典型廣域保護通信網(wǎng)絡的信息傳輸可靠性評估

崇志強，戴志輝，焦彥軍

（華北電力大學電力工程系，保定 071003）

隨著電力需求的增長和電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)運行和控制策略更加復雜，在傳統(tǒng)保護系統(tǒng)日益不能完全滿足電力系統(tǒng)安全、可靠運行要求的情況下，廣域保護系統(tǒng)WAPS（wide area protection system）應運而生[1～3]。WAPS是通過現(xiàn)代通信技術獲取電力系統(tǒng)中各點的實時信息、動態(tài)監(jiān)控電力系統(tǒng)運行狀況，綜合分析、辨識可能給電力系統(tǒng)帶來嚴重后果的擾動并采取相應控制措施以消除或減輕擾動所造成后果的一種電力控制保護系統(tǒng)[4～7]。依據(jù)廣域保護系統(tǒng)決策方式大致可將廣域保護系統(tǒng)劃分為：集中式、分布式、分層區(qū)域式3種系統(tǒng)結(jié)構，其中分層區(qū)域式的保護系統(tǒng)由3層構成[5]，位于最底層的本地測控單元、位于中間層的區(qū)域決策層和位于最頂層的系統(tǒng)保護中心，其信息傳輸網(wǎng)由主干網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)構成。分層區(qū)域式廣域保護既解決了集中式結(jié)構對保護中心的過度依賴，又可做到分布式廣域保護做不到的全局最優(yōu)決策。

光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)SDH（synchronous digital hierarchy）具有統(tǒng)一的世界標準，靈活的同步復用方式，組成環(huán)網(wǎng)有著很強的自愈能力，自愈恢復時間一般為40～80ms，因此SDH光網(wǎng)絡承載IP業(yè)務的自愈環(huán)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應用廣域保護系統(tǒng)通信網(wǎng)絡[8～9]，廣域保護系統(tǒng)功能必須依靠通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)，因此廣域保護系統(tǒng)的可靠性很大程度上依賴于通信網(wǎng)的可靠性。目前有大量文獻針對電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡性能優(yōu)化[10]、通信安全體系[11]等方面進行了探討，對廣域保護通信系統(tǒng)可靠性的研究還比較少，在評估區(qū)域網(wǎng)和主干網(wǎng)的可靠性也只是單從網(wǎng)絡連通性來進行分析[12]，未詳細分析信息的傳輸原理，因此本文考慮了信息傳輸原理來進行廣域保護通信網(wǎng)的可靠性評估。

1 可靠性基本概念

失效率λ（t）失效率是指元件在時刻t之前處于正常工作狀態(tài)，在時刻t之后單位時間內(nèi)失效的次數(shù)，元件在時刻t的失效率λ（t）為

修復率μ（t）修復率是指元件在時刻t之前沒有被修復，在時刻t之后單位時間內(nèi)被修復的概率，元件在時刻t的修復率μ（t）為

可用度A（t）可用度是指元件在起始時刻正常工作的條件下，時刻t正常工作的概率，一般求解的是穩(wěn)態(tài)可用度即

式中：MTTF為平均無故障時間；MTTR為平均故障修復時間；若系統(tǒng)或設備的故障分布為指數(shù)分布則其穩(wěn)態(tài)可用度為

應用Markov狀態(tài)空間法求解狀態(tài)概率的一般步驟為：①根據(jù)所分析問題作出合理假設并定義每種狀態(tài)的具體含義；②建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；③建立并求解式（5）即可得到設備或者系統(tǒng)處于各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。

式中：Q為狀態(tài)轉(zhuǎn)移率矩陣；P為穩(wěn)態(tài)概率向量；Pi為第i個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。

2 主干網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)的可靠性評估

分層區(qū)域式廣域保護的通信網(wǎng)絡主要分為兩層，其中，主干網(wǎng)絡用于連接系統(tǒng)保護中心SPC（system protection center）與區(qū)域保護中心LPC（local protection center），區(qū)域網(wǎng)絡用于連接LPC與變電站和發(fā)電廠。目前電力系統(tǒng)通信主干網(wǎng)絡主要采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)絡根據(jù)實際所連接的變電站和發(fā)電廠的類型和數(shù)目可以選擇SDH星型網(wǎng)絡和SDH環(huán)網(wǎng)。

