基于集成式SCADA系统的城镇燃气管网动态分级智慧运维

汪小蕾

（南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京 210000）

1 引言

随着我国社会经济发展及城镇化进程加速，对能源的需求持续攀升，作为一种清洁能源，燃气已普及到城市工业及生活中的各个方面[1]。因新城区燃气管网的加速扩建和老城区的燃气管网的逐渐老化，燃气安全问题日益突出，城镇燃气管道多埋设于人口密集区域地下，其环境错综复杂，施工及检验检修难度高，燃气管网运维资源捉襟见肘，如何对管网进行安全分级并实施分级运维已成为目前燃气运营单位及相关管理部门追求的重点。

如今，计算机技术、电子技术和网络技术的高速发展为各城市燃气公司的管网运营提供了极大的便利，燃气管网SCADA（Supervisory Cont rol And Data Acquisition，即监视控制和数据采集）[2]系统很好地实现了城镇燃气管网实时运行工况的集中监测和控制。通过对管网进行普查、检测和动态评级，结合SCADA系统对整个管网实施分级智慧运维，可大大提高运维效率、减少安全事故的发生，同时缩减运维成本。

2 城镇燃气管网集成式SCADA系统功能设计

SCADA系统一般用于工业过程控制，用来完成现场数据的测试、采集、远传并实施反馈调节，并可储存记忆大量数据用于共享[3]。传统燃气管网SCADA系统仅实现输配管网简单的开关设备及参数的实时状态和数值的采集、传递至监控计算机，再由调度人员反馈相应指示通过通信信道传达现场，用以指导现场相关操作[4,5]。随着城镇燃气管网的日渐扩张对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，SCADA逐渐被要求提高数据处理能力及吸纳整合其他系统形成新的集成式系统。

新的集成式SCADA系统是在原有的SCADA系统基础上，增强数据处理与模拟功能，整合巡检系统、视频监控系统及GIS地理信息系统，形成可视化可分析预警管理平台，实现管线巡检、第三方施工管控、隐患处理、用户安检及管网场站设备维护、维修、应急抢险等线上管控、线下作业的功能，其功能系统如图1所示。

图1 燃气管网集成式SCADA系统功能结构

2.1 视频子系统

视频系统是集成式SCADA系统中的重要功能模块，视频源分为固定式和移动式两大类，固定式将视频监控应用于燃气管网关键节点或风险等级较高的部位，如燃气门站、调压站、用气大户等，对管网运行、调压系统、阀门状态、计量仪表等实时状况进行监测传输，实现图像采集和监测功能，能及时、直观地发现现场问题以便采取相应措施[6]；移动式源于施工、巡检、抢救等过程中工作人员的手持智能终端对重要情况的实时视频反馈，再由主管人员进行远程指挥一线人员操作。该系统可为实现施工管控、运维监管、燃气调度及管网安全提供有力的基础支撑。

2.2 GIS子系统

GIS系统是集成式SCADA系统中的基础与核心，主要是应用计算机技术进行空间数据的采集、编辑、储存并进行空间的显示，该系统将数据库和图形系统进行有机结合，形成对管网信息的全方位记录和更新。通过及时更新与完善数据库和图形库，相关人员可以在很短的时间内了解城市范围内所有燃气管网的实时信息，如材质、规格、长度、使用年限，甚至是埋深及历次检验维修情况，同时还可以在相关同步界面上直观地看到管线的铺设状况，再根据GIS系统数据分析功能，可以了解到某个阀门对相关用户或管网的影响[7,8]。在GIS技术的支持下，结合北斗定位系统，在管网运行、管理、规划、施工、检验及事故抢修等工作中可以发挥重要的依托和指导作用，是城镇燃气管网智慧运维的重要组成部分。

2.3 巡检子系统

巡检系统是集成式SCADA系统中的上层功能系统，该系统实为线上指挥、线下操作、同时相互更新的广义巡检系统，主要完成检验、维修、施工、抢救等业务过程的任务生成、指导、过程控制流转以及相关数据的采集更新和储存[9,10]。巡检系统设计过程中结构方式应采用开放式可互相兼容模块化，保证各种功能既独立又相互协调，可实现模块的合理规划和功能的合理裁剪。任务生成分日常巡检、施工规划和临时任务三大类，由调度中心结合人员信息、管网信息（包括管网路线、运行、安全风险情况等综合信息）及临时反馈信息生成灵活完善的工作任务，经审核后通过数据传输授权至现场工作人员的手持智能终端，在GIS系统及视频系统的互交支持下，工作人员按照巡检调度系统给出的任务和路线进行任务开展和流转，同时将现场信息进行记录和传输，对于异常情况及时核查、反馈并保存。巡检系统中设有缺陷查询处理模块，该程序会根据缺陷进行判断，找到其中存在的问题，然后制定科学、合理的方案作为工作人员的重要参考，从而提升工作效率，保证城市燃气管网安全稳定。

