油氣管道SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)回填技術(shù)

閆 峰 高保成 祁國成 陳清山 溫昭琦

1．中國石油北京油氣調(diào)控中心 2．北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司

為適應(yīng)管道大型化、網(wǎng)絡(luò)化和輸送介質(zhì)多樣化的發(fā)展方向，油氣管道控制管理必須走集中化和智能化的發(fā)展道路［1］。油氣管道SCADA系統(tǒng)必須保證管網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定和安全運行，這對數(shù)據(jù)采集和存儲的完整性、實時性、安全性和可靠性都提出了更高的要求。

從目前油氣管道SCADA系統(tǒng)實際運行的情況來看，中心SCADA系統(tǒng)軟件和場站通信設(shè)備的通訊常會出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，中斷期間的數(shù)據(jù)在中心的SCADA軟件系統(tǒng)中沒有記錄，這種數(shù)據(jù)的不完整性給油氣管道正常的生產(chǎn)運行帶來了安全隱患。

本文參考文獻(xiàn)［1－3］對SCADA系統(tǒng)在長輸管線的應(yīng)用進(jìn)行了闡述和展望；本文參考文獻(xiàn)［4－12］對SCADA系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了探討；本文參考文獻(xiàn)［13－14］對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究；本文參考文獻(xiàn)［15－19］對工業(yè)控制領(lǐng)域的通信技術(shù)進(jìn)行了研究。本文提出了一種數(shù)據(jù)回填技術(shù)，在通信網(wǎng)絡(luò)中斷期間，場站通信設(shè)備（或站控系統(tǒng)）存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，通訊恢復(fù)正常后，中心SCADA系統(tǒng)軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行補采，以實現(xiàn)中心數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)回填技術(shù)可解決因通訊中斷而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性問題。

1 功能概述

數(shù)據(jù)回填技術(shù)主要包括：場站通信設(shè)備存儲通信中斷期間數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)回填通信、回填數(shù)據(jù)處理、回填數(shù)據(jù)存儲，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通信中斷期間，場站通信設(shè)備（或站控系統(tǒng)）需要對中斷期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲，可以采用數(shù)據(jù)庫、文件等方式存儲。為方便中心SCADA系統(tǒng)回填，場站通信設(shè)備有必要對系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)或通信數(shù)據(jù)全部進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)回填通信功能在通信恢復(fù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)回填，中心SCADA系統(tǒng)主動與場站建立鏈接并發(fā)送數(shù)據(jù)回填請求，場站給予數(shù)據(jù)響應(yīng)。中心SCADA系統(tǒng)對回填的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括告警、事件記錄等。中心SCADA系統(tǒng)對回填數(shù)據(jù)采用與實時數(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)存儲方式，但要對回填數(shù)據(jù)的質(zhì)量位打上回填標(biāo)識，用于標(biāo)注該數(shù)據(jù)是采用回填方式獲得的。

圖1 數(shù)據(jù)回填轉(zhuǎn)發(fā)總體結(jié)構(gòu)圖

2 主要功能

2．1 回填通信與實時通信之間的關(guān)系

中心SCADA系統(tǒng)和場站通信設(shè)備的通訊中斷恢復(fù)后，中心SCADA系統(tǒng)軟件對中斷期間未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行回填。回填的實現(xiàn)方式可以有以下幾種：①通信恢復(fù)后，場站先進(jìn)行數(shù)據(jù)補傳，而后傳輸實時數(shù)據(jù)；②通信恢復(fù)后，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，在實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻e時段進(jìn)行中斷數(shù)據(jù)補傳；③通信恢復(fù)后，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，同時創(chuàng)建新的鏈路補傳中斷數(shù)據(jù)。

回填通信不能影響實時通信，這是一個基本原則。基于此原則，實現(xiàn)②和③是可用的。但如何做到對實時通信不影響或影響最小，要從實時數(shù)據(jù)的傳輸量等統(tǒng)計指標(biāo)進(jìn)行判斷。

一般來說，數(shù)據(jù)回填過程中，中心SCADA系統(tǒng)和場站通信設(shè)備都需要對實時通信的情況進(jìn)行監(jiān)測，確保實時通信的質(zhì)量。中心SCADA系統(tǒng)在實時通信數(shù)據(jù)量比較大的情況下，要延遲或停止對回填數(shù)據(jù)的請求；場站通信設(shè)備需要有優(yōu)先傳送實時數(shù)據(jù)的控制機制。