2.1 SDH環(huán)網(wǎng)的可靠性評估

在工程應用中，常見的自愈環(huán)結(jié)構有通道保護環(huán)和復用段保護環(huán)，其中二纖單向通道保護環(huán)具有不需自動保護倒換協(xié)議APS（automatic protect switch），傳輸延時小等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)通信網(wǎng)中有著廣泛的應用，故本文以二纖單向通道環(huán)網(wǎng)為例進行后續(xù)評估，其他類型的SDH自愈環(huán)網(wǎng)可靠性評估方法與二纖單向通道保護環(huán)網(wǎng)可靠性評估方法類似。

二纖單向通道環(huán)網(wǎng)由2路光纖組成兩個環(huán)網(wǎng)，其中一路光纖為主用光纖，另一路為備用光纖。發(fā)送端同時向兩路光纖發(fā)送信號，主用和備用光纖同時攜帶業(yè)務信號分別沿兩個相反方向傳輸數(shù)據(jù)信號，接收端通過倒換開關選擇接收其中信號質(zhì)量好的一路光纖所攜帶的信號（一般情況下常選擇主用光纖信號）。在主用光纖的某一段發(fā)生故障時，倒換開關倒換接收端接受信號的方式，光纖所攜帶的數(shù)據(jù)信號仍然可以通過備用光纖傳送到各保護中心，其構成如圖1所示。

圖1 二纖單向通道SDH環(huán)網(wǎng)Fig.1 Single-direction，ring-structure and dual-passage SDH optic fiber network

復用模塊、保護倒換模塊組合在一起用通信接口IU（interface unit）表示。設主用光纖信號沿順時針方向傳輸信號，備用光纖信號沿逆時針方向傳輸信號，任何一個接口故障都視為SDH通信主干環(huán)網(wǎng)故障，將影響信號在環(huán)網(wǎng)中的傳輸，而光纖系統(tǒng)的不同故障類型對SDH通信主干環(huán)網(wǎng)的影響不同，因此主干網(wǎng)的可靠性框圖視為串聯(lián)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 SDH環(huán)網(wǎng)可用性框圖Fig.2 Availability block diagram for SDH optic fiber network

由于倒換開關大都采用并聯(lián)冗余結(jié)構可假設倒換開關絕對可靠。單個接口的可用度為

式中：μIU為接口的修復率；λIU為接口的故障率。

研究光纖系統(tǒng)的可靠性模型需建立每區(qū)段光纖的獨立故障和共模故障模型，每一傳輸區(qū)段光纖可能分別獨立故障，也可能出現(xiàn)共因故障。根據(jù)Markov狀態(tài)空間法建立一個區(qū)段光纖的狀態(tài)模型如圖3所示。

圖3 單區(qū)段光纖的M arkov模型Fig.3 M arkovmodel for optic fiber ofone sector

圖3中λL為一根光纖的故障率，μL為一根光纖的修復率，λ1為主光纖和備用光纖共模故障率。

設P=[P0P1P2P3]，P中各元素分別為狀態(tài)0、1、2、3的穩(wěn)態(tài)概率，由式（5）即可求出狀態(tài)0、1、2、3的穩(wěn)態(tài)概率。

一區(qū)段主用光纖備用光纖都正常工作的概率為P0，一區(qū)段只有備用光纖的故障的概率為P1，一區(qū)段只有主用光纖故障的概率為P2，一區(qū)段兩光纖都故障的概率為P3。考慮到光纖的可靠性很高，故假設最多只有兩個區(qū)段光纖故障，其他光纖系統(tǒng)故障類型的概率對環(huán)網(wǎng)可用度的貢獻可忽略不計，對光纖系統(tǒng)的工作情況分析如下。

1）所有區(qū)段光纖都正常，其概率

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

2）只有一個區(qū)段光纖故障，可分為3種情況。

（1）一區(qū)段只有備用光纖的故障，其故障的概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

（2）一區(qū)段只有主用光纖故障，其故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

（3）一區(qū)段兩光纖都故障，其故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

3）有兩個區(qū)段光纖故障，可分為3種情況。

（1）兩個區(qū)段都是兩條主備光纖同時故障，其故障概率

此時SDH環(huán)網(wǎng)不可用。

（2）兩個區(qū)段都是只有一條光纖故障，可分為3種情況。

①故障區(qū)段都是主用光纖故障，此種情況的故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

②故障區(qū)段都是備用光纖故障，此種情況的故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

③一個故障區(qū)段主用光纖故障，另一個區(qū)段備用光纖故障，此種情況的故障概率為

此時會出現(xiàn)某一節(jié)點不能向另一或幾個節(jié)點發(fā)送信息，或者某一節(jié)點不能接收另一或幾個節(jié)點的信息，故SDH環(huán)網(wǎng)不可用。

