城市燃气管网SCADA系统的设计及应用

杨坤海

(福建省石油化学工业设计院,福州 350001)

0 引 言

2006年,福州市煤气公司为了保证天然气输配管网的安全运行和稳定供气,提高供气管理水平,建成一套自动化水平高、覆盖范围广的燃气管网数据采集与监视控制 SCADA(Supervisory Control Aad Data Acquisition)系统:其一实现生产和设备的管理;其二SCADA系统也可以作为调度中心,通过对历史数据及实时数据的分析及模型计算,为生产管理者提供决策。其主要功能是用于对地域广阔的远程站点进行监控,包括对各站点各种数据的实时采集、各种设备状态的实时监测以及对远端设备的调节和控制等。系统成功投入应用,实现了城市燃气管网供气现代化管理。

1 天然气管网系统现状及设计规模

1.1 系统现状

该公司天然气管网主要包括:3个天然气门站;1个调峰站;5个高低压调压站;5个线路阀室; 2个汽车加气子站;10个中低压调压站;4个阴极保护站;5个管网不利点。过去这些站点由于所处位置比较偏僻,交通不便,每个站点专门配备巡检员采用定期抄表上报方式进行维护,维护的工作量大、难度大,且实时性差。再者,随着该公司供气管网地域的不断扩大,配备巡检人员也随即增加,导致维护成本成倍上升,所以这种供气管理模式已不能适应新的形势发展的要求,需要对原有的模式进行全面升级。

1.2 设计规模

该燃气管网SCADA系统设计规模:1个数据存储中心及主调度中心;1个数据容灾中心及应急中心;3个门站;5个高中压调压站;5个线路阀室; 2个汽车加气子站;10个中低压调压站;4个阴极保护站;5个管网不利点,共组成34个本地监控站。其系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 福州市煤气公司SCADA系统网络拓扑结构

2 系统设计

2.1 主调度中心

主调度中心是该公司燃气管网SCADA系统的控制中枢,整个系统中数据最集中的地方,也是安全性要求最高的地方,因此系统设计采用全冗余配置,实现SCADA服务器、网络、通信和各功能环节等的冗余。计算机网络按C/S结构配置,操作员站、工程师站等均作为局域网上的一个节点,共享服务器的资源。

主调度中心系统采用国际上先进成熟的SCADA软件,结合该燃气输配管网的具体情况,通过网络与各监控站点建立通信,获取实时数据,实现SCADA系统的遥测、遥信、遥控功能,完成对燃气管网工艺过程数据集中监控和调度管理。

主调度中心局域网采用双以太网络架构,通信协议为 TCP/IP,通信速率为100 Mbit/s。主调度中心配置有2台100 M核心交换机来分别完成各自网络的数据通信和局域网的冗余管理,包括SCADA实时数据服务器、操作员站、工程师站及事件打印机、报表打印机等也均通过交换机同时挂接到两个网络上,从而实现了完全的数据通信双网络冗余。

主调度中心经网络路由设备接入光纤网络与高压管线上门站、高中压调压站及高压阀室的远程终端单元RTU(Remote Terminal Unit)相连构成该SCADA系统的有线通信网络系统,通信协议采用工业以太网 TCP/IP协议,通信接口为RJ-45, SCADA服务器通过以太网与RTU交换数据。

另外,主调度中心SCADA服务器通过前置通信处理机以码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)无线通信方式与远程控制站实现通信。CDMA无线通信方式既作为关键工艺场站(高压管线上门站、高中压调压站及高压阀室)的备用通信方式,也作为汽车加气子站、中低压调压站、阴极保护站及管网不利点的主通信方式。SCADA系统的有线通信网络出现故障时,系统能自动启动无线通信网络完成与关键工艺场站的数据交换,有线通信网络恢复正常后,系统自动切换返回有线通信方式,整个切换过程无缝完成,不会造成数据丢失。切换由服务器来判断和完成。

