燃气SCADA系统报警泛滥抑制措施应用研究

彭超龙，巩忠领，邹牛洋

(深圳市燃气集团股份有限公司，广东 深圳 518049)

数据采集与监控系统(SCADA)作为流程工业的自动化控制系统，也是中国最常用的生产过程报警管理系统，在燃气行业是通过自动化、信息化技术实现对城市燃气输配系统的遥测、遥信、遥控及遥调[1]。随着近年来，燃气SCADA系统平台规模不断扩大，开放性和兼容性不断增强，平台集成和开发成本大幅降低，报警组态更加简单快捷，且人为报警设置无需增加任何成本，所以，同样存在其他流程工业中报警泛滥、无效报警过多、报警优先级分布不当等情况[2-3]。据非正常工况联盟调查统计，每年企业都会由于报警泛滥产生的误操作、意外停车等事故损失上亿甚至上百亿美元[4]。

深圳某燃气公司采用的SCADA系统由中央监控、数据通信和远端站控等系统组成。燃气SCADA系统监控站点涵盖天然气门站、LNG站、电厂计量站、调压站、阀室及中压压力监测点，累计229个站点。为了全面掌握燃气管网运行态势，该系统采集管道压力、温度、介质组分、热值、瞬时流量、燃气泄漏、执行器运行状态等数据，并对关键参数、关键区域设置了报警点，包括报警阈值、报警级别、报警声音、报警死区和报警延时抑制等属性。据统计，2013年—2020年，该系统年报警量最高可达18.9万条，海量的报警信息使得燃气管网安全监控形势变得十分严峻，报警信息得不到及时有效处理，给企业的安全生产埋下严重隐患。因此，优化报警点设置，改善报警泛滥成为了企业报警管理系统中亟待解决的问题[5-6]。

1 报警抑制原理

天然气调度中心在城市燃气的运营调度中发挥着重要作用。为了保证城市燃气输配管网的安全稳定运行，需要实时在线监控管网运行状态，并对异常工况进行报警。该系统报警信息由“1”和“0”组成， “1”代表触发系统报警，“0”代表未触发报警，当生产装置上检测仪表输出的过程信号值达到报警设定值且满足特定约束条件后就会生成报警信息“1”，并以声音和跳动字幕的方式提示调度操作人员，其他情况均不产生报警信息。因此，触发报警点报警的决策变量为生产过程信号值，该系统中模拟量、开关量生产过程值报警示意过程如图1所示。

图1 过程值报警示意

流程工业中一般认为过程值达到预设值就会产生报警信息，然而为了减少报警泛滥，常会采用先进的报警技术过滤处理报警信号，即报警抑制。只有当过程信号值满足特定约束条件后，生产监控系统才会真正生成报警信息。因此，这些触发报警的约束条件就成为了抑制报警的有效措施。基于报警点决策变量、抑制条件以及对历史报警数据分析的基础上，为了直观表现报警信号生成的过程，针对生产监控系统中的模拟量、开关量分别建立了报警点抑制的触发表达式，其中模拟量又分高、低限值类。

限值类高报警触发表达式如式(1)所示：

(1)

限值类低报警触发表达式如式(2)所示：

(2)

离散类报警触发表达式如式(3)所示：

(3)

式中：zt(n)——报警信号；xp(n)——过程信号；xs——报警阈值；Lmin——仪表测量下限；Lmax——仪表测量上限；y——报警抑制条件。

2 报警抑制条件与适用对象分析

报警点的抑制设置需要在满足一定条件下才可以进行，针对该系统报警原理和报警抑制机制，报警点设置报警抑制的适用场景有以下几点：

1)xs为固定值。可优化报警设定点的抑制条件y，通过设置抑制条件可以减少滋扰报警。如设置延时30 s，即报警信号触发了设定值且保持30 s后，才会产生报警信息。该方法适用于已投运生产场站，频闪、抖动报警较多的报警点。

2)y已固化设置。优化报警设定点的对象为xs，该值的设置需按照生产装置设计要求及工况变化进行动态调整，且xs不能超过检测仪表的测量界限。该方法适用于已投运生产站点，需要调整报警阈值的报警点。

3)对xs，y同时调整，属于完全重新设置报警点。该方法适用于新建站点报警点的设置。

3 报警抑制措施应用

报警抑制旨在减少抖动、瞬闪和常驻等高频次的异常报警。以投运的某门站为例，在报警阈值设定不变的前置条件下，改变报警抑制条件成为改善报警泛滥的主要方向。通过对该门站历史报警数据统计分析可知，压力、温度的频繁波动，通信、阀位状态的频闪，瞬时流量的抖动等异常报警将是报警抑制的重点对象。以该门站1个季度的历史报警数据为研究对象，重点研究了排名靠前的TOP10报警，详细分析了报警发生的频次、时间段、产生的原因，报警的历史曲线，报警的表现形式等，并依据每种报警的特点给出了相应的报警抑制措施。某门站1个季度排名前10报警数据统计及分析见表1所列。

