管道SCADA系統(tǒng)通信安全問題及應(yīng)對(duì)措施

劉福志 黃志江 李永明 李 軍

（1. 中油國際管道有限公司中哈天然氣管道項(xiàng)目，北京 100029；2. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司山東省分公司德州作業(yè)區(qū)，山東 德州 253000；3. 廊坊中油龍慧科技有限公司，河北 廊坊 065000；4. 國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741020）

0 引言

十四五期間我國長輸油氣管道快速發(fā)展，形成覆蓋全域、接連海外、規(guī)模龐大的油氣管網(wǎng)，基本建立集中遠(yuǎn)程調(diào)控的管理方式[1]。隨著多級(jí)管網(wǎng)互通互聯(lián)體量迅速擴(kuò)充，對(duì)管道運(yùn)行控制技術(shù)和設(shè)備性能提出更高要求[2]，表現(xiàn)在保證SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠、穩(wěn)定，為管道控制管理提供安全穩(wěn)定的環(huán)境條件。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是管道運(yùn)行控制的核心技術(shù)手段，基于計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)管道集中、遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，在降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)經(jīng)營成本方面發(fā)揮重要作用。管道系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，做好通信光纜維護(hù)至關(guān)重要。SACDA系統(tǒng)存在通信中斷問題，不能有效處置輸油泵甩泵、閥室關(guān)斷突發(fā)事件，也可能造成管道超壓事故，已成為影響管道安全運(yùn)行的重要因素。因此，應(yīng)對(duì)管道SACDA系統(tǒng)通信中斷原因和預(yù)防措施開展研究，并指定科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)、維護(hù)和保護(hù)程序，對(duì)于提高管道安全性和管理水平具有重要意義。

1 管道SCADA系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)要求

管道SCADA系統(tǒng)組成是主/備調(diào)控中心、工藝站場(chǎng)及線路截?cái)嚅y室RTU和和通信系統(tǒng)。管道主通信方式是光纖光纜，管道建設(shè)期同溝并行敷設(shè)光纜，施工方便，減少資金成本；備用通信方式是衛(wèi)星通信及租用公網(wǎng)。通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求是調(diào)控中心與站控系統(tǒng)傳輸速率不低于64kbps，調(diào)控中心與RTU閥室傳輸速率不低于19.2kbps，誤碼率低于10-6，管道系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集時(shí)間小于10s。SCADA系統(tǒng)服務(wù)器和局域網(wǎng)（LAN）采用冗余熱備方式，按照C/S服務(wù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通信系統(tǒng)為管道生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的環(huán)形鏈路通道，包括SCADA系統(tǒng)、監(jiān)視工業(yè)視頻、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議、自動(dòng)化辦公和固定電話。如鏈路中某點(diǎn)斷開，數(shù)據(jù)從斷點(diǎn)處向環(huán)形相對(duì)兩側(cè)方向傳輸，調(diào)控中心可對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。通信鏈路處于故障狀態(tài)，站控系統(tǒng)PLC控制器以發(fā)送和接受脈沖方式進(jìn)行診斷并報(bào)警，調(diào)控中心可以監(jiān)測(cè)鏈路得狀態(tài)診斷信息，及時(shí)定位故障點(diǎn)和查找原因。

2 SCADA系統(tǒng)通信中斷原因分析

SCADA系統(tǒng)通信中斷指管道數(shù)據(jù)參數(shù)因系統(tǒng)或外界原因無法更新，歷史數(shù)據(jù)不能檢索，調(diào)控中心失去對(duì)站場(chǎng)、閥室的監(jiān)測(cè)控制功能，統(tǒng)計(jì)表明，以某輸氣管道為例，閥室通信中斷遠(yuǎn)高于站場(chǎng)，通信中斷時(shí)間2～12h情形占總次數(shù)的45%，天氣條件和設(shè)備故障是通信中斷的主要因素，占比75%，其他原因包括地表沉降、供電不穩(wěn)定、第三方破壞等。