2．2 回填數(shù)據(jù)的時標(biāo)處理

實時數(shù)據(jù)的時標(biāo)處理采用“就近”原則，即數(shù)據(jù)的時標(biāo)應(yīng)采用離采集設(shè)備或裝置（數(shù)據(jù)源）最近的時標(biāo)，最好采用裝置的時標(biāo)。在沒有裝置時標(biāo)的情況下，則應(yīng)該采用場站通信設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時標(biāo)；在沒有發(fā)送時標(biāo)的情況下，則應(yīng)該采用中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)據(jù)的時標(biāo)時間。中心SCADA系統(tǒng)應(yīng)該對數(shù)據(jù)時標(biāo)打上標(biāo)簽，標(biāo)明時標(biāo)來源為場站還是中心。

回填數(shù)據(jù)的報文必須帶時標(biāo)傳輸，不帶時標(biāo)的報文無法適應(yīng)數(shù)據(jù)的回填要求?；靥顢?shù)據(jù)的時標(biāo)也最好采用裝置的時標(biāo)，在沒有裝置時標(biāo)的情況下，則應(yīng)該采用場站通信設(shè)備存儲的數(shù)據(jù)時標(biāo)。

2．3 回填數(shù)據(jù)的處理

回填數(shù)據(jù)處理包括對回填數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、告警、計算、壓縮、歸檔等處理模塊?；靥顢?shù)據(jù)的處理不更新實時數(shù)據(jù)庫，而是直接進(jìn)行歸檔。

2．3．1 回填數(shù)據(jù)預(yù)處理

回填數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對回填數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷采集點數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生告警，將告警數(shù)據(jù)交由告警模塊處理。

判斷采集點數(shù)據(jù)是否需要歸檔，將需要歸檔的數(shù)據(jù)交由歸檔模塊壓縮歸檔。

2．3．2 回填數(shù)據(jù)告警處理

告警服務(wù)作為一種公共服務(wù)為各應(yīng)用提供相應(yīng)的告警處理功能。對于回填數(shù)據(jù)，告警服務(wù)應(yīng)提供數(shù)值越限、遙信狀態(tài)變化等告警判斷功能，并提供告警的歸檔功能，以便歷史分析和查詢。從界面上需要用不同顏色區(qū)分回填數(shù)據(jù)告警與實時數(shù)據(jù)告警。

2．3．3 回填數(shù)據(jù)計算處理

數(shù)據(jù)處理模塊對回填數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)計算功能，根據(jù)用戶預(yù)定義公式對相關(guān)回填數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算。

回填數(shù)據(jù)計算涉及的計算分量，應(yīng)從歷史數(shù)據(jù)庫獲取，回填數(shù)據(jù)計算涉及的計算結(jié)果，也需要更新歷史數(shù)據(jù)庫，并對計算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)標(biāo)注。

2．3．4 回填數(shù)據(jù)歸檔處理

數(shù)據(jù)處理模塊對回填數(shù)據(jù)提供壓縮歸檔功能，主要是針對數(shù)值型的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性壓縮，其他 數(shù)據(jù)類型將不做壓縮，直接歸檔。采用合理的壓縮技術(shù)，可以在要求的數(shù)據(jù)精度下，恢復(fù)被壓縮數(shù)據(jù)，既能保證系統(tǒng)處理歸檔數(shù)據(jù)的高效性，也能實現(xiàn)在同樣的硬件條件下，存儲更多的歷史數(shù)據(jù)。

經(jīng)過壓縮后的回填數(shù)據(jù)暫存在緩存中，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時，調(diào)用歷史庫接口批量寫入歷史庫。歸檔數(shù)據(jù)應(yīng)包含數(shù)據(jù)點名稱、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)質(zhì)量、時標(biāo)。

2．4 回填數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在中心SCADA系統(tǒng)，回填數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的區(qū)別僅僅在于數(shù)據(jù)處理的個別差別，比如回填數(shù)據(jù)無需也不能寫入實時數(shù)據(jù)庫?；靥顢?shù)據(jù)的應(yīng)用與實時數(shù)據(jù)的應(yīng)用基本一致，僅僅是在使用回填數(shù)據(jù)時要注明“回填”標(biāo)志。

事故反演功能也可以充分利用回填的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行事故反演時，將最真實的現(xiàn)場情況展現(xiàn)給操作人員。

