電力OTN業(yè)務風險影響因素的相關性分析

丁慧霞,陳希,王法寧,張穎,劉革,高會生

(1.中國電力科學研究院,北京 100192; 2.華北電力大學,河北保定 071003;3.四川省電力公司信息通信公司,成都 610041)

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電力OTN業(yè)務風險影響因素的相關性分析

丁慧霞1,陳希1,王法寧2,張穎3,劉革3,高會生2

(1.中國電力科學研究院,北京 100192; 2.華北電力大學,河北保定 071003;
3.四川省電力公司信息通信公司,成都 610041)

摘要:電力OTN(光傳送網(wǎng))的業(yè)務風險與鏈路和節(jié)點的失效概率以及業(yè)務路徑配置類型存在復雜的依賴關系。為了確定不同因素對業(yè)務風險的影響程度,需要采用有效的方法對業(yè)務風險及其影響因素進行相關性分析。文章首先給出了電力OTN業(yè)務風險模型和分析方法,并針對鏈路和節(jié)點失效場景進行了業(yè)務風險分析;然后確定了6項業(yè)務風險影響指標,并采用Spearman秩相關系數(shù)法對影響指標與業(yè)務風險間的相關性進行了分析;最后實例驗證了風險分析和相關性分析算法的可行性。研究結論對電力OTN業(yè)務風險評估以及業(yè)務路徑優(yōu)化配置具有參考價值。

關鍵詞:業(yè)務風險分析;電力通信網(wǎng);光傳送網(wǎng);風險影響因素;相關性分析

0　引 言

OTN(光傳送網(wǎng))發(fā)揮同步數(shù)字體系和波分復用技術的優(yōu)勢,擴展了網(wǎng)絡帶寬,提高了管理維護能力,并且可以對以太網(wǎng)業(yè)務進行高效透明傳輸。電力通信網(wǎng)利用OTN的技術優(yōu)勢,在地區(qū)調度與省調度之間構建了大容量骨干網(wǎng)。隨著OTN技術在電力通信網(wǎng)中的廣泛應用,人們研究了電力OTN的傳輸性能[1]、交叉技術[2]、保護機制[3]和故障定位[4]等問題。電力OTN作為骨干通信網(wǎng),承載著大容量的電力通信業(yè)務,網(wǎng)絡節(jié)點或鏈路的失效會造成業(yè)務的嚴重損失,進一步影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,從而使電力OTN存在業(yè)務風險。針對OTN的風險管理問題,文獻[5]闡述了通信網(wǎng)在設計和運行階段考慮業(yè)務風險的必要性。骨干通信網(wǎng)的風險研究包括基于風險的光網(wǎng)絡彈性設計[6],基于風險的網(wǎng)絡配置策略優(yōu)化[7],網(wǎng)絡業(yè)務風險均衡[8]和電力通信網(wǎng)風險綜合評價方法[9]。上述研究成果在一定程度上解決了OTN業(yè)務風險的分析與評估問題,但是沒有涉及業(yè)務配置方式給定條件下的網(wǎng)絡業(yè)務風險分析和影響因素相關性分析問題。本文給出了電力OTN的業(yè)務風險模型和風險分析方法;統(tǒng)計了鏈路失效直接影響和間接影響業(yè)務數(shù)量、節(jié)點失效直接影響和間接影響業(yè)務數(shù)量等風險影響因素指標;對OTN業(yè)務風險與指標作了相關性分析,得到不同指標對網(wǎng)絡業(yè)務風險的影響程度。

1　電力OTN業(yè)務風險及相關性分析

1.1電力OTN業(yè)務風險模型

電力OTN業(yè)務風險事件是指光纖鏈路或網(wǎng)絡節(jié)點的失效事件組合。第i個事件組合的發(fā)生概率為psi,失效事件發(fā)生后導致電力OTN的業(yè)務損失為ci。考慮到電力OTN屬于高可靠性網(wǎng)絡,在同一時刻僅有一條鏈路或一個節(jié)點失效,這樣全網(wǎng)可能出現(xiàn)的失效事件組合數(shù)量N近似等于鏈路和節(jié)點數(shù)之和。風險事件場景si與鏈路或節(jié)點具有對應關系,si可以表示為第i個鏈路或節(jié)點失效而其他均正常的事件。電力OTN的業(yè)務風險可表示為

式中,R為網(wǎng)絡整體業(yè)務風險,Ri為風險事件場景si的業(yè)務風險。si發(fā)生的概率為

式中,pi和pj為鏈路或節(jié)點的失效概率;NE為鏈路數(shù)與節(jié)點數(shù)之和。

考慮光放大器的影響,電力OTN第i條光纖鏈路的失效概率LFPi可表示為

式中,rL為單位長度光纜的平均不失效概率,rA為光放大器的不失效概率,mAi為光纖鏈路上光放大器的配置個數(shù),li為光纜長度(單位為km)。

節(jié)點是指電力OTN中的光通信設備。由于光通信設備失效后可以通過維修使其功能得以恢復,所以第i個節(jié)點的失效概率NFPi可表示為

式中,λi為第i個節(jié)點的失效率,μi為第i個節(jié)點的修復率。

電力OTN業(yè)務通常采用3種配置類型,分別是單路徑無保護、完全雙路徑1+1保護和部分雙路徑1+1保護。業(yè)務損失是指業(yè)務配置路徑中第i個鏈路或節(jié)點NEi由正常轉換為失效導致業(yè)務j不失效概率降低的程度,記為δij,表示為

