基于PMC模型的電力光纖傳輸網可靠性診斷方法

李 莉，高麗媛，趙曠怡，吳潤澤

（1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 北京　100055；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京　102206）

基于PMC模型的電力光纖傳輸網可靠性診斷方法

李 莉1，高麗媛2，趙曠怡1，吳潤澤2

（1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 北京100055；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206）

電力通信系統可靠性是指電力通信系統在實際連續運行過程中，完成電力系統正常通信需求的能力，是現代電力系統可靠性研究的一個重要部分。保證電力通信網的可靠性是電力系統安全體系中的一個十分重要的方面，本文對現代電力通信網的可靠性診斷問題進行了專門的研究。文章采用PMC互測方法對電力通信網的網絡節點進行故障診斷，通過對某地區SDH光網絡中故障節點具體診斷，證明該方法能夠迅速準確地找出故障節點，從而保證了電力系統的連續運行。

光纖傳輸網；PMC模型；可靠性；故障診斷

隨著現代通信技術及智能電網技術的發展，電力通信網已經建設成覆蓋全國主要地區的電力專用光纖網絡［1］，電力光網絡在智能電網扮演著越來越重要的角色。電力系統通信網絡給電力系統提供控制、管理等服務，這類的服務如果發生故障，不單單是會對電力系統的穩定運行和正常的生產帶來不同程度上的影響，更有甚者還會給整個電力行業造成嚴重的后果，因此，電力通信系統可靠性問題是電網安全穩定性的關鍵環節。

通信網由一定數量的節點和連接節點的傳輸鏈路有機結合在一起，實現兩個或多個規定點間信息傳輸的系統。通信網絡的節點或鏈路有故障時，直接導致通信網絡的連通性變壞，導致網絡的呼損、吞吐量等業務性能指標下降，使得通信網絡的可靠性降低。電力通信網可靠性是指電力通信網在實際連續運行過程中，完成電力系統正常通信需求的能力［2］。提高通信網可靠性的一種途徑就是采用容錯技術，如網絡中的各個節點機（終端、通信設備等）采用具有冗余能力的高可靠性設備、采用備份鏈路等。這些雖然可以提高網絡的可靠性，減小故障率，但也相應增加了網絡的成本，有一定的局限性。如果能在通信網絡系統中，通過一定的方法隨時檢測并診斷出網絡運行中出現的各種故障，以便于故障部位的修復，從而保證整個網絡系統的正常連續工作，這樣在不增加網絡成本的情況下提高了網絡的可靠性，不失為一種行之有效的辦法。

故障診斷中1967年由Preparata等提出的PMC模型是最常用的一種并被廣泛應用［3］，文獻［4］將人工免疫進化算法引入到系統級故障診斷中，取得了較好的效果，但仍需滿足t-可診斷系統的限制；文獻［5］研究了星型網絡的PMC故障診斷問題，文獻［6］研究了分層立方網絡的故障診斷，這些都是針對通用網絡的，文中根據文獻［2］提出的電力通信系統的可靠性概念，將PMC故障診斷引入到電力通信網中，一定程度上保證了電力系統的可靠性。

提高電力通信網的故障診斷能力，對于保持并提高網絡運行的健壯性，提高網絡的修復能力，保證網絡上業務的成功傳輸非常重要；另外，提高電力通信網的故障診斷能力，能夠有效減少網絡故障平均恢復時間。PMC故障診斷能夠對現有規模比較大的網絡進行系統級故障診斷，能夠迅速準確地找到故障站點，大大提高了網絡的故障診斷能力。

1　基于PMC的故障診斷模型

系統級故障診斷是由Preparata Metze和Chien等人在1967年率先提出的，后人以他們的名字將其稱為PMC模型，其基本思想是：首先系統中的處理單元進行相互測試，然后對處理單元的測試結果和拓撲結構進行邏輯分析，進而確定故障單元。這樣就在不增加系統投入成本和維護開銷的情況下，達到了提高系統可靠性的目的。因此通過測試、診斷，可確定系統中故障單元的系統級故障診斷成為了保障整個系統安全和穩定的重要手段。

