基于5G网络技术的天然气管网智能监控系统的设计.pdf

Jul,20232023年7 月AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRY石自油Vol.59,No.4动第4期第59 卷化化基于5G网络技术的天然气管网智能监控系统的设计吴海平（万科思自动化（上海）有限公司，上海2 0 0 135）摘要：天然气管网建设具有广域分布的特点，为实现天然气管线场站的无人值守和控制中心的智能监控，对通信网络的稳定性、及时性、可靠性、安全性提出了更高的要求。分析了数据监控网络现状，介绍了5G网络技术在数据智能监控的应用，通过对天然气管网SCADA系统结构分析，利用5G网络技术进行改造，在天然气管网的智能监控过程中，实现通信网络的高带宽、低时延，多点接人等需求。大幅提升天然气管网智能化和数字化管理水平，确保对天然气管网安全有效地管控。关键词：5G网络技术；数据采集与监视控制系统；天然气管网；智能监控；链接穴余中图分类号：TP277TP274文献标志码：B文章编号：10 0 7-7 32 4（2 0 2 3)0 4-0 0 6 4-0 4Design of Intelligent Monitoring System for Natural Gas Pipeline NetworkBased on 5G Network TechnologyWu Haiping(MOX Automation(Shanghai)Limited,Shanghai,200135,China)Abstracts:The construction of natural gas pipeline networks has the characteristic of wide areadistribution.To achieve unmanned monitoring of natural gas pipeline stations and intelligentmonitoring of control centers,higher requirements are put forward for the stability,timeliness,reliability and security of communication networks.With the analysis of thecurrent situation of data monitoring networks,the application of 5G network technology indata intelligent monitoring is introduced.Through analyzing the structure of SCADA fornatural gas pipeline networks,5G network technology is used for improvement in theintelligent monitoring process of natural gas pipeline networks to realize the requirements ofhigh bandwidth,low time delay and multi-point access.The intelligence and digitalmanagement level of natural gas pipeline networks is improved significantly.Safe and effectivecontrol of natural gas pipeline networks is ensured.Key words:5G network technology;supervisory control and data acquisition;natural gaspipeline network;intelligent monitoring;link redundancy天然气管网建设具有广域分布的特点，因此其管线上的场站和阀室均散落在城市郊区的各个角落。根据工艺的复杂度和重要性，部分场站会单独建立本地站控系统，安排有人值守；而大部分无人值守的场站则需要远传到控制中心集中监控。现有的通信方式中，光纤价格高容易被挖断；早期建设的无线通信带宽低，不稳定。随着时代的发展，企业为了提高管理水平，将进一步加强集中监控，为实现现场全面无人值守和控制中心智能监控的目标，对通信网络的稳定性、及时性、可靠性、安全性的要求也更高了1。5G网络技术的出现，可大幅优化天然气数据监控通信网络，为企业实现高效数据采集，建设智慧燃气奠定良好的基础。155G网络技术与前几代移动通信网络相比，5G网络技术的各方面能力都有了飞跃性的发展。最直观的体现是在网速方面，其下行峰值数据传输速率可达20GiBit/s，而上行峰值数据传输速率可能超过稿件收到日期：2 0 2 3-0 1-2 8，修改稿收到日期：2 0 2 3-0 5-11。作者简介：吴海平（198 2 一），男，2 0 0 7 年毕业于华东理工大学检测技术与自动化装置专业，获硕士学位，现就职于万科思自动化（上海）有限公司，主要从事工业自动化和信息化领域的工程项目的设计和实施，以及相关新技术的研究和应用，任工程师。65第4期吴海平.