式中,fj(·)為業(yè)務j的不失效概率函數(shù),r為業(yè)務j路徑中所包含鏈路或節(jié)點的不失效概率數(shù)組,fj(r)為業(yè)務j的不失效概率。0i表示r中第i個元素取0值時的不失效概率數(shù)組,fj(0i)為第i個元素失效時業(yè)務j的不失效概率。

當鏈路或節(jié)點不屬于業(yè)務j的路徑集合時, δij=0;當鏈路或節(jié)點屬于業(yè)務j的單路徑集合時, δij=fj(r);當鏈路或節(jié)點屬于業(yè)務j的保護路徑集合時,δij由業(yè)務路徑配置方式?jīng)Q定。第i個鏈路或節(jié)點失效造成的OTN總業(yè)務損失為

式中,M為網(wǎng)絡配置的業(yè)務總數(shù)。

1.2業(yè)務風險影響因素

本文重點考慮LFP、NFP、鏈路失效直接影響業(yè)務數(shù)量、鏈路失效間接影響業(yè)務數(shù)量、節(jié)點失效直接影響業(yè)務數(shù)量和節(jié)點失效間接影響業(yè)務數(shù)量等6個影響因素。

鏈路失效直接影響業(yè)務數(shù)量是指導致完全失效的業(yè)務數(shù)量,記為NLDi;鏈路失效間接影響業(yè)務數(shù)量是指不會導致完全失效的業(yè)務數(shù)量,記為NLIi;節(jié)點失效直接影響業(yè)務數(shù)量是指直接導致完全失效的業(yè)務數(shù)量,記為NNDi;節(jié)點失效間接影響業(yè)務數(shù)量是指不會導致完全失效的業(yè)務數(shù)量,記為NNIi。

1.3相關性分析

設樣本向量X和Y,其樣本數(shù)均為n,第i個觀察值Xi和Yi的秩分別為xi和yi,秩的差記為di= xi-yi,X和Y的Spearman秩相關系數(shù)為

設電力OTN包含NL條鏈路,第i條鏈路的失效概率為LFPi,該條鏈路的業(yè)務風險為Ri,秩的差為dLFP,i,那么LFPi與Ri之間的Spear man秩相關系數(shù)ρLFP可由式(7)求得。同理,可以得到NFPi、NLDi、NLIi、NNDi和NNIi等5個影響因素指標與業(yè)務風險值的Spearman秩相關系數(shù),分別記為ρNFP、ρNLD、ρNLI、ρNND和ρNNI。

2　算法描述

業(yè)務風險分析及影響因素相關性分析算法包括如下步驟:

(1)統(tǒng)計業(yè)務數(shù)據(jù)。鏈路數(shù)據(jù)包括鏈路數(shù)、光纜長度li、光纜單位長度的不失效概率rL、每條鏈路上光放大器的個數(shù)mAi以及光放大器的不失效概率rA等。節(jié)點數(shù)據(jù)包括節(jié)點數(shù)、節(jié)點失效率λi和節(jié)點修復率μi等。業(yè)務數(shù)據(jù)包括業(yè)務數(shù)M、每條業(yè)務的配置類型和業(yè)務路徑與鏈路、節(jié)點的對應關系等。

(2)計算失效概率。根據(jù)式(3)計算LFPi,則光纖鏈路的不失效概率為1-LFPi。根據(jù)式(4)計算NFPi,則節(jié)點的不失效概率為1-NFPi。

(3)計算風險事件概率。根據(jù)式(2)計算風險事件發(fā)生的概率,用概率向量P=(psi)N×1表示。

(4)計算業(yè)務損失。根據(jù)式(5)計算第i個鏈路或節(jié)點失效對第j條業(yè)務產生的損失δij,其中,i= 1,2,…,N,j=1,2,…,M;計算業(yè)務損失矩陣Δ= (δij)N×M。根據(jù)式(6),對矩陣Δ按行對列求和,得到全網(wǎng)業(yè)務損失向量C=(ci)N×1。

(5)計算業(yè)務風險。根據(jù)式(1)計算全網(wǎng)業(yè)務風險R。

(6)統(tǒng)計業(yè)務風險影響指標。對業(yè)務配置數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,得到鏈路或節(jié)點的NLDi、NLIi、NNDi和NNIi。

(7)相關性分析。利用Spearman秩相關系數(shù)分析法對業(yè)務風險R與LFPi、NFPi、NLDi、NLIi、NNDi和NNIi等指標進行相關分析。由式(7)得到6個影響因素的Spearman秩相關系數(shù)ρLFP、ρNFP、ρNLD、ρNLI、ρNND和ρNNI。

