城市燃气管网SCADA系统设计与实现

张铁军

（上海航天能源股份有限公司，上海201201）

深圳市自2006年开始引进大鹏液化天然气，整个能源结构发生较大的调整，天然气在能源消费构成中所占比重越来越大。为了保证燃气管网安全、稳定、可靠、经济的供气，实现对全市天然气各级输配管网用气调度、事故应急、系统调峰、安全储气以及安全监控，需要建立一套高起点、高质量、具有国际先进水平的监控和数据采集系统（SCADA）。深圳市燃气集团在2006年之前先后建立了次高压（0.4MPa＜p≤1.6MPa）和中压（0.01MPa≤p≤0.4MPa）两套独立的SCADA系统，分别实现对次高压管网和中压管网进行安全监控。随着深圳市燃气高压管网的逐步完善，原有的两套SCADA系统已不能满足深圳市燃气管网输配调度及安全监控的要求。因此，需要建立一套统一的燃气输配调度及安全监控管理平台（SCADA系统），对高压（1.6MPa＜p≤4.0MPa）、次高压及中压管网进行统一管理，实现三网合一。

1 系统功能

SCADA系统广泛应用于化工、石油、燃气、水利、电力等大范围长距离的工艺数据监控系统中。基于燃气管网的SCADA系统主要通过实时采集燃气管网生产数据、设备状态和报警信息，实现对城市管网的安全监控；通过远程控制场站及管线电动阀门等手段，实现对城市管网多气源、不同压力等级管网的输配调度管理，保证城市管网负荷平衡。根据燃气管网的管理特点，笔者总结了基于燃气SCADA系统应实现的主要功能。

a）生产管理功能。1）显示城市管网总图的重要工艺数据、设备状态、设备参数，调压站工艺流程，工艺数据趋势显示，关键设备的操作；2）应急调峰分析功能，通过计算液化天然气调峰站内每个储罐内存储的气量值，计算出该调峰站内的总储气量，然后根据每个调峰站内每个储罐的气化能力来计算出当前所有液化天然气调峰站内的储罐总量可以持续使用的估测情况；3）计算全市次高压管网和高压管网储气量，根据计算数据来估算当发生供气事故时，保障重要用户供气的时间，以制定相应的调峰方案，保证安全稳定供气；4）通过SCADA系统的控制设备动态调整管网天然气的体积流量和压力，动态平衡天然气管网供气。

b）安全管理功能。根据生产需要将报警分为一般报警、重要报警和严重报警，系统通过报警颜色和声音区别不同报警的级别。当发生报警时，系统自动弹出报警画面，报警记录具有查询功能。

c）辅助管理功能。软件能自动记录系统运行记录，包括用户登录及系统操作信息，方便用户对事故进行分析和追溯；为保证系统运行安全，系统的权限管理以多用户和密码的方式实现；SCADA系统能自动生成各种生产数据报表，包括实时数据列表、日报表、月报表、年报表，供气和用气供销差分析报表等。

2 系统设计

改造后的SCADA系统需要同时对高压、次高压和中压管网生产运行状态进行集中监控，实现“多气源、一张网”管理模式。在系统设计过程中，除了考虑SCADA系统数据采集、安全监控及集成输配调度管理功能外，重点考虑系统本身运行的安全性、可靠性、可扩展性。

深圳市燃气管网SCADA系统初期设计规模包括主备2个调度中心、3个高压门站、8个电厂计量站、1个高压次高压调压站、4个高压中压调压站、2个次高压门站、27个次高压中压调压站、7个LNG气化调峰站、26个高压截断阀室、50个次高压截断阀室、1个共同沟以及81个中压站点。系统实际监控的数据点数达到15 000个，设计监控点数可达50 000个。

SCADA系统主要通过采集各站点压力、差压、温度、流量、气体组分、管网储量等运行参数以及泄漏、阀门状态、备用电源、门禁等设备状态变量，实现全市管网运行状态的实时监控，同时通过调度中心远程控制场站阀门，实现远程生产调度管理。调度中心对采集的数据进行存储、统计、分析，为地理信息系统（GIS）、管网仿真、负荷预测等信息化系统提供基础数据。

2.1 系统结构

深圳市燃气SCADA系统由主调度中心、网络通信系统和远程站控系统组成，主调度中心SCADA系统软件采用客户机／服务器（C／S）和浏览器／服务器（B／S）架构。主调度中心操作员工作站和服务器采用C／S架构，其他应用管理部门管理人员访问SCADA系统采用B／S架构。

主调度中心的中心机房是SCADA系统的最高指挥部，所有采集命令、控制命令、报警、报表等功能均由此处发出。故在系统设计时，如何有效利用软件（通信软件），硬件（服务器、通信设备），网络组成稳定可靠的中心机房是SCADA系统的设计重点，整个网络时钟的同步和UPS配置的稳定性和时效性对中心机房接口设计非常重要，主调度中心机房结构设计如图1所示。

图1 主调度中心机房结构

调度指挥中心是整个SCADA系统的窗口，主调度中心值班人员通过SCADA系统中监控界面的操作，实现对天然气有人值守场站和无人值守场站的管理。在主调度中心设计中，采用冗余配置的操作员站和用于系统维护的工程师站，针式打印机用于实时打印报警和事件，投影大屏作为辅助展示手段，对天然气管网进行全方位展示，图2为调度指挥中心结构示意。

