燃气输配调度管理系统的设计与应用

摘 要

摘要：本文介绍了燃气输配调度管理系统组成、功能和应用，提出了燃气输配调度管理系统设计方法和实现途径，重点提出了保障工艺数据在采集、传输、存储和分析过程中可靠性及整个系
摘要：本文介绍了燃气输配调度管理系统组成、功能和应用，提出了燃气输配调度管理系统设计方法和实现途径，重点提出了保障工艺数据在采集、传输、存储和分析过程中可靠性及整个系统稳定性解决方案。
关键词：输配调度、SCADA、GIS、GPS、应急抢修、负荷预测、管网仿真、冗余
Abstract:This paper introduces Gas Distribution And Dispatching System structure, function and application，proposed Gas Distribution And Dispatching System design and implementation of ways， Highlighted the security process data collection, transmission, storage and analysis of reliability and stability of the whole system solution.
Key words:Distributiong and Dispatching、SCADA、GIS、GPS、Forcaster、Pipe network simulation、Redundancy
一 前言
为了更好地发展低碳经济、保障民生，国家着力调整优化我国能源结构，大力推广和发展清洁能源经济，增加天然气在一次能源消费的比例已经成为我国能源战略重要组成部分。
天然气输配网络管理水平的提高则是提高燃气企业运营管理水平、提高燃气运行安全性、可靠性、提高企业经济效益的必然要求。随着天然气产业发展，我国城市燃气输配管网也发展为多气源供气、多压力等级管网构成纵横交错庞大复杂的网络体系。燃气输配与调度信息化管理系统是各燃气公司解决燃气输配安全与高效应用必然手段，国内燃气输配管理信息化系统建设起步晚、起点低、总体水平还不高，但近几年随着国家大力发展天然气产业，对燃气企业燃气输配管理信息化要求越来越高。逐步建立起燃气数据采集与监控系统（SCADA）、地理信息管理系统（GIS）、安防系统、车辆调度管理系统（GPS）、辅助决策系统（包括管网仿真、负荷预测系统）等多个燃气调度输配管理信息化管理子系统，这些系统的建立极大地提高了企业管理水平、经济效益和管网运行的安全性。但这些系统的建设都缺乏总体规划，各个系统都相互独立，形成了一个个信息孤岛，用户需要配备大量人员对这些系统进行管理和维护，增加项目建设和维护成本，各系统之间信息及数据资源无法共享，不能完全发挥信息化系统作用。本文主要针对该问题提出燃气输配调度管理系统建设的设计思路和方法。
二 系统组成及功能
燃气输配调度管理系统为燃气企业对燃气生产、产销、管网运行状态、设备资产管理、用气安全管理等提供现代化的管理手段。它对提高燃气管网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现燃气输配调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。
燃气输配调度管理系统由SCADA系统、GIS系统、GPS系统、安防系统、辅助决策支持系统（管网仿真系统、负荷预测系统、泄露检测定位）等子系统组成，各子系统提高了燃气企业生产管理、设备管理、安全管理、急抢修管理、辅助支持等五大部分管理手段和效率，其体系结构见图1。
输配调度各子系统具有以下功能：
（1）SCADA系统
SCADA系统融合了先进的计算机技术、现场总线技术、网络通信技术、数据库技术、HMI技术、控制技术等，实现对燃气管网系统的进气、计量、输配、调压全过程的监控、管理和调度，能实现生产信息、管网状况的自动化收集、分类、传送、整理、分析和存储，为其他信息化系统提供基础数据。
SCADA系统主要实时监测管网运行数据、动态显示管网运行流程图、显示采集采集的历史/实时趋势、下达调度和操作命令、报警和事件管理、网络监视和管理、生成各种数据报表等功能模块组成。功能模块见图2：

