管道SCADA系统通信安全问题及应对措施

刘福志 黄志江 李永明 李 军

（1. 中油国际管道有限公司中哈天然气管道项目，北京 100029；2. 国家石油天然气管网集团有限公司山东省分公司德州作业区，山东 德州 253000；3. 廊坊中油龙慧科技有限公司，河北 廊坊 065000；4. 国家管网集团西南管道有限责任公司天水输油气分公司，甘肃 天水 741020）

0 引言

十四五期间我国长输油气管道快速发展，形成覆盖全域、接连海外、规模庞大的油气管网，基本建立集中远程调控的管理方式[1]。随着多级管网互通互联体量迅速扩充，对管道运行控制技术和设备性能提出更高要求[2]，表现在保证SCADA系统数据传输安全、可靠、稳定，为管道控制管理提供安全稳定的环境条件。数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是管道运行控制的核心技术手段，基于计算机与通信网络基础，实现管道集中、远程自动化控制，在降低人员劳动强度和企业经营成本方面发挥重要作用。管道系统处于安全稳定状态，做好通信光缆维护至关重要。SACDA系统存在通信中断问题，不能有效处置输油泵甩泵、阀室关断突发事件，也可能造成管道超压事故，已成为影响管道安全运行的重要因素。因此，应对管道SACDA系统通信中断原因和预防措施开展研究，并指定科学有效的监测、维护和保护程序，对于提高管道安全性和管理水平具有重要意义。

1 管道SCADA系统通信设计要求

管道SCADA系统组成是主/备调控中心、工艺站场及线路截断阀室RTU和和通信系统。管道主通信方式是光纤光缆，管道建设期同沟并行敷设光缆，施工方便，减少资金成本；备用通信方式是卫星通信及租用公网。通信系统数据传输要求是调控中心与站控系统传输速率不低于64kbps，调控中心与RTU阀室传输速率不低于19.2kbps，误码率低于10-6，管道系统完成数据采集时间小于10s。SCADA系统服务器和局域网（LAN）采用冗余热备方式，按照C/S服务器结构设计。通信系统为管道生产业务提供统一的环形链路通道，包括SCADA系统、监视工业视频、远程视频会议、自动化办公和固定电话。如链路中某点断开，数据从断点处向环形相对两侧方向传输，调控中心可对站场进行监测和控制。通信链路处于故障状态，站控系统PLC控制器以发送和接受脉冲方式进行诊断并报警，调控中心可以监测链路得状态诊断信息，及时定位故障点和查找原因。

2 SCADA系统通信中断原因分析

SCADA系统通信中断指管道数据参数因系统或外界原因无法更新，历史数据不能检索，调控中心失去对站场、阀室的监测控制功能，统计表明，以某输气管道为例，阀室通信中断远高于站场，通信中断时间2～12h情形占总次数的45%，天气条件和设备故障是通信中断的主要因素，占比75%，其他原因包括地表沉降、供电不稳定、第三方破坏等。

2.1 天气条件

恶劣天气条件导致管道通信中断最为常见，特别是管道沿线降水丰沛、地表河流较多、夏季多雷天天气的情形。我国管道干线部分截断法师采用卫星通信，对地基施工质量、供电功率和天气条件要求较高，冬季雨雪、夏季雷电易导致卫星通信中断情形。管道阀室间多为地下建设，降雨量较大时阀室渗水影响压变、温变和可燃气体探测系统等仪表正常工作，仪表故障时即造成通信中断。

2.2 设备故障

设备故障造成通信中断情形包括站控系统路由器、通讯机柜、变送器、备用发电机、不间断电源和阀室执行机构。这些通信中断恢复时间取决于产品备件和维修时间，以及伴行路建设维护情况，如检修人员、设备到达现场迟滞，也会造成较长通信中断时间。

2.3 地表沉降

地表沉降主要针对位于高寒冻土区和地质灾害区管道。高寒冻土区多分布不连续冻土区域，易产生冻胀融沉和热融滑坡等地质灾害。山区管道、黄土塬管道易发生水毁冲蚀、河流漂管等地质灾害。地表沉降和土壤变形对电缆产生剪切作用，如超过电缆最大承受磨损程度可能造成光纤芯断裂，导致通信中断。

