長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)失電分析及改進(jìn)

陳秀麗

（中國(guó)石化銷售公司 華南分公司，廣州510620）

長(zhǎng)輸管道是密閉統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，一般采取SCADA系統(tǒng)在調(diào)度控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度。輸油／氣站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)置PLC或RTU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督控制。主要設(shè)備如變頻主輸泵、開關(guān)閥門一般采用電動(dòng)閥，出站調(diào)節(jié)閥門采用液動(dòng)閥門，混油處理的蒸餾區(qū)采用氣動(dòng)閥門。筆者以中國(guó)石化銷售有限公司所轄的西南和珠三角成品油管道為例，其輸油站地處偏僻，多數(shù)站點(diǎn)的35kV供電質(zhì)量差，不穩(wěn)定，且多個(gè)站的變壓設(shè)計(jì)為無載調(diào)壓系統(tǒng)；再者，輸油站控SCADA系統(tǒng)一般僅設(shè)置1套不間斷電源系統(tǒng)（UPS），從2004年投產(chǎn)至今，UPS運(yùn)行7年以上，電池進(jìn)入老化階段，意外晃電等因素停電后，UPS經(jīng)常不能正常投用，導(dǎo)致所有的儀表自控設(shè)備如SCADA系統(tǒng)、流量計(jì)算機(jī)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、可燃?xì)庀到y(tǒng)等陷入癱瘓。有時(shí)在SCADA系統(tǒng)失電后恢復(fù)上電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致模擬量輸出初始化，此時(shí)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥門、變頻泵出現(xiàn)關(guān)動(dòng)作，易發(fā)生管道超壓或者泄壓的事故。

1 UPS電源的配置方式

SCADA系統(tǒng)內(nèi)部電源一般采用2路交流電源互為切換備用方式［1］，關(guān)鍵部件如服務(wù)器等單機(jī)也設(shè)置了雙電源模塊，控制器、冗余卡件等低壓模件也冗余配置，直流電源一般為單一輸出［2］。

目前，已投入運(yùn)行的SCADA系統(tǒng)采用1路UPS、1路市電的供電系統(tǒng)。而對(duì)于一些重要的首站、分輸泵站，UPS實(shí)際上為2套，采用了串聯(lián)熱備份方案［3］，UPS串聯(lián)冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。市電輸入在投用時(shí)電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致雙電源SCADA系統(tǒng)出現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)切斷電源或者損害設(shè)備的情況。UPS串聯(lián)冗余工作方式下，主UPS正常時(shí)100%地承擔(dān)負(fù)載電流，故障時(shí)由備份UPS提供后備電源，工作電源和備份電源的切換時(shí)間應(yīng)小于5ms。該種方式有以下缺點(diǎn)：主機(jī)靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，將可能中斷整個(gè)系統(tǒng)供電，出現(xiàn)瓶頸故障；在市電故障或市電超限時(shí)，因?yàn)閁PS封鎖旁路，所以主、從機(jī)無法切換，造成熱備份失效；備機(jī)長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，電池也長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，影響電池壽命，且不便于實(shí)施維護(hù)。

圖1 UPS串聯(lián)冗余系統(tǒng)

2 應(yīng)對(duì)方法

SCADA系統(tǒng)掉電后，輸油站操作人員將所有調(diào)節(jié)閥切為就地狀態(tài)，然后由控制系統(tǒng)管理人員通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行操作使系統(tǒng)恢復(fù)，SCADA系統(tǒng)有時(shí)發(fā)生程序丟失，有的溫度卡件也需要重新下載程序才能激活。SCADA系統(tǒng)重新運(yùn)行后，必須檢查調(diào)節(jié)閥的輸出與輸入是否一致，不一致時(shí)，修改閥門的OP值使之與現(xiàn)場(chǎng)一致，否則將有可能導(dǎo)致閥門自動(dòng)關(guān)閉。再由輸油站操作人員將所有調(diào)節(jié)閥由就地狀態(tài)恢復(fù)為正常遠(yuǎn)控狀態(tài)。當(dāng)人工疏忽時(shí)，經(jīng)常會(huì)造成OP初始化值致閥門自動(dòng)關(guān)閉，從而導(dǎo)致次生的事故。

3 電源配置方式的改進(jìn)