（2）GIS系统
GIS系统为用户提供一套管理燃气输配管网空间及属性信息、实现数据的综合查询、统计及输出、可以有效进行紧急事故处理、并可与SCADA系统、客户信息系统集成使用的管理系统。
GIS系统主要由图形基本操作模块、管网设施管理模块（设备台账管理）、管网制图系统、管网综合查询系统模块、管网综合统计模块、抢修辅助决策系统模块、系统维护管理模块、WEB GIS子系统、移动GIS子系统（PDA）等组成。功能模块见图3：

（3）应急抢修系统
    应急抢修系统利用GIS系统、客户服务系统、SCADA系统及GPS系统分析事故原因，针对不同管网事故模式自动生成相应的科学、合理的应急预案，为抢修部门提供决策支持。
应急抢修系统根据SCADA系统、客户服务系统获取事故报警信息，利用客户服务系统提供的用户信息，分析出影响到用户数量及范围，根据应急预案等级划分标准，系统自动识别需要启用哪级预案。通过GIS系统自动对抢修点进行定位、显示相关阀门、调压器、管线、用户信息并提供最优关阀方案。利用GPS系统自动调度离事故现场最近的抢修车辆和人员到现场抢修，将事故影响限制在最小范围内。
    应急抢修系统由应急预案等级划分模块、应急过程管理模块、应急信息发布模块、道路封锁管理模块、风险评估系统模块、短信群发功能模块、与GPS系统集成、与GIS系统集成、与CIS系统集成、与SCADA系统集成模块等组成。功能模块结构见图4

（4）GPS系统
GPS系统是综合GPS、GIS、GPRS（或CDMA1X并容合GSM）无线通信技术，为燃气用户提供各种运输车辆的调度管理的系统软件。提供了对公司车辆进行高效和科学化的管理手段。
GPS系统主要功能有车辆实时定位、车辆监视控制、车辆调度管理、车辆报警处置、短信语音通信等。功能结构见图5：

（5）辅助决策系统
辅助决策系统用于解决和优化城市燃气复杂管网、多气源燃气输配调度管理系统，建立管网实时运行模型，分析SCADA系统采集的管网实时数据，对管网的异常运行工况进行分析，模拟分析计算用气高峰期管线上的压力分布，分析高峰期每日运行的管道系统的输送和储气性能。分析历史数据，利用管网仿真系统对管网未来用气状况和负荷进行预测，根据预测结果提前制定用气计划，保护用气安全；对管线的泄漏情况进行分析以及时发现泄漏点，减少泄漏损失；对管网的安全运行进行风险评估以合理优化设备维修更新计划。
    辅助决策系统一办包含管网仿真系统、负荷预测系统、泄露检测定位系统、安全评估系统等系统组成，辅助决策系统结构见图6：