2.4 集成式SCADA系统

SCADA系统功能在于数据的采集、监视和控制等，同时对数据进行维护、分析、计算、利用和分享。新集成式SCADA系统具有增强的组态化特点，可根据需要自由进行功能组态、网络组态和系统组态，其标准化和开放性支持与视频系统、GIS系统及巡检系统的兼容和集成，不同的功能系统模块可集中到一个节点和多个节点上；系统嵌入面向对象的集成开发环境，通过标准的、开放的数据访问接口可访问系统资源，还可根据需要在此基础上进行二次开发，实现新应用的叠加或融合。视频子系统、GIS子系统及巡检子系统构成集成式SCADA系统中最为重要的三大嵌入功能模块，同时SCADA母系统主要实现燃气管网的安全运行监测、生产管理及其他功能：如数据采集与管网监测、工艺流程显示与查询、计算统计和模拟形成的全方位预警和报警设限、管网运行图库检索、电动阀门控制、设备台账管理、报表生成、人员管理、控制权限及访问权限的限定、移动办公等等。

3 城镇燃气管网动态分级

在对城镇燃气管网进行全面普查的基础上，建立健全燃气管网台账，根据普查和检测结果对管道进行等级划分，以事故后果严重程度为附加影响因子，最终得出该段管网修正风险等级，以此为依据来合理运用有限的人力和物力资源，有计划、有步骤地进行燃气管网的定期检测、维护和更新改造等工作，达到最为有效的减少风险的目的，提高运维效率，降低运维成本，保证安全运行[11]。

3.1 管道等级划分

根据SCADA系统历史数据、运维经验、管道现状检测和周边环境对每段管道进行等级划分，一般综合考虑管道的使用年限、管道敷设的时间、施工的质量，埋地管的埋地深度、地下水位、管道所在地土壤性质、防腐层类型、管道运行故障数量等因素，必要时可以开挖获取基础数据，再根据所有检查检测结果进行管道相对评级。本方案将所有类型管道的检查检测结果按出现损伤的可能性相对程度来划分等级，共分为5级。

3.2 事故后果严重程度评级量化

事故后果严重程度综合考虑管网压力级别、所在地区等级及事故后修复难度，其评级量化由以下事故后果数值矩阵来确定。

表1 事故后果数值矩阵

由矩阵设计看，压力等级因子对事故后果严重程度等级影响权重较大。

3.3 管网风险量化及动态分级

根据管道等级和事故后果严重程度等级量化后矩阵计算，得出该段管网风险值，随检测情况变化随时调整数值并按下表方式进行管网风险动态分级，如表2所示。

表2 管网风险数值矩阵

从分级结果来看，本方案中管网风险等级直接影响因素为管道等级，附加影响因子的事故后果严重程度等级为4级以上时才对管网风险等级有所影响。管网风险应根据实时状况的变化随时更新评价，形成动态管理[12]。

4 城镇燃气管网的分级智慧运维

4.1 基于集成式SCADA系统的管网动态分级

根据城镇燃气管网分级方案，分级影响因子部分是由管网初始属性决定的，部分会根据运行情况发生动态变化，所有要求的分级因素和数据都可从集成式SCADA系统中直接获取，通过嵌入分级计算模块自动搜集影响因子，再经过模块计算分析得出各管网及节点处实时风险等级，同时在系统中以直观图像标注及数据备注，从而为城镇燃气管网初始建设和日常运维任务中人力、物力及检验频次的合理分配提供重要依据。

4.2 基于动态分级的管网智慧运维

根据管网风险等级不同，集成式SCADA系统中的监测、监控重点布置会有所侧重。管网分级系统中风险等级高的，如门站、LNG储备站等关键设施不但配备实时压力远传系统、阀门自动控制系统，同时配备实时视频系统；高压及次高压输送管网在管网阀门井、调压站及管网末端配置压力远传系统，并根据以往的压力形成模拟数据来设定报警区间，在管网环境复杂的地区加装视频监控系统；城市中压、大型城市综合体及大型工业用户、根据压力远传系统及压力区间模拟报警系统来及时掌控管网压力变化，既能确保用户的生产也可以保障管网的安全运维。

根据管网风险等级不同，集成式SCADA系统日常巡检生成任务中的检验项目跟频次会有所侧重。如风险等级较高的高、次高压管网需每日巡查两次，内容包括检测阀井、波纹补偿器、牺牲阳极、燃气警示标志、标识砖、标志桩，管线两侧各5米电信、电缆、下水井的燃气泄漏情况及绿化带、树木的生长情况、管网及设备周围有无施工、占压、种树情况等，对重点路段和燃气管网周边施工部位增加巡视频次；重点安全隐患需每日至少巡查一次，详细记录每日巡查情况，地点精确到某个部位，巡查过程中需采取检漏仪检测，发现情况及时记录并汇报；重点施工的巡查需每日一次，随时跟进各项指标数据并录入智能终端上传至系统保存。

管网运维过程中，出现风险等级为V的管网、相关节点远传数据失常及其他超过预警限值的特殊情况，系统平台会出现预警色和预警提示，并及时生成相关检修任务，直至风险解除或降至可控范围内。

5 结语

集成式SCADA系统增强了对管网动态分级运维的管理，更高效、准确、全面，通过线下和线上配合对各类数据的传送、保存、统计、计算反馈及相关模拟，实现管网从施工、运行到检修维护等全过程的智能动态分级管理，合理分配资源的同时大大减少安全隐患，提高了燃气管网的安全指数，达到全过程一体化智慧运维的目标，也为相关部门对燃气行业的监管提供了最准确、便捷的数据基础和技术支持。