國家管網為“能源動脈”打造“神經中樞”

　　入冬前，與管網聯(lián)通的18座儲氣庫實現(xiàn)注氣153億立方米，完成率達107%;采暖季，累計輸氣量突破1100億立方米，同比增長8%以上;寒潮期，日最高輸氣量10.2億立方米，較歷史極值高17%……

　　3月底，國家石油天然氣管網集團有限公司(以下簡稱“國家管網”)圓滿完成去冬今春4個多月的天然氣保供工作。

　　“保障人民群眾溫暖過冬，靠的是發(fā)揮‘全國一張網’統(tǒng)一調控運行優(yōu)勢。這背后，我們自主研發(fā)的油氣管網數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))起到重要支撐作用。”近日，國家管網生產部副總經理、油氣調控中心主任祁國成告訴科技日報記者。

　　經過多年努力，國家管網研發(fā)團隊先后破解程序熱備熱啟、數(shù)據(jù)采集擴容、設備遠程操控等核心技術，成功研制出軟硬件完全國產化的油氣管網SCADA系統(tǒng)。

　　沖擊“極致靠譜”

　　如果將我國超10萬公里的油氣管道干線比作“能源動脈”，那么SCADA系統(tǒng)就是控制“動脈”的“神經中樞”。曾幾何時，這一系統(tǒng)被國外壟斷，能源保供與安全存在受制于人的風險。

　　“管網人一直有個夢想——打造自己的‘神經中樞’!”祁國成說，早在10年前，油氣調控中心就啟動了國產SCADA系統(tǒng)的研發(fā)工作。

　　那時，國內油氣行業(yè)在核心工業(yè)控制系統(tǒng)領域底子很薄，研發(fā)起步階段面臨諸多困難。

　　系統(tǒng)可靠性是首當其沖的難點。油氣調控中心自動化與通信部經理李亞鋒向記者解釋：“油氣管網需要7×24小時不間斷運行，對SCADA系統(tǒng)可靠性要求極高。只有‘極致靠譜’，才能滿足實際應用需求。”

　　“這一點連國外SCADA系統(tǒng)也難以做到。”研發(fā)骨干黃河介紹，比如，某個控制程序出現(xiàn)故障后，國外系統(tǒng)需將主機上運行的所有程序都切換到備機上。這一過程雖僅有幾秒，但容易造成整個系統(tǒng)短時失效。

　　國產SCADA系統(tǒng)如何規(guī)避這一問題?

　　“我們幾乎每天都在爭論。”黃河告訴記者，在討論研發(fā)方案時，大家經常爭得面紅耳赤。

　　經歷無數(shù)次“吵架”，思路逐漸清晰起來。“能不能做到單個程序熱備熱啟，盡可能降低失效時長?”團隊研究重點越來越聚焦。

　　“一旦主機上某個程序出現(xiàn)故障，系統(tǒng)只需要把該程序切換到備機上運行，而不是將整個系統(tǒng)都切換過去。”黃河說，“這樣既能有效降低主機宕機概率，又能顯著減少系統(tǒng)失效幾率。”

　　最終，研發(fā)團隊在國內油氣領域，首創(chuàng)了基于應用的分布式冗余系統(tǒng)架構。

　　使用這種架構后，程序可實現(xiàn)在主備機之間實時切換、熱啟動，系統(tǒng)可靠性得到有效保障。

　　“在主機和備機‘1+1’分布式冗余架構的基礎上，團隊又進一步提出‘1+N’分布式冗余架構。”李亞鋒介紹，“原先的運行負荷都在主機上，現(xiàn)在可以把運行負荷自動分配給N臺備機，備機之間又互為備機。”

　　經過不斷更新迭代，如今，國產SCADA系統(tǒng)實際可用率已高達99.96%。

　　完成“百萬擴容”

　　破解系統(tǒng)可靠性難題只是邁過了第一關。團隊馬上遇到另一大難關——如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)多點采集與實時更新。

　　“數(shù)據(jù)采集點越多、更新越及時，系統(tǒng)才能越了解管網實時狀況。”祁國成說，以前油氣站場使用國外SCADA系統(tǒng)時，有一個令人頭疼的問題——外方從技術上對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量進行了限制，每擴容一批采集點，只能由外方提供服務，且需要支付高額費用。

　　“每采集一處數(shù)據(jù)，就算一個數(shù)據(jù)點。” 李亞鋒回憶道，“因為費用高昂，我們都不敢輕易增加數(shù)據(jù)采集點。”

