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國家管網(wǎng)為“能源動脈”打造“神經(jīng)中樞”

科技日報發(fā)布時間:2024-04-29 10:11:35  作者:劉園園

  入冬前,與管網(wǎng)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(wǎng)集團有限公司(以下簡稱“國家管網(wǎng)”)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(wǎng)’統(tǒng)一調(diào)控運行優(yōu)勢。這背后,我們自主研發(fā)的油氣管網(wǎng)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(wǎng)生產(chǎn)部副總經(jīng)理、油氣調(diào)控中心主任祁國成告訴科技日報記者。

  經(jīng)過多年努力,國家管網(wǎng)研發(fā)團隊先后破解程序熱備熱啟、數(shù)據(jù)采集擴容、設(shè)備遠程操控等核心技術(shù),成功研制出軟硬件完全國產(chǎn)化的油氣管網(wǎng)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(jīng)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(wǎng)人一直有個夢想——打造自己的‘神經(jīng)中樞’!”祁國成說,早在10年前,油氣調(diào)控中心就啟動了國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)的研發(fā)工作。

  那時,國內(nèi)油氣行業(yè)在核心工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)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(diào)控中心自動化與通信部經(jīng)理李亞鋒向記者解釋:“油氣管網(wǎng)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(chǎn)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(jīng)常爭得面紅耳赤。

  經(jīng)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(nèi)油氣領(lǐng)域,首創(chuàng)了基于應用的分布式冗余系統(tǒng)架構(gòu)。

  使用這種架構(gòu)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(gòu)的基礎(chǔ)上,團隊又進一步提出‘1+N’分布式冗余架構(gòu)。”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(jīng)過不斷更新迭代,如今,國產(chǎn)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(guān)。團隊馬上遇到另一大難關(guān)——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(wǎng)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(shù)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(wù),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(wǎng)里程數(shù)持續(xù)增加、管網(wǎng)設(shè)備量不斷增多,而國外系統(tǒng)只授權(quán)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(nèi)解決這一難題。”

  “擴容的關(guān)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(wù)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(chǎn)SCADA系統(tǒng)擴容的具體方案。

  “我們嘗試采用共享內(nèi)存技術(shù),它可以把系統(tǒng)磁盤上部分存儲空間映射為共享內(nèi)存。”李亞鋒說,這相當于為系統(tǒng)新增了大量虛擬內(nèi)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(wù)總線,將數(shù)據(jù)訪問方式由原先基于服務(wù)器—客戶機架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)訪問,改為基于高性能服務(wù)總線的內(nèi)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(shù)的應用,國產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)SCADA系統(tǒng)真正運行起來,這是必須跨越的第三道難關(guān)。

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

  此前,國內(nèi)油氣領(lǐng)域在這方面的經(jīng)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(shè)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(nèi)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(wǎng)設(shè)備的模型和圖形描述方法,先后定義了15類油氣管網(wǎng)工藝設(shè)備控制標準,并研發(fā)出油氣管網(wǎng)設(shè)備控制面板模塊化技術(shù)。

  “這一過程工作量很大,僅各種設(shè)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(diào)控中心的調(diào)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(wǎng)設(shè)備“無人操控”。

  2018年,油氣管網(wǎng)國產(chǎn)“神經(jīng)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(chǎn)SCADA系統(tǒng)……

  “截至2023年底,油氣管網(wǎng)國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)已在國家管網(wǎng)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(chǎn)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(diào),能源安全事關(guān)經(jīng)濟社會發(fā)展全局。”祁國成自豪地說,“油氣管網(wǎng)國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)徹底打破了該領(lǐng)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(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),持續(xù)夯實國家能源安全底座!”

  來源:科技日報 記者 劉園園


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