PCS系统在油气管道站场应用的技术及意义

冯思斌 屈涛 张宏伟 杨闯 王丽国(中控智网(北京)能源技术有限公司，北京 100000)

1 国内长输管道SCADA软硬件现状

截止2019年年底，我国油气管道建设事业已经取得令人瞩目的成就，相继建成油气管道14万余公里，形成了“北油南运”、“西油东进”、“西气东输”、“海气登陆”的油气输送格局。

在建设油气管道的同时，对自动化技术与上位机SCADA软件的要求也日益苛刻，在自动化水平提升的同时，能源安全也是重中之重。国内输油气干线、省级管网等长输管道SCADA系统软硬件国外进口占比在90%以上，主要为Rockwell、Cegelec、Telvent、Honeywell、Schneider，严重制约了国内自动化系统的发展，且部分软硬件已经停产，后期维护费用极高。

2 国产油气管道PCS发展历程及成果

2011年7月北京油气调控中心承担了国产油气管道SCADA系统国产化研发项目；2012年6月，经过需求分析，开始集中研发；2013年3月，完成了软件规划、总体架构概要、详细设计工作；2013年8月，完成编码集成、单元测试和集成测试；2014年7月，软件通过系统测试和第三方测试；2014年8月，项目通过自验收并发布PCS V1.0。[1]历时三年，经过不懈努力，凝心聚力，攻坚克难，圆满完成国产油气管道PCS系统软件研发。软件适应管道网络化和集中调控模式发展趋势，满足油气管道生产监控需要。且所有成果权属完全归中国石油天然气股份有限公司所有。

3 国产油气管道PCS系统介绍

3.1 软件架构

PCS V1.0软件基于面向服务架构(SOA), 设计研发集成服务台，实现了底层数据管理、交互和应用服务管理功能。应用可使用统一接口接入，并通过人机进行一体化数据展示。

3.2 组成结构

PCS V1.0软件主要由以下子系统组成：(1)集成服务平台(包括集成服务总线、系统管理、 公共服务、实时数据库、数据处理、历史数据库与模型管理)；(2)数据采集(包括报文分析、前置数据处理、规约采集、链路管理)；(3)HMI人机界面 & Web(包括控制台、系统监视、画面浏览、Web浏览、组态功能、维护诊断工具、报表分析、趋势分析)；(4)基础应用(包括批次跟踪、管存分析、差压流量分析、库存管理、高点压力分析、水力坡降分析、官网平衡分析)。

3.3 主要功能特点

一体化的集成服务平台、开放的集成服务总线、标准化的数据访问接口、灵活的应用扩展机制、图模库一体化技术、人机客户端跨系统访问、分布式部署、一主多备冗余、安全访问控制机制、支持跨平台应用、可伸缩、可裁剪、可扩展。

3.4 中国软件评测中心评测情况

中国软件评测中心，从软件功能、性能和通信协议一致性等多个方面，在实验室环境下对PCS V1.0软件进行了全面的第三方评测。经过多轮测试消缺后，一般及以上缺陷修复率达到100%，PCS V1.0软件满足软件需求定义的功能与性能要求，通过测试。

中国软件评测中心对PCS V1.0软件进行了“数据采集→实时数据处理→历史存储→人机界面展示”的全业务流程性能测试，主要性能指标测试结果如表1所示。

表1 指标测试结果

3.5 关键技术及创新[1-8]

(1)集成服务总线技术。集成服务总线用以支撑服务间的实时通信， 提供了标准的访问接口，屏蔽了服务实现、分布的信息，支持服务分布式部署和动态接入，并有较高通信效率。

(2)实时数据库技术。实时数据库采用共享内存技术实现存储管理，同时采用高速数据索引、线程池和双队列缓存等技术，提高数据处理、存储和查询的并发能力与执行效率，可满足100万点数据管理、20万点/秒数据更新。