　　管網里程數(shù)持續(xù)增加、管網設備量不斷增多，而國外系統(tǒng)只授權十幾萬個采集點數(shù)，二者之間的矛盾越來越凸顯。祁國成說：“我們下定決心要在自研系統(tǒng)內解決這一難題。”

　　“擴容的關鍵是將采集數(shù)據(jù)實時傳回系統(tǒng)，尤其是采集點數(shù)量過百萬后，必須解決系統(tǒng)讀取的堵點。”李亞鋒介紹。

　　此時，研發(fā)團隊已從“吵架”中摸索出一套更有效的“頭腦風暴”機制——以推動研發(fā)方案落地為導向，不同任務環(huán)節(jié)的研發(fā)人員從各自角度出發(fā)，互相提意見、挑毛病，從而啟發(fā)和拓寬研發(fā)思路。

　　通過“頭腦風暴”，研發(fā)團隊碰撞出為國產SCADA系統(tǒng)擴容的具體方案。

　　“我們嘗試采用共享內存技術，它可以把系統(tǒng)磁盤上部分存儲空間映射為共享內存。”李亞鋒說，這相當于為系統(tǒng)新增了大量虛擬內存，使其能夠快速讀寫數(shù)據(jù)。

　　與此同時，研發(fā)團隊還創(chuàng)建了高性能服務總線，將數(shù)據(jù)訪問方式由原先基于服務器—客戶機架構的網絡訪問，改為基于高性能服務總線的內存讀取。

　　“這就好比把‘綠皮火車’升級為‘高鐵’，使數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)間的交互速度大大提升，實現(xiàn)了每秒24萬個數(shù)據(jù)點實時數(shù)據(jù)更新。”研發(fā)人員咸玉龍打比方說。

　　通過這些技術的應用，國產SCADA系統(tǒng)擁有了超百萬個數(shù)據(jù)點的高效處理能力，數(shù)據(jù)量是原先采用國外SCADA系統(tǒng)時的十幾倍。

　　實現(xiàn)“無人操控”

　　系統(tǒng)擴容后，油氣管網的海量數(shù)據(jù)采集與更新不再是問題。但這些數(shù)據(jù)按照什么邏輯去組織，系統(tǒng)又如何根據(jù)這些數(shù)據(jù)去下達控制指令?

　　要想讓國產SCADA系統(tǒng)真正運行起來，這是必須跨越的第三道難關。

　　“油氣管網涉及設備眾多，不同設備之間交互控制邏輯復雜。只有研制出面向生產的數(shù)據(jù)管理與設備操控技術，系統(tǒng)才能實現(xiàn)對各種設備的遠程控制。”黃河說。

　　此前，國內油氣領域在這方面的經驗基本為零。

　　研發(fā)團隊一方面集思廣益，一方面下足“笨功夫”。設備的每一項控制流程都要反復研討、修改幾十遍。咸玉龍舉例說：“為了精準控制管道內的油氣流量，我們根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)再三校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，最終形成控制標準。”

　　隨著時間的推移，研發(fā)團隊創(chuàng)建出面向油氣管網設備的模型和圖形描述方法，先后定義了15類油氣管網工藝設備控制標準，并研發(fā)出油氣管網設備控制面板模塊化技術。

　　“這一過程工作量很大，僅各種設計文檔，打印出來就有一二百本。”黃河說，“項目評審時，厚厚的文檔擺在桌子上，把專家的視線都擋住了。”

　　有了控制標準與控制面板后，調控中心的調度人員只需要在系統(tǒng)界面上進行操作，就能實現(xiàn)遠在千里之外的油氣管網設備“無人操控”。

　　2018年，油氣管網國產“神經中樞”研制成功，并被命名為PCS 1.0系統(tǒng)。2019年，中俄東線天然氣管道北段(黑河—長嶺)作為示范工程，首次實現(xiàn)油氣管道全線采用國產SCADA系統(tǒng)……

　　“截至2023年底，油氣管網國產SCADA系統(tǒng)已在國家管網28套中控級系統(tǒng)、354套站控級系統(tǒng)成功應用。”黃河說，目前，國產SCADA系統(tǒng)正在一邊推廣應用，一邊優(yōu)化升級。升級后的PCS 2.0系統(tǒng)將更加安全、可靠、智能。

　　“2月29日，習近平總書記在中共中央政治局第十二次集體學習時強調，能源安全事關經濟社會發(fā)展全局。”祁國成自豪地說，“油氣管網國產SCADA系統(tǒng)徹底打破了該領域核心工業(yè)控制系統(tǒng)受制于人的局面。未來，我們將強化關鍵核心技術攻關，持續(xù)夯實國家能源安全底座!”

　　來源：科技日報 記者 劉園園

作者：劉園園