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为“能源动脉”打造“神经中枢”
油气管网数据采集与监控系统国产化之路
【创新故事】
◎本报记者 刘园园
入冬前#@，与管网联通的18座储气库实现注气153亿立方米#@，完成率达107%；采暖季#@，累计输气量突破1100亿立方米%#%，同比增长8%以上；寒潮期#*@#*，日最高输气量10.2亿立方米*#%*，较历史极值高17%……
3月底@%@，国家石油天然气管网集团有限公司(以下简称“国家管网”)圆满完成去冬今春4个多月的天然气保供工作*@***。
“保障人民群众温暖过冬##%*@，靠的是发挥‘全国一张网’统一调控运行优势*#@*。这背后%%*，我们自主研发的油气管网数据采集与监控系统(SCADA系统)起到重要支撑作用%#。”近日##，国家管网生产部副总经理、油气调控中心主任祁国成告诉科技日报记者*##%%。
经过多年努力@%%*，国家管网研发团队先后破解程序热备热启、数据采集扩容、设备远程操控等核心技术####，成功研制出软硬件完全国产化的油气管网SCADA系统*#@。
冲击“极致靠谱”
如果将我国超10万公里的油气管道干线比作“能源动脉”*#，那么SCADA系统就是控制“动脉”的“神经中枢”#%。曾几何时@@#@，这一系统被国外垄断**%，能源保供与安全存在受制于人的风险**。
“管网人一直有个梦想打造自己的‘神经中枢’！”祁国成说***，早在10年前@%%@，油气调控中心就启动了国产SCADA系统的研发工作@%**。
那时*%#，国内油气行业在核心工业控制系统领域底子很盄#**。蟹⑵鸩浇锥蚊媪僦疃嗬�#*。
系统可靠性是首当其冲的难点@***。油气调控中心自动化与通信部经理李亚锋向记者解释：“油气管网需要7×24小时不间断运行@%%%，对SCADA系统可靠性要求极高*@%*。只有‘极致靠谱’@#%%，才能满足实际应用需求*@*#。”
“这一点连国外SCADA系统也难以做到@%。”研发骨干黄河介绍%@@@@，比如%#，某个控制程序出现故障后#*，国外系统需将主机上运行的所有程序都切换到备机上@#@。这一过程虽仅有几秒%#**@，但容易造成整个系统短时失效#@#%#。
国产SCADA系统如何规避这一问题？
“我们几乎每天都在争论%**#。”黄河告诉记者%***#，在讨论研发方案时%#*，大家经常争得面红耳赤@*@#。
经历无数次“吵架”@@@，思路逐渐清晰起来#%。“能不能做到单个程序热备热启@%%#%，尽可能降低失效时长？”团队研究重点越来越聚焦#@*#。
“一旦主机上某个程序出现故障##，系统只需要把该程序切换到备机上运行#%%#%，而不是将整个系统都切换过去@#@*%。”黄河说**，“这样既能有效降低主机宕机概率@%*##，又能显著减少系统失效几率**%#。”
最终*%，研发团队在国内油气领域*@**#，首创了基于应用的分布式冗余系统架构#@##。
使用这种架构后@*@@，程序可实现在主备机之间实时切换、热启动@*@@%，系统可靠性得到有效保障##@@。
“在主机和备机‘1+1’分布式冗余架构的基础上%#，团队又进一步提出‘1+N’分布式冗余架构@*@。”李亚锋介绍*%，“原先的运行负荷都在主机上**@#，现在可以把运行负荷自动分配给N台备机@*#%%，备机之间又互为备机@@@##。”
经过不断更新迭代###%，如今*#，国产SCADA系统实际可用率已高达99.96%%%。
完成“百万扩容”
破解系统可靠性难题只是迈过了第一关%%@。团队马上遇到另一大难关如何实现数据多点采集与实时更新#@**@。
“数据采集点越多、更新越及时%%##@，系统才能越了解管网实时状况**@。”祁国成说#@*%，以前油气站场使用国外SCADA系统时%#@，有一个令人头疼的问题外方从技术上对系统的数据容量进行了限制%*#，每扩容一批采集点*#，只能由外方提供服务#@@#%，且需要支付高额费用*%#@%。