图2 调度指挥中心结构示意

远程站控系统主要考虑该站的类型是有人站还是无人站、场站自身的重要性如何、是否带远程控制、与调度中心通信是否需要采用冗余网络配置等。基于以上条件，在常规站控系统设计中，有人站选用冗余PLC设备，无人站选用耐温－40～＋80℃的设备。考虑站控需要在通用的Modbus协议中支持网络授时、数据补传和报警主动上传功能，故与PLC通信侧增加专用通信SIXNET RTU设备，使得整个网络通信系统统一，减少了系统管理和维护的难度，提高了系统的可靠性。图3所示为远程站控系统结构，其中通信网络采用主信道自建光纤，中国电信的VPDN CDMA网络作为备用信道，保证调度中心与现场网络的稳定性。

图3 远程站控系统结构示意

2.2 软件设计

2.2.1 通信管理

SCADA系统中的通信管理软件负责在调度中心和远程站点进行数据传输，并对数据帧进行分析、解包、封装、协议转换和转发，是SCADA系统数据传输的纽带和核心，通信管理软件的稳定运行是SCADA系统完整性、真实性和实时性的重要保障。该项目每个场站由于采用双线路通信方式，监控的站点多、数据采集量大，对高压、次高压管网各站点要实施远程调度功能等，对管理软件要求很高。为满足燃气管网SCADA系统输配调度管理功能要求，设计了以下功能：

a）支持多站点、多变量采集功能，每个站点相互独立，不会因为站点多而影响数据扫描周期。

b）通信协议采用通用的Modbus TCP／IP。

c）当主通信信道出现故障时，通信管理软件能自动切换到备用通信信道。

d）当主通信服务器出现故障时，通信管理软件能自动切换到备用通信服务器上。

e）通信管理软件将采集的实时数据同步至备调度中心通信软件服务器中。

f）支持数据补传和报警主动上传功能。

g）为保证控制阀门指令的实时性，通信管理软件优先处理控制指令。

因Modbus协议具有数据帧长度短、响应时间快、通用性强等优点，大多数PLC和RTU设备均支持该协议，但该协议自身并不支持时钟同步、数据报警上传、数据补传等在SCADA系统中必须要求具备的功能。在开发过程中如何在Modbus标准格式中嵌入时钟同步、逢变上报、数据补传、双通信信道、双通信服务器和双数据中心等功能，同时又不改变Modbus协议自身的特点成为该通信软件开发的难点。根据对Modbus协议帧的分析，在Modbus协议应用层，进行时间标签等状态的二次封装；同时利用Modbus TCP协议自身特点，进行了逢变上报和数据补传的开发；双通信信道、双通信服务器和双中心的开发工作借鉴成熟的国际工控组态软件对通信管理模式进行开发，通信软件结 构示意如图4所示。

图4 通信软件结构示意

调度中心通信服务程序通过Modbus TCP Client读取现场RTU时间标签和工艺数据，提供给SCADA服务器使用，同时现场RTU设备在中心扫描周期之外有事件报警发生或通信网络恢复后，主动将带有时间标签的工艺数据发送至调度中心TCP Server端，供SCADA服务器报表和报警使用。

该通信软件开发的意义在于如何利用现有成熟的通信平台，构建适合燃气行业的通信管理软件。可靠的双通信网络、双通信服务器、双数据中心的冗余热备，在深圳燃气项目中，利用GPRS APN／CDMA VPDN通信网络，在系统改造前，其控制命令下达信号传输需要50s左右；改造后，在3s内远程切断无人值守阀室阀门，系统效率大幅提升。同时，在10s内创造了对15 000点的全系统工艺变量进行扫描的记录。

2.2.2 监控界面

监控界面设计本着界面简单、友好、易于操作的原则，从监控界面功能上划分为管网图、系统流程图、历史趋势、报警总览、报表打印、参数设定、登录系统、帮助等功能菜单。

管网图主要包含站点的地理及管网信息、站点重要参数、重要报警等内容。系统流程图包含调压计量区工艺流程及工艺数据，具体功能设计时要求可以对有输出信号的阀门进行控制操作。点击画面上所有的模拟量，将弹出相应的趋势界面；画面上有反馈信号的阀门通过颜色变化来区分阀门是开还是关；鼠标点击任意一个流量计的图标，可以弹出流量计详细信息的放大界面；在界面上放置布置图按钮，点击此按钮可进入布置图界面；历史趋势主要针对调度人员关注的场站工艺参数，定制关联比较趋势图，从中发现管网压力、流量的相关性，对安全事故进行预警和事后事故分析等。

3 结束语

在整个SCADA系统的开发过程中，须充分结合天然气输配工艺、天然气管网和场站的设备特性。无人值守站的电液联动阀门安全控制，输配管网管理的储气计算模块，流量分析和预警模块均很好地应用到SCADA系统中。同时，系统标准化设计和数据库接口对第三方系统提供了良好的支持（例如GIS，气量管理系统等）。

深圳市燃气管网SCADA系统建成后，实现了在同一输配调度管理平台上对高压、次高压和中压三级管网进行安全监控和输配调度管理。系统在设计过程中采用多项国内领先设计理念和措施，保障燃气管网安全、持续、稳定运行，提高了深圳燃气的管理水平，创造了巨大的经济效益和社会效益。

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