国家管网为“能源动脉”打造“神经中枢”

　　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薄，研发起步阶段面临诸多困难。

　　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、挑毛病，从而启发和拓宽研发思路。

　　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!”

　　来源：科技日报 记者 刘园园