2.1 天氣條件

惡劣天氣條件導(dǎo)致管道通信中斷最為常見，特別是管道沿線降水豐沛、地表河流較多、夏季多雷天天氣的情形。我國管道干線部分截?cái)喾◣煵捎眯l(wèi)星通信，對(duì)地基施工質(zhì)量、供電功率和天氣條件要求較高，冬季雨雪、夏季雷電易導(dǎo)致衛(wèi)星通信中斷情形。管道閥室間多為地下建設(shè)，降雨量較大時(shí)閥室滲水影響壓變、溫變和可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)等儀表正常工作，儀表故障時(shí)即造成通信中斷。

2.2 設(shè)備故障

設(shè)備故障造成通信中斷情形包括站控系統(tǒng)路由器、通訊機(jī)柜、變送器、備用發(fā)電機(jī)、不間斷電源和閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些通信中斷恢復(fù)時(shí)間取決于產(chǎn)品備件和維修時(shí)間，以及伴行路建設(shè)維護(hù)情況，如檢修人員、設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)遲滯，也會(huì)造成較長通信中斷時(shí)間。

2.3 地表沉降

地表沉降主要針對(duì)位于高寒凍土區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害區(qū)管道。高寒凍土區(qū)多分布不連續(xù)凍土區(qū)域，易產(chǎn)生凍脹融沉和熱融滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。山區(qū)管道、黃土塬管道易發(fā)生水毀沖蝕、河流漂管等地質(zhì)災(zāi)害。地表沉降和土壤變形對(duì)電纜產(chǎn)生剪切作用，如超過電纜最大承受磨損程度可能造成光纖芯斷裂，導(dǎo)致通信中斷。

2.4 供電不穩(wěn)定

如管道和站場(chǎng)位于人員稀少、社會(huì)依托條件差的一級(jí)、二級(jí)地區(qū)，管道站場(chǎng)、閥室主要依靠社會(huì)市政供電系統(tǒng)，可靠性交叉，站控系統(tǒng)、應(yīng)急照明設(shè)有不間斷電源。具備較長光照條件的閥室采用不間斷電源配合太陽能發(fā)電裝置，其他供電方式包括柴油發(fā)電機(jī)和農(nóng)業(yè)供電等。上述供電方式存在問題是供電資源相對(duì)孤立，供電可靠性難以完全保證，柴油發(fā)電機(jī)和不間斷電源持續(xù)供電時(shí)間有限，特別是管道沿線自然環(huán)境復(fù)雜，電力維修難度高，因供電不穩(wěn)定導(dǎo)致站場(chǎng)和閥室通信中斷時(shí)間均較長。

2.5 第三方破壞

第三方破壞指施工機(jī)械挖掘損壞光纜，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人員活動(dòng)、開挖施工作業(yè)、車輛載荷、鐵路公路建設(shè)等極易威脅光纜線路安全，導(dǎo)致管道備用通信線路損壞。

3 預(yù)防SCADA系統(tǒng)通信中斷技術(shù)措施

管道通信中斷危害性在于管道系統(tǒng)處于不可控狀態(tài)，這段時(shí)間內(nèi)如管道運(yùn)行參數(shù)和工況發(fā)生顯著變化而無法時(shí)間，極易造成油氣泄漏等嚴(yán)重事故，同時(shí)也不利于及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案和實(shí)施救援處置活動(dòng)，可能造成嚴(yán)重安全、環(huán)境和財(cái)產(chǎn)損失。為降低管道SCADA系統(tǒng)通信中斷的次數(shù)，保證長輸管道運(yùn)行狀態(tài)可控，提出以下管道管理措施。

3.1 天氣狀況監(jiān)測(cè)

除記錄分析管道運(yùn)行參數(shù)，加強(qiáng)管道沿線氣候、天氣狀況觀測(cè)，科學(xué)預(yù)測(cè)評(píng)估通信線路風(fēng)險(xiǎn)，持續(xù)完善通信中斷應(yīng)急預(yù)案的可行性。同時(shí)密切關(guān)注站場(chǎng)、閥室涉及光纜、衛(wèi)星的施工作業(yè)審批、進(jìn)度跟蹤和現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)護(hù)等。

