基于業(yè)務可用性的電力通信網(wǎng)可靠性量化評估方法

劉俊毅，何明甫，范 超，鐘一俊，朱 株，王彥波

（國網(wǎng)浙江省電力公司信息通信分公司，杭州 310007）

基于業(yè)務可用性的電力通信網(wǎng)可靠性量化評估方法

劉俊毅，何明甫，范 超，鐘一俊，朱 株，王彥波

（國網(wǎng)浙江省電力公司信息通信分公司，杭州 310007）

針對電力通信網(wǎng)的業(yè)務特點與分布，基于業(yè)務重要度與業(yè)務路由狀態(tài)，提出了一種新的網(wǎng)絡可靠性量化評估指標，可有效反映當前網(wǎng)絡的業(yè)務可用性狀況，從而反映網(wǎng)絡健康狀況。基于該指標，進一步對電力通信網(wǎng)的光路與站點進行故障仿真分析，根據(jù)指標的變化情況，獲得全網(wǎng)光路與站點的重要性評估結果。以該評估方法為基礎，開發(fā)完成電力通信網(wǎng)可靠性量化評估軟件，以浙江省骨干光傳輸網(wǎng)絡為例，讀取廠商網(wǎng)管數(shù)據(jù)，進行全網(wǎng)運行質量量化評估，并完成全網(wǎng)光路與站點的重要性區(qū)域化分析，為電力通信網(wǎng)的智能化運維與設備升級改造提供支撐。

電力通信網(wǎng)；業(yè)務可用性；可靠性；量化評估；故障仿真分析

0 引言

電力通信網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要基礎設施，其運行承載著電網(wǎng)各類業(yè)務，為保障電力生產(chǎn)有序展開和信息化服務穩(wěn)定運行，網(wǎng)絡的運行質量及可靠性尤為重要。關于電力通信網(wǎng)絡可靠性研究，一方面，學者們在通信網(wǎng)可靠性上的研究成果[1-2]可以為電力通信網(wǎng)所借鑒，而另一方面，電力通信網(wǎng)所處的電力系統(tǒng)又有極強的行業(yè)特殊性，一種能夠有效服務于電力通信網(wǎng)的可靠性評估方法正成為當下研究的熱點。

對通信網(wǎng)的可靠性評估可以分為不同層面，文獻[3]將通信網(wǎng)的可靠性劃分成6個不同的層面，即基礎層、設備層、系統(tǒng)層、網(wǎng)絡層、業(yè)務層與管理層。而在實際研究的開展中，文獻[4]根據(jù)元件的故障率、修復率等參數(shù)評估電力通信系統(tǒng)結構中各組成部件的可靠性，進而結合系統(tǒng)拓撲結構評價整個網(wǎng)絡的可靠性水平。文獻[5]通過建立電力通信網(wǎng)絡效能模型，對網(wǎng)絡及網(wǎng)元效能進行模擬，反映網(wǎng)絡效能的變化規(guī)律，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡可靠性的有效評估。文獻[6]對電力通信網(wǎng)進行拓撲建模，依據(jù)度數(shù)與介數(shù)指標，將業(yè)務連通性約束加入網(wǎng)絡效能函數(shù)，確定網(wǎng)絡脆弱點。文獻[7]根據(jù)預期業(yè)務損失與業(yè)務潛在風險，提出了失效業(yè)務比和影響業(yè)務比2個評價指標，來對電力通信網(wǎng)絡運行質量進行量化評估。文獻[8]以業(yè)務風險均衡度為測度來衡量電力通信網(wǎng)可靠性。文獻[9]針對文獻[8]提出的方法在業(yè)務路由優(yōu)化分配上的局限性，同時考慮業(yè)務風險均衡度和業(yè)務平均風險度2個指標，應用多目標優(yōu)化算法得到了更合適的路由分配結果。

當前電力通信網(wǎng)的可靠性研究在從網(wǎng)絡拓撲結構角度對網(wǎng)絡可靠性進行分析的同時[10，11]，也在逐漸關注業(yè)務層面的可靠性分析。本文以電力通信網(wǎng)可靠性需求為依托，基于業(yè)務可用性提出了一種新的網(wǎng)絡可靠性量化評估指標，該指標有效結合了業(yè)務重要度與業(yè)務路由狀態(tài)，能夠準確表征當前網(wǎng)絡業(yè)務的健康狀況。

1 基于業(yè)務可用性的評估模型

1.1 電力通信網(wǎng)的組成

基于光纖搭建而成的電力通信網(wǎng)包括光纜網(wǎng)、光傳輸網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)與支撐網(wǎng)，其中光纜網(wǎng)提供了底層的物理傳輸線路；光傳輸網(wǎng)利用SDH（同步數(shù)字體系）與WDM（波分復用）完成信息的可靠傳輸；業(yè)務網(wǎng)直接面向用戶，利用光傳輸網(wǎng)提供的光路向用戶提供通信服務；支撐網(wǎng)為電力通信網(wǎng)提供電源、同步、監(jiān)控、網(wǎng)管等各方面的支撐。

