軟件完全國產化，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。