表1 某门站1个季度排名前10报警数据统计及分析

3.1 设置报警延时

一般在生产监控的报警管理系统中，一旦过程值达到设定值时就会被记录下来，并产生报警输出信号。报警延时则是过程值触发报警阈值后并且要等待一定时间待过程状态稳定后，才记录变化值并输出报警信号。在报警延时设计中，延时区间的长度称为时间窗口[7]。以该门站通信信道状态报警为例进行说明，比较设置不同长度的时间窗口对抑制通信信道报警数量的影响。在设置报警延时之前，需要统计通信状态的历史报警持续时间，不同时间窗口报警数见表2所列。

表2 通信信道报警信号数量及持续时间统计

在完成报警持续时间统计后，需延时设置不同长度时间窗口，报警管理系统延时效果如图2所示。

图2 报警延时效果示意

从图2中可以看出，针对通信信道进行5 min的报警延时设置可以减少80%以上的报警，设置30 min则可以减少97%以上的报警。

3.2 设置报警死区

死区技术是一种有效解决抖动报警的措施[8]。在报警系统设置死区抑制措施后，报警的产生和恢复是基于设定阈值的两个不同值，即上浮和下调一定比例，这样更宽裕的区间可有效减少噪声影响。但在设置死区时，应当注意死区的区间不能太大，否则过程值回落到正常工艺范围内时，报警无法消除，生产系统将持续产生报警信息。针对化工生产过程典型模拟量报警信号，EEMUA[9]标准给出了死区参考区间。

以该门站进站压力为例，通过对历史报警数据的分析，发现分输站进站压力点的低报警在下限阈值3.5 MPa范围内频繁震荡，高报警在上限阈值4.2 MPa范围内频繁震荡。依据报警阈值设置死区的原则，首先按照0.5%浮动调整报警阈值，调整后的报警阈值上下限为4.221 MPa和3.83 MPa，可总体减少约30%的报警。因此，采用依次递增0.5%的比例验证死区设定效果，结果发现报警阈值死区设定比例在1.5%时，可减少系统报警总量的80%以上。报警阈值死区设定比例对报警数量的影响见表3所列。

表3 报警阈值死区设定比例 %

3.3 设置报警阈值偏差

报警阈值偏差的设置与报警死区技术的原理大致相同，都是浮动设定报警的阈值，唯一的区别是事先规定好允许的偏差范围。依据概率统计，通常要求报警阈值的设定值要控制在3δ标准方差内，即设定的报警阈值应覆盖不少于97.3%的报警值[10]。本文以该门站至沿途某出口电液联动阀压力报警为例，压力数据统计见表4所列。

表4 该门站至沿途某出口电液联动阀压力报警统计

(4)

(5)

因此，电液联动阀压力的报警阈值设置3δ标准方差后，则报警上限由原19.0 MPa变为19.5 MPa，可知该报警阈值可覆盖绝大多数异常报警值。

3.4 设置报警搁置

报警搁置有锁存报警和清除报警条件两种方式。前者适用于有计划的作业报警；后者适用于突发的常驻报警。不管采取何种形式其目的都是减少已知的报警或无法解除的报警，从而控制产生报警的数量。因此，针对该系统每季度的定期功能测试，应采取报警搁置抑制措施。

此外，针对该类报警的设置与管理，在采取搁置措施前，要确保该报警得到有效管控，明确可搁置、解除的条件，其次要做好交接班的交底，详细告知搁置的报警信息以及最长可搁置的持续时间，且搁置的报警应在报警系统中突出告警显示，以便提示调度操作人员及时跟踪处置搁置报警。

4 结束语

通过报警泛滥抑制措施在该门站监控系统实施后，报警总量减少了94.5%，有效改善了燃气SCADA监控系统报警泛滥现象。随着城市燃气管网规模的不断扩大，该系统报警点的数量还将进一步增加，为避免该系统再次出现报警泛滥现象，作为生产调度管理部门应重点从以下两个方面完善报警管理制度： 一是建立报警管理KPI指标考核体系，对每季度排名前10的报警不断进行报警参数优化调整；二是结合生产调度班组人数及任务量，确定当班次可接受处理的最大报警数量，保证报警系统产生的每1条报警都能得到及时有效的闭环管理。