“每采集一处数据*#，就算一个数据点@#*#。” 李亚锋回忆道%*@，“因为费用高昂#*%%%，我们都不敢轻易增加数据采集点*%。”
管网里程数持续增加、管网设备量不断增多@#，而国外系统只授权十几万个采集点数@#，二者之间的矛盾越来越凸显#@。祁国成说：“我们下定决心要在自研系统内解决这一难题%*#@*。”
“扩容的关键是将采集数据实时传回系统%@，尤其是采集点数量过百万后***，必须解决系统读取的堵点@#。”李亚锋介绍@%*@*。
此时@@*，研发团队已从“吵架”中摸索出一套更有效的“头脑风暴”机制以推动研发方案落地为导向*#@*，不同任务环节的研发人员从各自角度出发*%*，互相提意见、挑毛睝#@#。佣舴⒑屯乜硌蟹⑺悸稝#。
通过“头脑风暴”#*，研发团队碰撞出为国产SCADA系统扩容的具体方案#@#@#。
“我们尝试采用共享内存技术%#%，它可以把系统磁盘上部分存储空间映射为共享内存%*%。”李亚锋说#*#@@，这相当于为系统新增了大量虚拟内存%%，使其能够快速读写数据#%#。
与此同时%#，研发团队还创建了高性能服务总线%#%@%，将数据访问方式由原先基于服务器客户机架构的网络访问*@，改为基于高性能服务总线的内存读取#@%。
“这就好比把‘绿皮火车’升级为‘高铁’##*%，使数据流在系统间的交互速度大大提升*@，实现了每秒24万个数据点实时数据更新*@%*#。”研发人员咸玉龙打比方说%*#@。
通过这些技术的应用%##*，国产SCADA系统拥有了超百万个数据点的高效处理能力@@#%，数据量是原先采用国外SCADA系统时的十几倍@%。
实现“无人操控”
系统扩容后**，油气管网的海量数据采集与更新不再是问题#@@。但这些数据按照什么逻辑去组织@*，系统又如何根据这些数据去下达控制指令？
要想让国产SCADA系统真正运行起来%%#%，这是必须跨越的第三道难关#%。
“油气管网涉及设备众多%@*，不同设备之间交互控制逻辑复杂****。只有研制出面向生产的数据管理与设备操控技术*#%#*，系统才能实现对各种设备的远程控制*@#@%。”黄河说*%%%*。
此前@*，国内油气领域在这方面的经验基本为零*#@#。
研发团队一方面集思广益@@，一方面下足“笨功夫”%#。设备的每一项控制流程都要反复研讨、修改几十遍#*%。咸玉龙举例说：“为了精准控制管道内的油气流量##，我们根据监测数据再三校正系统的控制参数#**##，最终形成控制标准#**@*。”
随着时间的推移@*@##，研发团队创建出面向油气管网设备的模型和图形描述方法#%#@@，先后定义了15类油气管网工艺设备控制标准#**#，并研发出油气管网设备控制面板模块化技术**@%。
“这一过程工作量很大##@*，仅各种设计文档#%#，打印出来就有一二百本**%%。”黄河说%@，“项目评审时##%*%，厚厚的文档摆在桌子上#%，把专家的视线都挡住了%@@#。”
有了控制标准与控制面板后###@#，调控中心的调度人员只需要在系统界面上进行操作@###%，就能实现远在千里之外的油气管网设备“无人操控”@#。
2018年#%*#，油气管网国产“神经中枢”研制成功%###，并被命名为PCS 1.0系统#%*%。2019年%*@，中俄东线天然气管道北段(黑河长岭)作为示范工程*##*@，首次实现油气管道全线采用国产SCADA系统……
“截至2023年底@#%#，油气管网国产SCADA系统已在国家管网28套中控级系统、354套站控级系统成功应用*%。”黄河说#*#%，目前#@*%，国产SCADA系统正在一边推广应用%%#，一边优化升级@@%%。升级后的PCS 2.0系统将更加安全、可靠、智能@%。
“2月29日@@，习近平总书记在中共中央政治局第十二次集体学习时强调*#%#@，能源安全事关经济社会发展全局%##。”祁国成自豪地说*@#，“油气管网国产SCADA系统彻底打破了该领域核心工业控制系统受制于人的局面%*@*。未来@#%，我们将强化关键核心技术攻关*##，持续夯实国家能源安全底座！”(科技日报)