基于5G网络技术的天然气管网智能监控系统的设计10GiBit/s；在提高网速的同时，5G网络还大幅降低了时延、提高了整体网络传输效率，为用户提供小于5ms的端到端时延。可以看到，5G网络能够带来超越光纤的传输速度，超越工业总线的实时能力以及全空间的连接，5G网络将开启充满机遇的时代，满足人们对万物互联的各种想象 2 5G网络技术的主要技术特点有：更快的网速，满足大数据量的快速传输；更低的时延，满足实时性的需求；更广的连接，满足多站点并发采集的需求。因此，5G网络技术的到来，为完善提高天然气管道智能化监控水平提供了更多的可能32数据监控网络现状分析天然气管网的工艺数据监控主要基于数据采集与监视控制系统(SCADA)来完成。SCADA是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以远程监视和控制分布在各地的现场运行设备，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能 4SCADA采集监控城市天然气管道上的场站和阀室的运行数据，尤其是高中压管线的场站和阀室基本上都是分布在城市郊区，现有的通信方式主要有以下几种：1）自建光纤。该方式需要在管网规划建设阶段就考虑设计，让光纤随管道敷设。已建成的大部分管线都不具备条件，即使是新建规划的管线。该方式成本也很高，一般只在重要的调度中心，区控中心或个别重要有人站点才会敷设。同时，管线周边的维护性施工，经常会挖断光纤造成通信中断，并对系统监控产生重大影响。2）租用运营商专线。租用运营商的专线，可以就近从运营商的机房中引光纤到站点，但往往站点周边第三方施工也比较多，也会出现和自建光纤一样被挖断的现象。同时，租用专线的费用也不低。3）2 G/3G 无线通信。由于国内的2 G/3G的无线网络覆盖和普及率高，因此在不少无法铺设光纤或附近没有运营商资源的站点采用该方式。但2 G/3G的无线网络经常出现信号不稳定，受天气影响、周围建筑或植物生长的影响、站点地理位置因素(站点多在郊区，信号弱)等影响较大，经常出现掉线，或者需要维护工程师到现场重置设备才能恢复，给用户造成了不少困扰。4）卫星通信。少数的天然气企业租用卫星进行无线通信。因为使用的用户少，该方式的使用成本和维护成本都比较高，数据时延长，也受天气、周围建筑或植物生长的影响较大。上述几种通信方式目前已经不适用现有SCADA对大量数据实时采集的可靠性，稳定性和网络安全性的要求。3在数据智能监控方面的应用国内5G网络技术的快速普及和商用，给天然气SCADA数据通信和采集提供了一种很好的解决方案。以某城市天然气管网智能化监控改造项目为例，具体体现在以下几个方面。3.1高带宽目前，该城市的天然气中高压管网长度已超800km，设有各种首站、门站、计量站点7 0 多座，阀室上百个，总计接人实时数据点数2 10 4多点。由于各个站点建设的时期不一样，之前的通信网络受限于早期的技术条件，有2 G/3G接入、租用运营商有线网络、卫星接人等，各不相同，网络状态不佳，数据通信不稳定，维护工作量大，已经不能满足现有业务对数据采集和智能化调度的需求。5G网络技术改造方案的提出和实施，很好地解决了上述问题，同时为后续的天然气管网的智能化调度打下了坚实的基础，增强了移动宽带，创造出了更快的网络速率，解决了之前带宽低、数据拥堵、刷新慢的问题，满足了大数据的采集需求，为企业的数字化转型提供了基础数据支撑。3.2低时延改造之前，整个SCADA网络通信时延较大，时有发生丢包的现象。因此，系统的数据刷新频率较低，个别站点每隔一段时间还会出现网络卡死或假死的现象，导致数据不刷新，需要维护人员到现场站点重启复位网络设备。该问题处理起来不仅工作量大，还给整个管网的安全运维带来隐患。该项目采用5G技术并结合SCADA软件DNP协议的主动上报功能，不仅让数据达到毫秒级的实时上传，数据传输的稳定性和可靠性也得到质的提升。调度人员能更加及时地了解到管线上各个节点压力的变化情况，关键阀门的变位情况，结合管网的智能仿真系统，可及时有效地对管网的危险情况做出预警。整个SCADA的监控调度更加流畅，数据刷新频率更快，实时性更高，天然气站点的远程监控命令更加高效和可靠，为今后有人站点的无人值守，减员增效打下了很好的基础，提升天然气管网自动化控制的整体水平3.3多站点接入天然气管网SCADA面临的最大问题就是站点多，分布广。改造之前不同通信方式接人的时66石油化工自动化第59 卷间缺乏统一的规划，IP资源分配不合理，面临IP资源枯竭的问题。另外，2 G/3G无线通信卡拨号时候一般都是动态IP的方式，每次重启后重新拨号IP都会发生变化，因此，网络中配置了1台通信服务器用来做数据转发。通信服务器上有固定IP，每个场站无线设备拨号后作为TCPclient，连接到通信服务器的固定IP上，SCADA软件再和通信服务器进行通信，完成数据采集和远程监控。站点增多后，通信服务器IP资源就出现了瓶颈，影响了后续新建站点的接入。改造前系统结构如图1所示。SCADASCADA服务器1服务器2通信卫星服务器地面站操作站操作站固定IP运营商有线运营商网络专网动态IP动态IP卫星卫星地面站地面站2G/2G/3G3GRTURTURTURTURTURTU图1改造前的系统结构示意图1中通信方式未考虑到网络安全，数据在公网上明文传输，有较大的风险。因此，改造方案考虑了5G十虚拟私有拨号网络（VPDN）接人的方式。VPDN是指以拨号接人方式上网，通过对网络数据的封包和加密在公网上传输私有数据，达到私有网络的安全级别。