三 系统设计原则
燃气输配调度管理系统需要调动企业各个部门的力量，将企业生产运营流程及管理模式运用现代网络通信技术、计算机、软件及控制技术等建设成现代化信息管理平台。通过对企业生产运营及安全管理流程进行优化和业务创新，建立现代企业管理制度，提高燃气企业经济效益和社会满意度。
燃气输配调度管理系统建设一般遵循总体规划，分步分期建设，各项功能和规模伴随着企业生产需求和企业发展而不断完善和发展。系统设计原则如下：
（1）       总体规划：输配调度管理系统包含多个子系统，各个子系统即相互独立又相互关联，每个子系统建设时间和服务部门各不相同，因此系统在第一个子系统建设初期就要总体规划，根据企业发展规划，预留与其他子系统的接口。
（2）       制定标准：输配调度管理系统建设周期长，而且系统规模随着管网发展而不断发展，因此系统建需要先行制定系统建设标准，对系统建设涉及到设备、平台软件、通信网路、系统功能、各子系统接口、通信协议、数据库、软件编码等制定一系列标准。制定了完善系统建设标准，节约项目建设成本、提供系统的稳定性和可靠性、方便系统的维护和管理。
（3）       系统安全性：系统安全性包括系统稳定性、数据完整性和可靠性、系统具备防病毒及黑客攻击、设备可靠运行
（4）       系统先进性：系统应用的软硬件要符合技术发展潮流，系统功能要完备，满足企业生产运营的需要。
（5）       系统可扩展性和开放性：系统选用国际主流并在相关行业的到广泛应用的硬件设备和软件平台软件。软件平台要高度开放，支持国际标准协议和其他系统软件接口，保证数据资源和其他子系统共享。方便系统扩展，便于开发、维护、管理和系统升级。
（6）       系统可靠作性和易用性：在软件设计中充分考虑面向最终用户，使系统在安装设置、使用操作、维护管理等方面简单易用，符合各类使用者和维护人员的操作习惯，减轻其日常工作量，提供友好的用户界面及在线帮助。 
（7）       建立公用数据库平台：燃气输配调度管理系统需要建立一个统一的数据库平台，用于各子系统进行数据共享及交换的平台，其中SCADA系统提供现场生产的实时和历史数据供GIS系统、应急抢修系统和辅助决策系统应用，GIS系统可以为GPS系统提供地图信息，应急抢修系统需要GIS系统数据。只有建立了一个公用的数据库平台，才可以实现整个输配调度系统高效流畅的运行，提高工作效率。
（8）       应采用性价比高的系统，由于各企业规模不一样，对系统要求及投入也不同，因此在规划系统时，一定系统建设规模和设备，在满足企业生产需要的前提下选用性价比高的系统。
（9）       建立统一管理平台：SCADA系统采集的管网数据信息，建立燃气管网运行模型，形成统一的管理平台和人机界面，监测管网的实时运行状态，对管网运行工况进行仿真和评估，生成调度策略和紧急抢修策略，保障燃气管网安全、连续、稳定运行，提高燃气企业管理水平和运营经济效益。
四 系统安全性和稳定性解决方法
    燃气输配调度系统设计的核心就是保证数据完整性和可靠性以及各个子系统安全稳定的运行。SCADA系统为整个输配调度管理系统提供管网运行实时工艺数据，只有SCADA提供完整、准确和稳定的实时工艺数据，才能掌握输配管网实际运行情况，确保管网运行安全。提高管网仿真和负荷预测结果精度，生成正确的输配调度策略和紧急抢修预案。
4.1SCADA系统结构设计
典型SCADA系统结构设计见图7：
SCADA系统主要由调度监控中心、网络通讯系统、本地监控站及现场检测仪表、传感器、变送器、执行机构等部分组成。逻辑上可以将三SCADA系统划分为中心调度层、网络通信层和本地监控层：
第一层：中心调度层
主要SCADA服务系统、通信服务系统、数据库系统等构成。
SCADA系统服务：通过广域网与各本地监控站点建立通信，获取燃气管网运行的实时数据，实现整个管网系统的遥测、遥信、遥控、遥调功能，完成对全管网数据集中采集和监控，并对采集数据进行分析和处理，建立报表系统，为其它管理系统提供基础数据。
通信服务系统：主要运行通信软件，对本地监控层控制器采集数据祯进行解包并将数据打包成标准通信格式送到SCADA系统和共用历史数据库中，同时对SCADA系统发送控制指令祯进行解包，发送到本地监控层控制器中，由控制器执行调度中心下达的控制指令。
数据库系统：将SCADA系统提供的管网运行状况实时监测数据非实时数据有机地统一起来，实现数据及信息的无缝连接和交换，以及系统的跨平台、跨系统、跨网络、跨应用的集成。SCADA系统数据由实时数据库和历史数据库组成。
第二层：网络通信层
系统的网络通信包括局域网通信、广域网通信两部分。