事故反演模塊提取距離反演開始時間之前最近的數(shù)據(jù)斷面，載入到反演快照表中，將之后的完整數(shù)據(jù)依次刷新到快照表中，直到快照表反映出反演開始時間數(shù)據(jù)斷面。同時提取出反演開始時間和結(jié)束時間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)（包括回填數(shù)據(jù)），對事故進(jìn)行反演。通過回放通信中斷期間的油氣管道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，直觀地了解這段時間內(nèi)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)變化情況，可以對報警、事故、設(shè)備故障等做出初步診斷，以便于進(jìn)行故障排查。

3 數(shù)據(jù)回填通信設(shè)計

回填數(shù)據(jù)通信有兩種方式：計算機通信方式和文件傳輸方式。

計算機通信方式是目前主要的實時數(shù)據(jù)通信方式，應(yīng)用該方式時通信兩側(cè)要保證通信測點名稱的一致。計算機通信規(guī)約一般采用IEC60870－5－104規(guī)約。

筆者給出了一整套的解決方案，包括完整的服務(wù)端（場站端）、客戶端（中心SCADA系統(tǒng)）的功能設(shè)計，實現(xiàn)方法以及交互流程，提供了擴展的通信協(xié)議用于傳輸服務(wù)端與客戶端間的命令及數(shù)據(jù)報文。該設(shè)計完整地解決了油氣管道SCADA系統(tǒng)中，因為調(diào)控中心與站場間的通信中斷而導(dǎo)致的部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失問題，提高了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可用性。

3．1 數(shù)據(jù)回填通信服務(wù)端功能設(shè)計

場站端數(shù)據(jù)通信模塊分別采用獨立的進(jìn)程實現(xiàn)數(shù)據(jù)回填存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能（數(shù)據(jù)回填存儲程序和數(shù)據(jù)回填服務(wù)端程序）。

數(shù)據(jù)回填服務(wù)端程序負(fù)責(zé)監(jiān)聽指定的端口、接收數(shù)據(jù)回填客戶端的請求并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)回填服務(wù)端程序與數(shù)據(jù)回填客戶端程序采用IEC 60870－5－104協(xié)議擴展功能完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。數(shù)據(jù)回填服務(wù)端程序用于轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)來源有兩個，第一數(shù)據(jù)源是站控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序記錄的報文日志，第二數(shù)據(jù)源是數(shù)據(jù)回填存儲程序記錄的報文日志。數(shù)據(jù)回填服務(wù)端程序優(yōu)先使用第一數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)谝粩?shù)據(jù)源無法提供所需數(shù)據(jù)時再使用第二數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)回填存儲程序用于記錄實時數(shù)據(jù)變化情況，并將實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠用于數(shù)據(jù)回填轉(zhuǎn)發(fā)的IEC 60870－5－104協(xié)議擴展功能要求的報文。數(shù)據(jù)回填存儲程序記錄的報文可以作為數(shù)據(jù)回填服務(wù)端程序的第二數(shù)據(jù)源來使用。

保存日志的命名規(guī)則為日期＋鏈路名稱的組合，如“20130101＿測試站．log”，日志記錄的格式如圖2所示。

圖2 日志記錄格式圖

3．2 數(shù)據(jù)回填通信客戶端功能設(shè)計

主站端數(shù)據(jù)回填采集支持兩種觸發(fā)方式：自動觸發(fā)回填和人工觸發(fā)回填。自動觸發(fā)回填的發(fā)起者是SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測模塊，它負(fù)責(zé)判斷需要數(shù)據(jù)回填的站場及數(shù)據(jù)回填的起始時間和結(jié)束時間，并將上述信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，再由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集上來。人工觸發(fā)回填的發(fā)起者是操作員，操作員通過操作界面下發(fā)數(shù)據(jù)回填消息，該消息同樣包含需要數(shù)據(jù)回填的站場及數(shù)據(jù)回填的起始時間和結(jié)束時間，再由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集上來。

數(shù)據(jù)回填觸發(fā)時需要判斷實時數(shù)據(jù)采集通信鏈路的連接狀態(tài)，只有在鏈路連接正常時才可以觸發(fā)數(shù)據(jù)回填。

主站端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)回填消息，解析消息并根據(jù)消息的內(nèi)容確定數(shù)據(jù)回填通道、數(shù)據(jù)回填起始時間、數(shù)據(jù)回填結(jié)束時間，再與場站通信設(shè)備建立連接并通過IEC 60870－5－104協(xié)議擴展功能采集需要回填的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)標(biāo)記為回填數(shù)據(jù)并按照與實時數(shù)據(jù)相同的流程發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。主站端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)有獨立的進(jìn)程（數(shù)據(jù)回填客戶端程序）專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)回填采集工作，該進(jìn)程接收到數(shù)據(jù)回填消息后為每個需要數(shù)據(jù)回填的站場創(chuàng)建專用線程完成數(shù)據(jù)回填采集工作。為了減少對實時數(shù)據(jù)采集的影響，數(shù)據(jù)回填采集與實時數(shù)據(jù)采集分別采用不同的TCP連接。