表1　PMC模型的測試結果

在PMC診斷模型下，只有直接相連的處理器可以進行相互測試，即對于G（V，E）中任意一條邊（u，v）∈E，結點u可以測試結點v，結點v也可以測試結點u。當用結點u測試結點v時，結點u稱為測試處理器，結點v稱為被測試處理器，結點u發給結點v一個測試任務，結點v回復一個響應消息。如果響應正確，則記錄結點u測試結點v的結果為0，記為σ（u，v）=0；若響應錯誤，則記錄結點u測試結點v的結果為1，記為σ（u，v）=1；如果測試處理器本身就是錯誤的，那么其測試出來的結果是不可信，具體的PMC模型測試結果可以由表1來描述。

2　電力光纖傳輸網故障診斷

2.1網絡模型

光纖傳輸網是電力通信網的重要組成部分，承載著電力調度、繼電保護、自動化等電網安全生產及經營管理的重要信息。電力光纖傳輸網可以看成節點和鏈路的集合，每條業務通道，即節點和鏈路的集合，節點和鏈路的可靠性直接影響業務通道的可靠性，進一步影響網絡的可靠性。

用圖論的方法我們把電力系統通信網拓撲結構抽象為一個簡單的無向圖 G（V，E），其中結點集合V表示電力系統通信網中的設備站點，邊集合E表示各設備站點之間的通信鏈路；|V|的基數用N來表示，代表這個通信系統的大小。每個節點都有兩種狀態：有故障和無故障狀態，并且假設在診斷過程中節點的狀態不會變化。

2.2電力通信網節點故障診斷

電力通信網中的各站點相互測試，并在測試結果的基礎上，得出各個站點的預診斷結果；然后對各站點的預診斷結果進行概率多數表決，進而得到最后的診斷結果。假定通信網系統中有N個站點，用0，……，N-1對其進行編號，且N個站點邏輯全互連，所有站點相互獨立地以等概率p發生故障。

文中使用的主要數據結構有：（1）測試結果矩陣testN*N*N，test（x，i，j）初始值為-1，其中x，i，j表示通信網系統中的站點，滿足0≤x，i，j≤N-1當站點x收到來自無故障站點i的測試結果信息，即站點i已經對站點j進行測試且i認為j無故障時，test（x，i，j）被賦值為0；（2）預診斷結果矩陣statusN*N，status（x，i）初始值為1，當站點x認為站點i無故障時status （x，i）被賦值為0，否則其值仍為1；（3）最后診斷矩陣finalstatusN*1，final-status（x）初始值為1，當最后診斷站點x無故障時final-status（x）被賦值為0，否則保持1。

2.3診斷流程和步驟

在電力通信網中，每個站點周期性地運行該診斷程序，以站點x（0≤x≤N-1）為例，故障診斷的執行過程如下。

第一步：測試過程。站點x的test（x，i，j）矩陣初始值為-1；x依次測試其余各站點直到找到第一個無故障站點y為止，將test（x，x，y）賦值為0；然后x將test（x，x，y）=0發送給其余站點，網絡中所有能收到該信息的站點t將test（t，x，y）置0；同時x接受其余站點發來的test信息，當test（x，i，j）不再變化時，一個測試周期結束。其余站點的測試過程與此相同。具體流程如圖1所示。

圖1　測試過程流程圖

第二步：預診斷過程。在以上測試結果的基礎上，依次修改預診斷結果。x首先認為自己無故障，所以使status（x，x）=0；令node-pointer=x，即從x開始尋找下一個無故障站點；已經找到下一個無故障站點時即test（x，x，j）=0，令node-pointer=j；如果node-pointer=x或修改預診斷結果次數為n，則站點x預診斷過程結束，否則修改并使status（x，node-pointer）=0，繼續尋找下一個無故障站點。同理，網絡中的其余站點分別進行如上的預診斷處理，從而得到預診斷結果status（x，i）。具體流程如圖2所示。