局域网通信：在中心调度层的各系统，采用1000Mbit/s全交换式以太网作为骨干网络，通过高档次1000Mbit/s交换机，实现网络连接，子系统交换机实现1000Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的平滑过渡，采用100Mbit/s全交换式以太网作为各子系统的骨干网络，并实现100Mbit/s到桌面。在SCADA系统与广域网路由器之间，采用100Mbit/s全交换式交换机，建立单独的快速以太网连接通路，对实时通信网络与非实时通信网采用隔离措施。通信协议采用TCP/IP。
广域网通信：对于SCADA系统的广域网通信，从中心调度层到各站控系统的广域网连接，通过广域网路由器和租用专业通信公司的信道，以光纤或无线GPRS/CDMA方式，实现远程数据的传递和交换。通信协议采用MODBUS、DNP3等通信协议
第三层：本地监控层
本地监控层由RTU/PLC、智能仪表、传感器、变送器、执行机构等组成，独立完成各本地监控点的数据采集和闭环控制功能。通过网络通信，为调度中心提供可靠的现场实时数据，同时也能接受调度中心发来的控制和参数设定指令。
4.2 数据稳定性和可靠性解决方案
    根据SCADA系统网络结构设计，为了解决SCADA系统采集数据稳定性和可靠性，需要分别从三个组成部分分别考虑予以设计。
（1）选择可靠的性价比高硬件设备，包括现场检测仪表、执行机构、控制系统设备和中心服务器、网络设备和工作站等硬件设备；只有选用可靠的硬件设备是保证数据稳定的基础。
（2）施工要规范：燃气是易燃易爆物品，因此在施工过程中一定要严格按照国家相关防爆危险区域施工标准进行施工，燃气SCADA系统施工一定要有专业的有施工资质厂家进行施工，布线接线及设备安装要规范可靠。
（3）防雷设计：燃气场站及管网都在室外，因此在设计燃气SCADA系统时，要进行防雷设计，雷电尤其是感应雷会对仪控设备造成损坏，影响到系统的运行安全和稳定。防雷设计是燃气SCADA系统重要组成部分，防雷设计要求如下：
●接地系统要符合国家相关标准，调度中心和站控室内接地电阻要小于1欧姆；
●所有进入控制柜内的信号线（包括开关量数入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出等）、电源线、通信线都要接防浪涌保护器；
●现场重要仪表，如流量计、气体分析仪、压力/温度变送器等在仪表端也要考虑防浪涌保护。
（4）冗余设计：冗余设计是解决系统稳定性和可靠性重要手段，冗余系统可以保证系统的稳定性和可靠性，SCADA冗余系统可以从以下几个方面进行设计：
●站控系统冗余：对重要的场站，比如门站、储配站、电厂调压站对控制系统要求高的场合需要采用冗余的PLC控制系统。
● 通信网络冗余：为提高通信稳定性，SCADA系统通信系统可以采用冗余设计，当主通信通道发生故障时系统能自动切换到备用通信通道，由备用通道来传送数据。
●SCADA服务器冗余：对于城市燃气SCADA系统，调度中心SCADA服务器和通信服务器一般都采用冗余设计，一旦主服务器出现故障，系统能自动切换到备有服务器，由备用服务器承担起数据通信和采集任务。
●冗灾中心设计：对于大的城市燃气SCADA系统，一般可以考虑采用双中心设计（既冗灾方式），当主调度中心出现灾难性事故造成调度中心软硬件无法正常运行失去调度功能后，能自动切换到异地设置的备用冗灾中心去，由备用冗灾中心承担起输配调度任务。
    冗余系统设计要求根据用户实际需要进行有选择的应用，冗余系统使用会增加用户的投资。
（5）通信系统设计：通信系统是站控系统和调度中心数据传输的通道和连接的纽带，通信系统稳定是保证采集数据可靠性和完整性重要保障。
● 通信系统选型原则：对重要站点如门站、储配站、分输站等重要场站或需要进行远程控制或视频传输站点一般采用有线通信通信方式，有线通信包括自铺光纤、租用电信运营商提供的专用光纤网络（VPN、APN、VPDN、SDH）等。有线通信具有实时性好，通信速率快、通信稳定等优点，可以实现实时通信和视频传输功能，但运行费用或建设费用比较高。
    对城市燃气大用户、管网不利点、区域计量站等实时性要求不高的站点一般采用CDMA X1/GPRS 无线通信方式，无线通信优点是运行费用低，但通信实时性、通信网络稳定性和可靠性都不高。为了解决无线通信软件缺陷，可以通过开发多功能通信软件来弥补无线通信实时性和稳定性不高的缺陷。
●无线通信软件设计：
通信软件主要功能是对系统传输数据帧进行分析、解包、封装，是SCADA系统数据传输的纽带。无线通信系统结构图见图8
为了解决无线通信实时性和不稳定性，通过通信软件应用层开发以下功能来解决：