3.2 改進(jìn)管道水擊超前保護(hù)程序

管道通信中斷后自動(dòng)保護(hù)是研究熱點(diǎn)問題，石蘭輸油管道在分析通信中斷的風(fēng)險(xiǎn)因素，提出了通信中斷工況下站場(chǎng)和閥室的保護(hù)邏輯和程序，分別從處置程序、壓力控制、壓力升高速率連鎖、進(jìn)出站壓力超壓連鎖和安全閥泄壓等方面實(shí)現(xiàn)通信中斷和遠(yuǎn)程控制失效時(shí)管道安全保護(hù)。定期測(cè)試管道保護(hù)軟件功能，綜合考慮極端情況下管道壓力超限的情形，保證管道通信中斷后管道運(yùn)行壓力值不超標(biāo)。按照管道電氣設(shè)備檢修計(jì)劃，做好站場(chǎng)、閥室、衛(wèi)星等通信設(shè)備的春秋檢和預(yù)防性維護(hù)工作，督促設(shè)備廠家按照完成設(shè)備維修更換，保證管道通信設(shè)備正常運(yùn)行。

3.3 加強(qiáng)管道管理和巡線保護(hù)

高寒區(qū)管道、山區(qū)管道、水網(wǎng)管道應(yīng)特別注意新建管道建設(shè)期光纜埋深不足的問題，調(diào)研表明，高寒區(qū)管道季節(jié)性凍土區(qū)融化后管溝塌陷位移局部地區(qū)高達(dá)1.5m，應(yīng)對(duì)措施是在冬季之前管道進(jìn)行致密覆土回填壓實(shí)，避免產(chǎn)生凍脹融沉問題，降低土體移動(dòng)損壞光纜的可能性。在夏季多雨季節(jié)，應(yīng)評(píng)估河流洪水對(duì)管道光纜沖刷的危害性。在雨季之前，管道周圍易發(fā)洪水區(qū)域，設(shè)計(jì)擋水墻、引流渠設(shè)施。針對(duì)閥室間進(jìn)水、積水問題，研究防滲措施，閥室設(shè)備上移，避免通信設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。夏季雷電季節(jié)，加強(qiáng)管道巡線工作，除關(guān)注管道附近施工作業(yè)、土體移動(dòng)、油氣泄漏等，還應(yīng)檢測(cè)光纜質(zhì)量狀況，進(jìn)行光纜維護(hù)修復(fù)工作。

3.4 應(yīng)用光纜故障檢測(cè)技術(shù)

目前國內(nèi)外管道行業(yè)應(yīng)用的光纜檢測(cè)技術(shù)包括行波法、阻抗法和測(cè)距法。行波法在故障光纜檢測(cè)中精確度需進(jìn)一步提高。阻抗法問題在于如果光纜測(cè)量電阻值很大或者光纜故障復(fù)雜時(shí)不能有效實(shí)施，存在信號(hào)干擾和檢測(cè)結(jié)果偏差問題。其他應(yīng)用的光纜故障檢測(cè)方法包括高壓/低壓脈沖法、電橋法、閃絡(luò)法、故障點(diǎn)燒法、二次脈沖法和駐波法，可以根據(jù)電阻值高低、光纜故障類型、設(shè)備操作和人員技術(shù)能力等選用合適的檢測(cè)方法。

4 結(jié)語

調(diào)研我國長輸管道SCADA系統(tǒng)通信中斷的時(shí)間、類型和原因，惡劣天氣狀態(tài)和設(shè)備故障是造成通信中斷的主要原因。根據(jù)我國管道實(shí)際情況，提出的應(yīng)對(duì)措施是加強(qiáng)天氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案；改進(jìn)管道保護(hù)程序，確保通信中斷時(shí)避免管道超壓；高寒區(qū)管道、山區(qū)管道、水網(wǎng)管道應(yīng)特別重視凍脹融沉、地質(zhì)災(zāi)害和埋深不足可能造成光纜損壞的問題。