基于该项业务，企业可在公共网络上构建1条虚拟的、不受外界干扰的专用通道，从而安全访问企业网内部的数据资源。改造后的系统结构如图2 所示。SCADASCADA服务器1服务器2操作站操作站GRE隧道运营商专网5G5G+VPDN核心网络运营商专网5G图2改造后的系统结构示意VPDN的网络部署，通过GRE隧道的加密方式不仅给数据在公网上传输带来安全性的保证，同时可以给每个站点映射并分配一个固定的内网IP，如192.16 8.XXX.XXX网段，这样SCADA就可以不需要通信服务器的转发，直接访问到各个站点的IP。5G网络技术信号好、覆盖范围广的特点可方便实现多用户多站点的协同组网，再配合VPDN带来的公网传输的安全性的保证，很好地解决了天然气管网站点多、分布广带来的接人问题3.4双链路穴余配置天然气供应关系到千家万户以及市内重点企业的能源使用，因此，对天然气管网各站点的监控和智能调度的重要性不言而喻。除了利用5G网络技术提高数据通信的稳定性和可靠性，同时升级方案还考虑引人了双运营商双链路穴余的通信机制，来确保通信的万无一失。即每个接入站点都配置了一主一备”2 条5G通信链路，2 条链路采用不同的运营商（如联通和电信），确保某一个运营商的网络出现故障时，可自动地从主链路切换到备用链路，保证SCADA数据采集的连续性。为了实现双链路穴余切换，站点的RTU设备自带2 个以上的网口，分别链接2 个不同运营商的5G无线路由器，并完成双网关配置，从而实现穴余自动切换的功能。具体的双网关配置为：第一个网口设置为通过默认网关192.16 8.1.1访问目标IP，即设备中除其他网关有设定的目标IP外的其他IP；第二个网口设置通过网关192.16 8.2.1访问目标地址为192.168.101.XXX和19 2.16 8.10 2.XXX网段的IP；第三个网口为本地IP，用于连接CP通信卡。4在天然气其他场景的应用5G网络技术的高带宽、低时延、广连接的优势使其在天然气行业有着较为广泛的应用场景。目前，天然气的SCADA，主要采集的是现场的工艺数据，如温度、压力、流量和设备的开关状态等。但受限于之前的通信能力，大量的设备诊断数据并没有采集，比如流量计零点漂移，关键参数的报警等信息。以往情况都是在设备出现问题后，维护人员才到现场去采集、分析、调校。结合5G网络技术，可以方便将大量的设备诊断数据进行远传，利用云计算、大数据分析等技术手段，建立设备远程智能诊断系统，对设备的运行状态进行事前预警和维护天然气管网几百公里的管线，目前采用的大多是车辆巡检的方式。5G无人机巡检技术，可通上接第49页）67吴海平.基于5G网络技术的管网智能监控系统的设计第4期过无人机沿着管线低空飞行，拍摄高清视频，捕获得到信息通过5G网络技术实时传回到调度中心，工作人员可以足不出户完成繁重的巡检工作。传回的图像信息可以和后台数据进行AI智能比对，对违章搭建、异物闯人、不规范施工等进行报警，并通知工作人员，及时处置问题，从而保证管网的安全运行 5天然气站点的泄漏检测一直是个难题，有了5G网络技术，再结合红外检测技术和视频检测技术，可以实现快速的泄漏检测报警和定位。通过红外检测技术扫描燃气设备，当发现有泄漏产生时，将附近的视频数据和红外扫描的定位数据一起通过5G网络传回云端进行智能比对，算出准确的泄漏点，并及时报警通知应急处置人员。5结结束语该项目通过5G网络技术的成功应用后，通信质量有了很大的改善，网络安全方面达到了国家安全等保“2.0”的第三级标准要求，大幅减轻了维护人员的工作量，为后续管网扩容建设接人更多站点打下了坚实的基础。随着物联网的发展以及天然气行业数字化转型的诉求，基于5G通信技术，并结合自动化、信息缓的角度带来了独特的挑战。因此，储能系统的设计人员应考虑开展风险分析，例如，旨在识别锂离子电池装置有关风险且能够支持气体扩散建模的定性FMEA。这样做非常有助于指导设计人员采取适宜的火灾减缓策略。虽然此类策略包括灭火内容，但由于锂离子电池热失控的性质，风险减缓应侧重于防止该失控向邻近电池的传播，以及易燃或有毒物料的积聚。具体方法包括：在各（电池)组之间提供足够的空间，以防止失控级联；提供适当的可燃气体和有毒气体检测，以便监测所有潜在条件下的气体浓度，包括在灭火时可能存在的惰性环境；在达到LEL值之前，提供足够的通风以排除易燃气体；防爆或爆燃通风。通过考虑所涉及风险和精心设计的风险减缓策略，可容忍的风险水平完全可以达到。参考文献：1MCKINNON M B,DECRANE S,KERBER S.Fourfirefighters injured in lithium-ion battery energy storage化和智能化等先进技术，可实现天然气行业各生产要素之间的协同配合，进而使生产效率得到有效提升，并且更好地保障生产的安全。参考文献：1 日田巧燕，孙丽慧，蒲玉洁，等.浅谈通信网络技术在智能化油田建设中的应用 J.中国化工贸易，2 0 2 0，12（19）：132,134.2 穆乐.关于5G网络与光纤传输网络的思考 J.中国宽带，2021(04):7.3陈帅.浅谈5G通讯技术在天然气长输管道智能化控制上的应用（上）J中国设备工程，2 0 2 2（0 7）：2 7-2 94王华忠.工业控制系统及应用SCADA系统篇 M.电子工业出版社，2 0 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