3．3 通訊協(xié)議擴展

通訊協(xié)議擴展基于IEC 60870－5－104協(xié)議并在此基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)回填功能?；靥顢?shù)據(jù)的傳輸全部采用帶時標(biāo)的數(shù)據(jù)格式。

服務(wù)端收到回填數(shù)據(jù)請求，用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)報文給予響應(yīng)；如果沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則給出否認(rèn)應(yīng)答。

增加回填數(shù)據(jù)召喚功能，報文格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)回填召喚報文格式表

3．4 通信交互流程

中心SCADA系統(tǒng)與場站通信設(shè)備之間的通信交互流程見圖3。

圖3 通信交互流程圖

一個典型通信過程的實例描述：

3．4．1 建立回填數(shù)據(jù)傳輸管道

1）主站通信啟動過程。由主站主動向子站提出建立回填數(shù)據(jù)傳輸管道的申請。

子站接受申請，建立與主站之間的回填數(shù)據(jù)傳輸管道。

2）子站通信啟動過程。等待主站建立回填數(shù)據(jù)傳輸管道的申請。接受主站建立回填數(shù)據(jù)傳輸管道的申請后，建立與主站之間的回填數(shù)據(jù)傳輸管道。

3）回填數(shù)據(jù)傳輸管道重建。出現(xiàn)回填數(shù)據(jù)傳輸管道故障或異常斷開現(xiàn)象，則斷開主站和對應(yīng)場站的回填數(shù)據(jù)傳輸管道，并重新建立回填數(shù)據(jù)傳輸管道。

3．4．2 啟動數(shù)據(jù)傳輸

主站發(fā)送啟動報文。

子站響應(yīng)啟動報文。

3．4．3 回填數(shù)據(jù)傳輸

主站召喚回填數(shù)據(jù)。

子站響應(yīng)召喚。

子站上送回填數(shù)據(jù)。

子站結(jié)束回填數(shù)據(jù)上送。

3．4．4 回填數(shù)據(jù)傳輸過程中的中斷操作

在回填數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果需要中斷回填數(shù)據(jù)，可以通過人工發(fā)送中斷請求，由客戶端處理響應(yīng)請求，停止此次回填數(shù)據(jù)。

3．4．5 回填數(shù)據(jù)過程中的異常處理

在回填數(shù)據(jù)過程中，如果服務(wù)端沒有所需時間段的回填數(shù)據(jù)，需向客戶端返回沒有該時間段數(shù)據(jù)的相應(yīng)命令碼。如果有所需全部的數(shù)據(jù)或部分?jǐn)?shù)據(jù)，需將數(shù)據(jù)所在的時間段返回客戶端，以便客戶端做出相應(yīng)操作。

4 實驗驗證

數(shù)據(jù)回填技術(shù)在實驗室中得到了很好的驗證，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性。中心SCADA系統(tǒng)與站控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)互連。圖4為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信服務(wù)器部署數(shù)據(jù)回填客戶端程序，站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信服務(wù)器部署數(shù)據(jù)回填服務(wù)端端程序。通信中斷恢復(fù)后，中心SCADA系統(tǒng)啟動連接，并發(fā)出數(shù)據(jù)回填請求；站控系統(tǒng)接收連接請求和數(shù)據(jù)回填請求，獲取存儲數(shù)據(jù)，發(fā)送到中心SCADA系統(tǒng)；中心SCADA系統(tǒng)對回填數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；回填數(shù)據(jù)傳輸完成后，通信過程結(jié)束。

驗證實驗中完整模擬了某個站場系統(tǒng)與中心SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，量測對象（遙信、遙測）約2 000點。

實驗表明：數(shù)據(jù)回填技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性，具有可行性。數(shù)據(jù)回填技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高油氣管道SCADA系統(tǒng)的可用性。

5 結(jié)論

1）通過試驗驗證，數(shù)據(jù)回填技術(shù)可以實現(xiàn)中心SCADA系統(tǒng)與場站通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)回填功能，滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回填需求。

2）通過包含場站通信設(shè)備存儲通信中斷期間數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)回填通信、回填數(shù)據(jù)處理、回填數(shù)據(jù)存儲等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)回填技術(shù)，解決了因通訊中斷而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性問題，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)的可用性。

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