1.2 電力通信網(wǎng)的業(yè)務重要度

電力通信網(wǎng)的業(yè)務可分為調度生產(chǎn)相關業(yè)務與生產(chǎn)管理相關業(yè)務，其中調度生產(chǎn)相關業(yè)務包含繼電保護、安穩(wěn)控制、自動化業(yè)務和調度電話，而生產(chǎn)管理相關業(yè)務包含行政電話、電視電話會議、PCM、信息數(shù)據(jù)網(wǎng)等。針對電力通信網(wǎng)中各類業(yè)務的特點與現(xiàn)狀，不同業(yè)務的重要程度不同。

電力通信網(wǎng)的業(yè)務重要度是指在該業(yè)務發(fā)生中斷或存在缺陷（業(yè)務通道可靠性降低）的情況下，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響程度。影響程度越大，業(yè)務重要度越高。該指標是評估電力通信業(yè)務對電網(wǎng)影響的重要測度指標[12]。為便于研究，將文獻[7]與文獻[12]中的業(yè)務重要度進行總結簡化，如表1所示。

表1 電力通信業(yè)務重要度

1.3 業(yè)務狀態(tài)

電力通信網(wǎng)中的業(yè)務通常具備主備用雙路由（繼電保護、安穩(wěn)控制業(yè)務除外）。光傳輸網(wǎng)中可提供的保護方式包括SNCP（子網(wǎng)連接保護）、通道保護環(huán)、復用段保護環(huán)、復用段線性保護等，各種光傳輸網(wǎng)的保護方式有效減少了電力通信業(yè)務在遭遇設備或光纜故障時業(yè)務出現(xiàn)中斷的概率。通信網(wǎng)發(fā)生故障時，某一業(yè)務的情況可分類如下：

（1）正常。盡管遭遇通信網(wǎng)故障，某業(yè)務的主備用路由均未受到影響，能夠保證正常通信。

（2）影響。由于通信網(wǎng)故障，導致某業(yè)務的主備用路由中的一條失效，該業(yè)務的通信能力受到影響（但業(yè)務并未中斷），稱該業(yè)務為影響狀態(tài)。

（3）中斷。由于通信網(wǎng)故障，導致某業(yè)務的主備用路由均失效，該業(yè)務的通信能力喪失，稱該業(yè)務為中斷狀態(tài)。

以上3種狀態(tài)可以對光傳輸網(wǎng)的業(yè)務進行完全歸類，光傳輸網(wǎng)的任何一條業(yè)務都可以歸屬于其中的一種。值得注意的是：由于在當前浙江電力通信光傳輸系統(tǒng)中，繼電保護和安穩(wěn)控制業(yè)務均采用單路由的工作方式，并不采用任何光傳輸網(wǎng)層面的保護措施，因此這2類業(yè)務在通信網(wǎng)發(fā)生故障時，只有正常和中斷2種狀態(tài)。

1.4 評估模型

本文定義了一種新的網(wǎng)絡可靠性評估模型，其結合業(yè)務重要度與業(yè)務狀態(tài)對電力通信網(wǎng)的可靠性能量函數(shù)E進行描述如下：

式中：N為全網(wǎng)業(yè)務的數(shù)量；i為某條業(yè)務的序號；S（i）為對第i條業(yè)務的歸類；m為業(yè)務重要度矢量，可參照表1得到對應的值；U（i）為業(yè)務在中斷狀態(tài)下的代價函數(shù)；A（i）為業(yè)務在影響狀態(tài)下的代價函數(shù)；λ為權重因子，用來權衡處于影響狀態(tài)下的業(yè)務對總能量函數(shù)的貢獻權值。

能量函數(shù)E對電力通信網(wǎng)在業(yè)務層面上進行了可靠性評價，若E=0，代表當前業(yè)務可靠性處于最佳狀態(tài)，E越大，代表當前網(wǎng)絡業(yè)務可靠性越差。根據(jù)式（1）可知，本評估模型根據(jù)網(wǎng)絡實際業(yè)務受害情況來對電力通信網(wǎng)運行質量進行測度。考慮到E為能量函數(shù)，可采用公式（4）將網(wǎng)絡可靠性用百分比概率方式表示，其中σ是用以調整網(wǎng)絡可靠度差異大小的參數(shù)。

2 電力通信網(wǎng)可靠性軟件評估

在前文所述評估模型的基礎上，本部分將展示如何依托該模型對電力通信網(wǎng)進行實際的可靠性評估。本文基于自主研發(fā)的智能光傳輸網(wǎng)業(yè)務核查系統(tǒng)進行功能拓展，使其能夠對光傳輸網(wǎng)光路中斷、端口失效、節(jié)點失效等故障條件下的電力通信網(wǎng)可靠性能量函數(shù)進行仿真計算。