3　算 例

本文以國家電網(wǎng)大容量骨干傳輸網(wǎng)為例對所提出的算法進行驗證。全網(wǎng)共有289個站點,其中包括164個OTN站點和125個線路光放站點。光纜有206條,主要以24芯光纜為主,少部分線路采用16、36或48芯光纜。全網(wǎng)共配置153條業(yè)務,其中單路徑業(yè)務45條,完全雙路徑1+1保護業(yè)務57 條,部分雙路徑1+1保護業(yè)務51條。

3.1業(yè)務風險分析

根據(jù)式(3),并設rL=0.999 99、rA=0.999 99,已知每條光纖配置的光放大器數(shù)量和長度,可計算光鏈路的失效概率和不失效概率。節(jié)點的不失效概率服從[0.999,0.999 9]范圍內的均勻分布。根據(jù)算法步驟(1)～(5),得到鏈路和節(jié)點的業(yè)務風險分析結果分別如圖1和圖2所示。

圖1　鏈路的業(yè)務風險變化

從圖1可以看出,不同鏈路具有不同的業(yè)務風險,大部分業(yè)務風險值集中在0～0.005之間。鏈路業(yè)務風險均值為0.001 8,均方差為5.85×10-6。由圖2可以看出,大部分節(jié)點業(yè)務風險值集中在0～ 0.003之間。節(jié)點業(yè)務風險均值為0.001 4,均方差為1.60×10-6。

圖2　節(jié)點的業(yè)務風險變化

3.2影響因素相關性分析

根據(jù)算法步驟(6)和(7),對全網(wǎng)業(yè)務風險R與LFPi、NFPi、NLDi、NLIi、NNDi和NNIi等影響因素之間的相關性進行分析。利用SPSS軟件實現(xiàn)相關分析,計算結果如表1所示。

表1　Spearman秩相關系數(shù)

經(jīng)顯著性檢驗,表1中給出的Spearman秩相關系數(shù)均在0.01水平(雙側)上顯著相關?？梢钥闯?LFP和NND對業(yè)務風險的Spearman秩相關系數(shù)分別為0.788和0.715,在0.5～0.8之間,屬于中度相關。其他4個相關系數(shù)均<0.5,屬于弱相關。由相關系數(shù)的大小可知,鏈路對業(yè)務風險的影響程度由強到弱依次為ρLFP>ρNLD>ρNLI;節(jié)點對業(yè)務風險的影響程度由強到弱依次為ρNND> ρNFP>ρNNI,影響最為顯著的是配置業(yè)務數(shù)量最多的節(jié)點,而不是NFPi。

4　結束語

本文通過電力OTN業(yè)務風險分析,研究了LFP、NFP、鏈路失效直接影響業(yè)務數(shù)量、鏈路失效間接影響業(yè)務數(shù)量、節(jié)點失效直接影響業(yè)務數(shù)量和節(jié)點失效間接影響業(yè)務數(shù)量等6項風險影響因素指標與業(yè)務風險的相關性。研究表明,在單路徑上的LFP和節(jié)點承載的業(yè)務數(shù)量對電力OTN業(yè)務風險具有最為顯著的影響,而在主備用路徑上的鏈路和節(jié)點承載的業(yè)務數(shù)量對業(yè)務風險卻具有較弱的影響。研究結論對電力OTN業(yè)務風險評估以及業(yè)務路徑優(yōu)化配置具有參考價值。下一步工作是根據(jù)相關分析結果建立業(yè)務風險評估指標體系,簡化風險評估過程,實現(xiàn)有效的電力OTN業(yè)務風險管理。

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Correlation Analysis of Electric Power OTN Service Riskfactors

DING Hui-xia1,CHEN Xi1,WANG Fa-ning2,ZHANG Ying3,LIU Ge3,GAO Hui-sheng2
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China; 2.North China Electric Power University, Baoding 071003,China; 3.Information and Communication Company of Sichuan Grid,Chengdu 610041,China)

Abstract:There exist complex dependencies between electric power Optical Transport Network(OTN)service risk factors and link or node failure probability and type of service path configuration.In order to determine the influence degree of different factors on the service risks,it is necessary to adopt effective methods to analyze the correlation of service risks and their influence factors.This paper first gives the service risk model and the analytical approaches and analyzes the service risks in the failure scenario of the links or nodes.Then,it defines six service risk influence indicesand analyzes the correlation between the influence indices and the service risks using the Spearman’s rank correlation coefficient method.Finally,it verifies the feasibility of risk analysis and correlation analysis algorithmin practical cases.The research conclusions have certain reference value to OTN service risk assessment and service path optimized configuration.

Key words:service risk analysis;electric power communication network;OTN;risk influence factor;correlation analysis

中圖分類號:TN915

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0001-03

收稿日期:2015-07-20

基金項目:國家電網(wǎng)科技項目資助(XX71-14-046)

作者簡介:丁慧霞(1981-),女,河南新鄉(xiāng)人。高級工程師,碩士研究生,主要研究方向為電力光纖通信技術的研究應用。

通信作者:王法寧,碩士研究生。E-mail:wfn_ncepu@163.com

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.001