（3）一個區(qū)段主備光纖都故障，另一區(qū)段一條光纖故障。其故障概率

此種故障比③所述故障更為嚴重，故SDH環(huán)網(wǎng)不可用。

故光纖系統(tǒng)的可用度為

SDH環(huán)網(wǎng)的可用度為

2.2 星型網(wǎng)可靠性評估

區(qū)域網(wǎng)絡可采用星形或者環(huán)形，環(huán)網(wǎng)的狀態(tài)空間已由上文給出，下面討論區(qū)域網(wǎng)為星形結(jié)構的可靠性模型。星形網(wǎng)絡中所有子站均和區(qū)域保護中心連接，其結(jié)構如圖4所示，圖中SDH設備之間均有兩條光纖通信，IU4為區(qū)域保護中心的通信接口。

圖4 星形網(wǎng)絡Fig.4 Star network

建立2個SDH設備間光纖的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。圖中λL、μL分別為一區(qū)段一路光纖的獨立失效率和修復率，λ1為一區(qū)段兩路光纖的共模失效率，設P=[P0P1P2]為3個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率矩陣，因此光纖的可用度為ALi=P0+P1。

圖5 星型網(wǎng)絡單區(qū)段光纖的Markov模型Fig.5 Markov model for the star network of one sector

可以看出，2個SDH設備之間兩條光纖都失效，區(qū)域網(wǎng)絡失效，只要某一SDH設備失效或每路光纖失效，區(qū)域網(wǎng)絡就失效，設n為子站的個數(shù)，于是星型網(wǎng)絡的可用度為

整個分層區(qū)域式廣域保護通信網(wǎng)的可用度為

圖6 IEEE14母線系統(tǒng)Fig.6 IEEE 14 bus system

3 算例分析

以圖6所示IEEE14母線系統(tǒng)為例，建立一個廣域保護通信網(wǎng)進行可靠性分析。目前電力數(shù)據(jù)網(wǎng)一般通過復合地線光纜或自承式光纜相連，通信鏈路與輸電線并行，有輸電線路相連的變電站之間就有通信鏈路。圖6將通信系統(tǒng)分為3個區(qū)域，站2、4分別作為區(qū)域1、2的保護中心，將站5作為系統(tǒng)保護中心，也作為區(qū)域3的區(qū)域保護中心。站2、4、5以環(huán)網(wǎng)連接，組成通信主干網(wǎng)，各區(qū)域網(wǎng)絡為星形連接?？煽啃曰A參數(shù)如表1所示。

設SDH網(wǎng)通信光纖修復時間為48 h，SDH接口的故障修復時間為24 h。通信網(wǎng)可靠性計算結(jié)果如表2所示。

表1 元件的可靠性數(shù)據(jù)Tab.1 Reliability data of components （10-6 h-1）

表2 廣域保護通信網(wǎng)可靠性計算結(jié)果Tab.2 Reliability results of WAPS communication network

式中：Azg為主干網(wǎng)的可用度，一般Azg=ARNET；Aqyj為編號為j的區(qū)域網(wǎng)的可用度，若區(qū)域網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)則Aqyj=ARNET；若區(qū)域網(wǎng)為星網(wǎng)則Aqyj=ASNET；k為區(qū)域網(wǎng)的數(shù)目。

可見雖然光纖的故障率高于接口，但是采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)通道保護功能減小了光纖的故障對環(huán)網(wǎng)可靠性的影響，因此要提高SDH環(huán)網(wǎng)的可靠性應重點提高接口的可靠性。在星型網(wǎng)和自愈環(huán)網(wǎng)接口數(shù)目相同的條件下，雖然自愈環(huán)網(wǎng)光纖數(shù)目比星型網(wǎng)多，但是自愈環(huán)網(wǎng)的可靠性卻比星型網(wǎng)的可靠性高，由式（19）得整個分層區(qū)域式廣域保護通信網(wǎng)的可用度為0.999 034。

4 結(jié)語

分層區(qū)域式廣域保護集中了分布式、集中式廣域保護的優(yōu)點，對分層區(qū)域式廣域保護通信網(wǎng)絡的可靠性評估一方面可以為尋找影響網(wǎng)絡可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為主干網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)絡的規(guī)劃設計提供參考依據(jù)，如當某一區(qū)域網(wǎng)變電站和發(fā)電廠數(shù)目達到一定數(shù)目時，采用星型網(wǎng)連接可靠性不能滿足要求，則可采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)連接；另一方面也可為通信系統(tǒng)的風險評估提供基本的概率信息。

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