某次檢修工作導致了浙江電力阿爾卡特光傳輸骨干網(wǎng)絡一環(huán)中的光傳輸節(jié)點萬象變電站AS94至甌海變電站AS15的光路中斷（如圖1所示），造成全網(wǎng)諸多業(yè)務受到影響。依托開發(fā)的可靠性評估軟件，獲得該檢修狀態(tài)下的中斷業(yè)務和影響業(yè)務。通過軟件分析可得：中斷業(yè)務10條，均為繼電保護業(yè)務；影響業(yè)務129條，檢修時均處在單路由工作狀態(tài)。根據(jù)式（1）計算可得E=0.144 1，其中全網(wǎng)業(yè)務共有1 080條，即N=1 080，λ取值0.1，業(yè)務重要度參照表1。

圖2展現(xiàn)了本文所使用的可靠性評估軟件對萬象至甌海之間阿爾卡特一環(huán)光路開斷時的分析結果，其頁面顯示了中斷的業(yè)務以及當前全網(wǎng)的可靠性能量函數(shù)E。

針對圖1所示區(qū)域，對其中的各條光路進行故障仿真分析，得到該區(qū)域各光路在故障情況下的網(wǎng)絡可靠度能量函數(shù)，并以該能量值來表征相應光路的重要性。圖3展現(xiàn)了依據(jù)該方法得到的區(qū)域光路可靠度分布，可以發(fā)現(xiàn)處于主干環(huán)上的萬象變電站AS94至甌海變電站AS15以及甌海變電站AS15至四都變電站AS108重要度均較高，而蒼南電廠AS110至南雁變電站AS82的MSP1+ 1保護光路在均中斷的情況下，南雁變電站AS110的業(yè)務均處于中斷狀態(tài)，因此重要度也較高。

圖1 檢修狀態(tài)下開斷光路

圖2 電力通信網(wǎng)可靠性評估軟件分析結果頁面

圖3 區(qū)域內光路重要性分析結果

基于該種分析方法，可以得到全網(wǎng)各光路的重要程度，重要程度越高即意味著整張電力通信網(wǎng)對該光路的可靠性要求越高，在運維檢修、升級改造中需重點考慮。本文所開發(fā)的軟件除了支持對單光路的重要性分析，還可完成對多光路組成的區(qū)域重要性分析以及對設備板卡各端口的重要性分析。

3 結論

本文研究并提出了一種針對電力通信網(wǎng)絡的可靠性評估方法。該方法從業(yè)務層面出發(fā)對全網(wǎng)業(yè)務可用性進行評估，用以表征電力通信網(wǎng)的可靠度。該方法利用業(yè)務重要度與業(yè)務路由分布情況對全網(wǎng)的中斷業(yè)務和潛在中斷業(yè)務的能量代價函數(shù)進行加權求和，得到最終評估模型。該評估模型根據(jù)網(wǎng)絡實際業(yè)務受害情況來對電力通信網(wǎng)運行質量進行測度。基于該模型，對實際電力通信光傳輸網(wǎng)進行分析，得到在某段光路或站點檢修狀態(tài)下的網(wǎng)絡可靠度。通過開發(fā)智能分析軟件，實現(xiàn)對全網(wǎng)所有光路和站點的N-1故障仿真分析，進而得到不同光路和站點在業(yè)務層面的重要度分布，其結果為整個電力通信網(wǎng)的升級改造提供了切實指導。

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（本文編輯：徐 晗）

Method for Power Communication Network Reliability Quantization and Evaluation Based on Service Availability

LIU Junyi，HE Mingfu，F(xiàn)AN Chao，ZHONG Yijun，ZHU Zhu，WANG Yanbo
（Information&Telecommunication Branch of State Grid Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

According to the service features and distribution of power communication networks，this paper proposes a new network reliability evaluation indicator based on service importance and service routing status. The new indicator can effectively reflect service availability of present communication network so as to reflect health condition of the networks.In accordance to the indicator，fault simulation on optical paths and stations of power communication networks is implemented；in line with the indicator change，importance of optical paths and stations in the whole networks is evaluated.On the basis of the evaluation method，the reliability quantization and evaluation software for power communication networks is developed；besides，regionalization analysis on importance of optical paths and stations in the whole communication networks is accomplished to support intelligent O&M and equipment upgrading of power communication networks.

power communication networks；service availability；reliability；quantitative evaluation；fault simulation analysis

TN915.853

B

1007-1881（2015）10-0040-04

2015-08-05

劉俊毅（1990），男，從事電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡管理與優(yōu)化工作。