(3)历史数据库技术。历史数据库可分为数据存储层、通用接口层和历史服务层。存储层由关系数据库和存储介质构成。通用接口层提供统一的数据访问接口，可以兼容不同的关系数据库。历史服务层采用数据压缩、多级缓存策略、自适应线程池等技术，提供海量历史数据的存储、查询、统计分析、报表等服务。

(4)油气管道模型技术。首次提出并实现了一种油气管道设备对象模型。通过分析油气管道SCADA系统业务需求，抽象整理出一套以生产设备为核心的模型体系，既可定义设备信息及数据类型，亦可描述设备之间的连接关系。 按照模型定义来设计数据库表的模式并制定约束条件，实现基于管道设备模型的数据管理，为油气管道调控应用提供了良好的信息基础和扩展支持。

(5)油气管道模型技术。设计实现了通用协议扩展调用框架，支持协议的动态扩展，使系统具备与任意通信协议对接的能力。

(6)数据转发与回填技术。中控系统可通过数据转发功能，从站控系统获得站场的数据。站控系统可缓存实时采集数据，当中控与站控通信中断，待恢复后， 中控系统可通过站控系统获取断连期间缓存的数据，实现数据回填，确保数据完整。

(7)插入式界面管理技术。采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)技术，实现了标准化、插件式的界面管理。通过插件的注册、注销和启动等服务管理功能为应用和第三方系统的集成提供便捷手段。

(8)管网拓扑着色技术。基于模型拓扑信息，计算管道连通状态、流动状态及流向，并在画面动态展示，实现管网拓扑着色功能，为调度人员提供直观的管网状态显示。

4 国产油气管道PCS系统的应用及效果

PCS软件作为国产化核心部件，在站控SCADA系统应用中得到了充分检验。

为了直观展示油气管道SCADA系统软件国产化研发成果，应用PCS V1.0软件，参照现役SCADA系统，搭建了秦沈( 秦皇岛-沈阳)天然气管道SCADA演示系统，具备除控制之外的全部SCADA功能。利用现役系统转发实时数据，通过人机画面直观展示秦沈线生产运行情况。通过与现役SCADA系统进行对比分析，软件得以优化。目前秦沈线演示系统运行一切正常，进一步证明PCSV1.0软件经过实验室测试后，已初步具备建设油气管道SCADA系统工程的基础能力，可进一步开展工业试验。

2016年至2017年PCS系统在港枣成品油管道和冀宁天然气管道成功进行试验。试验结果显示，PCS系统在各方面已超过同类国外产品，可完全实现国产化替代。

2019年11月28日，大连至沈阳天然气管道盖州压气站工程顺利投产，宣告国产PCS软件首次在新建管道工程正式应用并获得成功。盖州压气站是中国石油首个实现管道控制系统软件和硬件全面国产化的站场。这个站不仅在国产化方面取得了突破，而且实现了一键启停压缩机组、一键启停压气站，具有较高控制水平。由调控中心国产化项目组同步自主建设的中控盖州PCS软件，达到了较高技术水平，目前调控运行稳定，其功能与可靠性完全满足现场控制要求。为国产SCADA控制系统在中俄东线天然气管道工程中的应用奠定了基础。[9,12]

5 结语

目前国内已经建成油气管道14万余公里，长输油气管道总里程位居世界第三，总体来说，我国已基本形成连通海外、覆盖全国、横跨东西、纵贯南北、区域管网紧密跟进的油气骨干管网布局。根据 2017 年我国《中长期油气管网规划》，到 2020 年全国长输油气管网规模将达到16.9万公里，到2025年，管网规模将达到24万公里。

按照能源发展规划，我国未来还将持续加大油气管道建设投入力度。这为PCS系统软件的推广应用提供了广阔市场。国产油气管道PCS系统必将打破国外软件垄断的局面，有效降低管道建设、运营维护的成本，增加效益。

逐步替换管道系统内现役国外软件，实现油气管道SCADA系统软件完全国产化，将从根本上消除使用国外软件的安全隐患，确保国家能源安全。