2.2 后备应急中心

后备应急中心是该SCADA系统的备用控制中枢。计算机网络采用C/S与B/S相结合的结构配置,配有数据服务器,操作员工作站、工程师工作站作为局域网上的一个节点,共享服务器的资源。应急中心的容灾不仅是数据存储中心的备份,也是SCADA系统的应急。当主调度中心正常工作时,应急中心自动和主调度中心同步数据;当主调度中心出现故障时(如数据服务器故障、数据采集服务器故障或通信处理器故障),应急中心检测到故障存在,在接管数据存储的同时,还接管数据采集工作和SCADA系统的监控功能。

2.3 监控系统

2.3.1 本地监控站

该燃气管网SCADA系统目前有34个本地监控站。各本地监控站主要完成本地数据的采集和控制,并通过通信网络将数据上传主调度中心,同时响应主调度中心的指令,监督及管理本地监控站运行。当本地监控站与主调度中心通信中断时它能独立完成站内监控,确保生产安全可靠运行;个别本地监控站发生故障不会影响整个SCADA系统的正常工作。

2.3.2 主调度中心监控系统

主调度中心主要完成全线监视和控制,其主要功能:

a)数据采集处理。RTU将实时采集到的各站点的运行参数及状态上传给主调度中心,为管网的运行调度提供依据。

b)设备管理。对门站、高中压调压站、高压阀室等设施的主要设备实施监控管理。

c)本地监控站参数远程设定。每个本地监控站能独立完成数据采集、处理、控制、上传等任务,主调度中心可进行远程参数设定,在一般情况下并不参与控制,仅在特殊情况下,由主调度中心向本地监测站进行遥控操作。

d)图形显示测量参数。采用曲线图、直方图、饼图等图形方式显示输出。

e)数据存储。所测参数可在线存入实时数据库和历史数据库,实时数据库储存当前24 h的数据,历史数据库的正常运行数据存放1a以上,故障数据存放3a以上。

f)制表打印。可输出定时报表(日、月、季、年及任意时间段报表)、报警汇总表、操作记录报表、系统维护报表等。

g)画面显示。可输出全市输配系统总图、区域图、调压站、储配站工艺流程图,地形地貌图及报警全貌图。

h)具备故障分析、处理的功能。

i)各职能科室按权限大小可调阅输配系统的运行参数。j)具备向上联网的能力。k)全系统24 h连续运转。

3 系统特点

3.1 通信能力强

该燃气管网SCADA系统中采用的数据通信可分为有线和无线两类,其中有线通信主要包括租用电信光纤或ADSL,无线通信主要为CDMA通信。随着通信技术的不断发展完善,组网灵活、造价较低、建设期短、运行维护简单、性价比较高的无线通信在 SCADA系统中逐渐成为一种趋势。CDMA网络经过通信部门的建设,近年来覆盖范围不断扩大,已成为成熟、稳定、可靠的通信网络,通信速度明显优于移动 GPRS网络,十分符合SCADA系统的实时、准确、安全、可靠的特点。

3.2 开放性与可扩展性强

该SCADA产品支持各种规范协议,如OPC, ODBC,ActiveX,SQL等,可以非常方便地与 GIS等系统通信。另 RTU通信采用开放的 TCP/IP协议,并且所有配置和源程序都是开放的,因此可以很方便地增加系统功能与增加RTU的数量,以满足今后供气管网不断扩大的需求。

3.3 实时性与维护性快

该SCADA系统采用Modbus TCP协议,除了支持通常的轮询方式,还支持RTU定向服务器传输方式。而且组网采用光纤方式,备用网络也采用CDMA方式,实时性比传统的GPRS快很多。由于无线的接入,所以维护非常方便,只要CDMA信号有覆盖的地方,均可以在线维护。随着3G牌照的发放,作为下一代的CDMA2000,速度有了质的飞跃,为系统实时性能的提高提供了充分条件。

4 结束语

该SCADA系统平台已成功搭建,大部分站点已成功运行,小部分还在建设中。自投运以来,系统工作正常,性能稳定,能较好地实现中心集中监控任务,保障了供气管网的正常运行及调度管理,促进了节能降耗,完成了信息管理与远程监控调度一体化,为公司管理层提供了燃气管网的大量信息,使整个企业运转效率和管理水平跨上了新台阶。

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