●数据就地存储和补全功能：当通信中断时，采集的实时数据保存在站控系统控制器内，每个数据都带时间标签，当通信恢复正常后，控制器将存储的数据自动补传到调度中心通信服务器上，保证数据的完整性。
●采集时间间隔可在调度中心设定：无线通信是根据通信流量来收费，一般数据采集时间都在3~5分钟，为了满足站点在检修或紧急情况下加快数据采集频率，每个站时间间隔设计成可调。
●报警自动上传功能：无线通信站点采集时间间隔较长，无法满足对现场运行安全的监控，通信软件设计自动报警上传功能，当现场发生泄露、紧急切断等报警信息时，现场控制器能自动将报警信息及时上传到调度中心通信服务器，调度中心能及时采集到现场发送来的报警信息。并且自动缩短数据采集是时间间隔，用户能实时监控故障点运行情况，启动应急抢修机制。
●系统自动校时：为了保证计量数据准确性和可靠性，现场所有站点控制器和中心服务器要统一校时，所有节点时间都要统一。
● 主备信道自动切换功能：采用主备通信站点，通信软件主备信道能实现自动切换功能，当主信道出现故障时，通信软件能自动切换到备用信道，有备用信道进行数据采集；当主信道故障恢复时，又能自动切换到主通信信道。
●通过通信软件同时将采集数据送到SCADA系统实时数据库和共用历史数据库，保证采集数据安全性。
    通过通信软件功能开发，可以解决无线通信对安全监控、保证数据完整性和可靠性的要求。
4.3各子系统安全设计
（1）防病毒系统和网络隔离系统
系统要建立安全策略和运行管理机制、安全规章制度建设的意见，以身份鉴别、访问控制、网络隔离、数据加密等安全技术为基础的实用、高效、高度可靠的信息化整体安全体系结构实施方案，建立完整防病毒管理体系。
（2）数据备份/恢复
当由于服务器硬件故障/其他相关软件故障和误操作影响系统软件或应用软件系统时，使用磁盘阵列或光盘备份软件或备份策略将系统进行恢复，保证系统恢复正常运行。
（3）对重要服务器和软件采用冗余配置
    对于重要服务器系统和软件采用冗余配置，当主服务器发生故障时，备用服务器能即时启用保证系统正常运行，提高系统安全性和稳定性。
（4）建立容灾中心
    对于大的燃气输配调度系统，为了提高整个系统安全性，可以考虑建立容灾中心，当主调度中心发生重大灾难性破坏时系统将实时自动切换至备用调度中心；由设在备用调度中心系统承担起燃气输配调度管理任务。在主控中心恢复后，在网络层上自动从备用控制中心切换至主控制中心。
五 结束语
燃气输配调度管理系统建设是一个长期的，不断充实和完善的系统工程。只有将各个子系统相互关联、数据共享才能更好为企业生产调度服务，保证燃气管网安全高效稳定的运行，为企业创造更大的经济效益和社会效应。
参考文献：
[1] 郭远刚，刘晓 《城市燃气综合管理信息系统建设探索》来源于网络

 
(本文作者：叶庆红 上海航天能源股份有限公司)