考慮到曾出現(xiàn)的UPS故障、市電電壓不穩(wěn)定等狀態(tài)，且SCADA系統(tǒng)關(guān)鍵部件，如服務(wù)器電源、控制器、交換機(jī)均為冗余，為保證SCADA系統(tǒng)供電的穩(wěn)定可靠性，在不增大成本的前提下，決定將其改造成2套獨(dú)立供電的系統(tǒng)，對(duì)SCADA系統(tǒng)的冗余設(shè)備分別供電，即對(duì)SCADA系統(tǒng)配電柜、服務(wù)器柜、部分端子柜進(jìn)行改造。以上UPS配置即為備用式冗余方式，其主備之間需要切換機(jī)制和判斷機(jī)制，而并聯(lián)式冗余由并聯(lián)的子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無主備之分，也無需切換機(jī)制，即靜態(tài)冗余。在靜態(tài)冗余符合工藝要求的場(chǎng)合，由于不存在切換問題，并列式冗余的可靠性比備用式冗余結(jié)構(gòu)要高［4］，如圖2所示。

圖2 UPS并聯(lián)式運(yùn)行方式

假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行期間主UPS和備用UPS的設(shè)備節(jié)點(diǎn)失效率λ（t）＝λ，則改造前串聯(lián)冗余系統(tǒng)可靠度A為

根據(jù)熱備冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)理論［5］，改造后并聯(lián)冗余電源系統(tǒng)的可靠度A為

串聯(lián)系統(tǒng)的平均故障前時(shí)間為

所以對(duì)MTTFS積分，λ1＝λ2＝λ可得：

電源冗余并聯(lián)系統(tǒng)（2個(gè)）的平均故障前時(shí)間為

所以對(duì)MTTFS積分，λ1＝λ2＝λ可得：

由以上可見，并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障概率是串聯(lián)系統(tǒng)的1／3，同理，加強(qiáng)對(duì)DCS電源保障的監(jiān)視工作，增加電源電壓超限、2路電源偏差大、風(fēng)扇故障以及變壓器超溫等報(bào)警信號(hào)，加強(qiáng)UPS故障失電信號(hào)引入SCADA系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，可以提示人員進(jìn)行處理，從而降低斷電的可能性。

4 控制程序的改進(jìn)

SCADA系統(tǒng)失電的故障情況有多種，有些可能是部分失電，有些只是短暫失電（小于1s），有些可能長(zhǎng)時(shí)間失電甚至全部失電。以上通過完善UPS的方式提高了SCADA系統(tǒng)供電的可靠性，但對(duì)于僅有1套UPS和1路市電的電源系統(tǒng)而言，仍然存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)全部失電冷啟動(dòng)時(shí)，為了避免人工干預(yù)時(shí)防范措施落實(shí)不到位，需要通過修改SCADA系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門的邏輯控制程序，使控制器輸出值能夠自動(dòng)跟隨閥門當(dāng)前的反饋值，需要編程設(shè)置跟蹤就地閥門的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無擾啟動(dòng)。對(duì)于西南管道所采用的EPKS系統(tǒng)，控制器C200需要人工激活，而珠三角管道所采用的AC800M控制器冷啟動(dòng)或者熱啟動(dòng)失敗后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行冷啟動(dòng)，實(shí)施方案：通過就地遠(yuǎn)控切換選擇閥門的控制模式，系統(tǒng)將根據(jù)閥門當(dāng)前反饋值設(shè)定一個(gè)相應(yīng)輸出值，使切換過程閥門無動(dòng)作。使用AUTOMAN模塊可以簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)，跟蹤反饋的原理如圖3所示。

圖3 跟蹤反饋原理

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)就地狀態(tài)下的無擾跟蹤，但在閥門故障自動(dòng)切為就地的情況下，可能跟蹤就地錯(cuò)誤的反饋開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在安全位置的設(shè)定時(shí)，應(yīng)設(shè)為動(dòng)作中保位狀態(tài)。一方面加強(qiáng)UPS定期進(jìn)行切換試驗(yàn)，同時(shí)，為了防止SCADA系統(tǒng)失電故障處理不當(dāng)而擴(kuò)大事故，需要制訂可靠的SCADA系統(tǒng)失電故障應(yīng)急措施，并經(jīng)常預(yù)演和不斷完善［6－9］。

［1］全國(guó)化工自控設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.HG／T 20509—2000儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.北京：全國(guó)化工工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，2001.

［2］黃步余，李麗華.SH 3005—1999石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)石化出版社，2000.

［3］張廣明.UPS冗余供電系統(tǒng)如何正確配置［Z／OL］.［2012－06－14 ］.http：／／wenku.baidu.com／view／6a16ca2ac789eb 172dc812.html.

［4］王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2010：402－410.

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［7］王斌，金生祥.DCS失電處理及事故預(yù)案 ［J］.華北電力技術(shù)，2006（12）：9－11.

［8］王曉.大型機(jī)組DCS控制系統(tǒng)失電故障的處理方案［J］.江西電力，2009，33（02）：22－24.

［9］劉復(fù)平，劉武林，朱曉星.火電機(jī)組DCS失電故障安全隱患的調(diào)查及預(yù)防措施［J］.熱力發(fā)電，2008，37（03）：5－7.