2.4 供电不稳定

如管道和站场位于人员稀少、社会依托条件差的一级、二级地区，管道站场、阀室主要依靠社会市政供电系统，可靠性交叉，站控系统、应急照明设有不间断电源。具备较长光照条件的阀室采用不间断电源配合太阳能发电装置，其他供电方式包括柴油发电机和农业供电等。上述供电方式存在问题是供电资源相对孤立，供电可靠性难以完全保证，柴油发电机和不间断电源持续供电时间有限，特别是管道沿线自然环境复杂，电力维修难度高，因供电不稳定导致站场和阀室通信中断时间均较长。

2.5 第三方破坏

第三方破坏指施工机械挖掘损坏光缆，随着社会经济快速发展，人员活动、开挖施工作业、车辆载荷、铁路公路建设等极易威胁光缆线路安全，导致管道备用通信线路损坏。

3 预防SCADA系统通信中断技术措施

管道通信中断危害性在于管道系统处于不可控状态，这段时间内如管道运行参数和工况发生显著变化而无法时间，极易造成油气泄漏等严重事故，同时也不利于及时启动应急预案和实施救援处置活动，可能造成严重安全、环境和财产损失。为降低管道SCADA系统通信中断的次数，保证长输管道运行状态可控，提出以下管道管理措施。

3.1 天气状况监测

除记录分析管道运行参数，加强管道沿线气候、天气状况观测，科学预测评估通信线路风险，持续完善通信中断应急预案的可行性。同时密切关注站场、阀室涉及光缆、卫星的施工作业审批、进度跟踪和现场安全监护等。

3.2 改进管道水击超前保护程序

管道通信中断后自动保护是研究热点问题，石兰输油管道在分析通信中断的风险因素，提出了通信中断工况下站场和阀室的保护逻辑和程序，分别从处置程序、压力控制、压力升高速率连锁、进出站压力超压连锁和安全阀泄压等方面实现通信中断和远程控制失效时管道安全保护。定期测试管道保护软件功能，综合考虑极端情况下管道压力超限的情形，保证管道通信中断后管道运行压力值不超标。按照管道电气设备检修计划，做好站场、阀室、卫星等通信设备的春秋检和预防性维护工作，督促设备厂家按照完成设备维修更换，保证管道通信设备正常运行。

3.3 加强管道管理和巡线保护

高寒区管道、山区管道、水网管道应特别注意新建管道建设期光缆埋深不足的问题，调研表明，高寒区管道季节性冻土区融化后管沟塌陷位移局部地区高达1.5m，应对措施是在冬季之前管道进行致密覆土回填压实，避免产生冻胀融沉问题，降低土体移动损坏光缆的可能性。在夏季多雨季节，应评估河流洪水对管道光缆冲刷的危害性。在雨季之前，管道周围易发洪水区域，设计挡水墙、引流渠设施。针对阀室间进水、积水问题，研究防渗措施，阀室设备上移，避免通信设备损坏的风险。夏季雷电季节，加强管道巡线工作，除关注管道附近施工作业、土体移动、油气泄漏等，还应检测光缆质量状况，进行光缆维护修复工作。

3.4 应用光缆故障检测技术

目前国内外管道行业应用的光缆检测技术包括行波法、阻抗法和测距法。行波法在故障光缆检测中精确度需进一步提高。阻抗法问题在于如果光缆测量电阻值很大或者光缆故障复杂时不能有效实施，存在信号干扰和检测结果偏差问题。其他应用的光缆故障检测方法包括高压/低压脉冲法、电桥法、闪络法、故障点烧法、二次脉冲法和驻波法，可以根据电阻值高低、光缆故障类型、设备操作和人员技术能力等选用合适的检测方法。

4 结语

调研我国长输管道SCADA系统通信中断的时间、类型和原因，恶劣天气状态和设备故障是造成通信中断的主要原因。根据我国管道实际情况，提出的应对措施是加强天气质量监测，制定专项应急预案；改进管道保护程序，确保通信中断时避免管道超压；高寒区管道、山区管道、水网管道应特别重视冻胀融沉、地质灾害和埋深不足可能造成光缆损坏的问题。