第三步：系統最后診斷。系統將各個站點的預診斷結果搜集起來進行表決得到final-status（x），所有的最后診斷結果為1的站點即為網絡中發生故障的站點。

圖2　預診斷過程流程圖

3　基于PMC模型電力通信網故障診斷

3.1仿真網絡

如圖3所示為某地區SDH光網絡結構圖，以0、1、2、3、4 這5個結點構成的小網絡（即圖中虛線框內網絡）為例進行故障診斷，其中2站點為故障結點。

圖3　電力通信網絡結構圖

3.2仿真結果分析

其診斷過程如圖4所示，當網絡啟動后，站點0對站點1進行測試，由于兩個站點均為無故障，則站點1能夠對站點0發來的測試報文進行正常處理，然后向站點0發送應答報文，站點0根據應答報文能正確地判斷出站點1無故障，因此站點0停止測試，將test（0，0，1）賦值為0，并把該信息報文在全網廣播，網絡中的其他所有無故障站點均能正確收到此報文，并分別給test（1，0，1）、test（3，0，1）、test（4，0，1）賦值為0；與此同時，站點1對站點2進行測試，發現站點2有故障，然后繼續測試站點3，發現站點3無故障，則站點1停止測試，將test（1，1，3）置0，并將該信息報文向全網廣播出去，網絡中的其他無故障站點均能正確收到該信息報文，并分別將test（0，1，3）、test（3，1，3）、test（4，1，3）置0；同理，其他的站點依次進行上述測試，當網絡中的測試結果不再發生變化時，各個站點得到自己的測試結果test（x，i，j）（見圖3），然后進行以下的預診斷。

以x=3為例，則node-pointer=3且status（3，3）=0（站點3認為自己是無故障的），然后因為test（3，node-pointer，4）= test（3，3，4）=0，則node-pointer=4，因此status（3，4）=0，即站點4的預診斷結果為無故障；同理可得，status（3，0）=0、status （3，1）=0；當node-pointer=1時，因為有test（3，node-pointer，3）=test（3，1，3）=0，則此時node-pointer=3==x，因此預診斷停止。站點0，1，4的預診斷過程與此類似。

圖4　含5個站點的網絡系統故障診斷示意圖

將各個站點的預診斷結果搜集起來進行多數表決來確定最后的診斷結果。首先統計各站點中預診斷結果為0的次數，有count［0］=count［1］=count［3］=count［4］=4，count［2］=1，由于4＞［5×（1-0.2）2+5×0.22×q2］=［3.2+0.2q2］=3（0≤q≤1），因此final-status（0）=final-status（1）=final-status（3）=final-status （4）=0，final-status（2）=1，即診斷出站點2有故障。

傳輸網故障處理的關鍵在于故障的快速定位，文中采用的PMC模型下的系統級概率分布式故障診斷算法能夠快速準確地定位故障，并且該算法突破了其他算法中要求系統中“無故障”站點數目應大于站點總數一半的限制；另外，該算法在各個站點上周期性運行，能夠檢測出系統中出現的間歇性故障。

4　結束語

電力通信網的可靠性對電力系統安全連續運行起著至關重要的作用，而診斷對網絡系統的可靠性起著重要的作用，基于PMC的診斷方法是網絡中一種常用的診斷方法，文中在PMC模型下對電力系統通信網進行故障診斷，能夠準確地找到故障站點，從而為電力系統安全提供保障。

［1］程文清，馬慶峰，趙健立.電力光纖傳輸網可靠性評估方法的研究［J］.電力系統通信，2011，32（227）:11-15.

［2］邢寧哲，閆海峰.電力通信系統可靠性研究［J］.電力系統通信，2007，28（176）:26-38.

［3］Hsieh S Y，Chuang T Y.The strong diagnosability of regular networks and product networks under the PMC Model［J］. IEEE Trans on Parallel and Distributed Systems，2009，20 （3）:367-378.

［4］閆少華，樊建席.基于PMC模型的高效人工免疫診斷算法［J］.計算機應用與軟件，2012，29（4）:27-30.

［5］謝春萍，梁家榮.星型網絡的幾種故障診斷度研究［J］.廣西大學學報:自然科學版，2015，40（3）:699-704.

［6］林麗美，周書明，許力.分層立方網絡的t/t-診斷度和診斷算法［J］.山東大學學報:理學版，2013，48（7）:85-92.

A reliability diagnosis method for electric power optical fiber transmission network based on PMC model

LI Li1，GAO Li-yuan2，ZHAO Kuang-yi1，WU Run-ze2
（1.Jibei Electric Power Company Economic&Technology Research Institute，Beiing 100055，China 2.School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

The reliability of electric power communication system refers to the ability of power system to complete the communication needs in the process of actual operation.The reliability of the electric power communication network problem is one of the important aspects of modern power system security system which is specifically studied in this paper.The paper diagnoses the fault nodes in the electric power communication network based on PMC model.The specific diagnosis of a SDH optical network failed nodes proving that the method can identify the failed nodes quickly and accurately，thus ensuring the continuous operation of the power system.

electric power transmission network；PMC model；reliability；faulty diagnosis

TN915.853

A

1674-6236（2016）14-0094-03

2015-08-04稿件編號：201508011

李 莉（1979—），女，河北廊坊人，碩士，高級工程師。研究方向：通信規劃。