基于ADC法的電力通信網(wǎng)效能評估模型

何玉鈞， 周生平， 劉 毅

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 河北 保定 071003)

基于ADC法的電力通信網(wǎng)效能評估模型

何玉鈞， 周生平， 劉 毅

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 河北 保定 071003)

針對電力通信網(wǎng)效能評估問題，采用ADC(可用性，可信賴性及能力)法建立電力通信網(wǎng)效能評估模型。該模型利用可用性向量、可信賴性矩陣和能力向量綜合評估網(wǎng)絡(luò)效能，其中為實現(xiàn)能力向量合理評估建立了電力通信網(wǎng)通信能力指標(biāo)體系。以某地區(qū)電力通信網(wǎng)效能評估為例，給出模型應(yīng)用實例。評估結(jié)果確定了該地區(qū)電力通信網(wǎng)效能級別，表明了網(wǎng)絡(luò)效能隨工作時間的增長呈下降趨勢，隨故障率的下降明顯升高。驗證了評估模型的有效性，證明該模型能夠為網(wǎng)絡(luò)運行維護提供參考。

電力通信網(wǎng)；效能評估；ADC；能力向量

0 引 言

電力通信網(wǎng)承擔(dān)了電力系統(tǒng)中的指揮調(diào)度以及信息傳輸?shù)墓δ埽瑸殡娏ο到y(tǒng)提供支撐與保障[1]。電力系統(tǒng)要求電力通信網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定高效運行，對電力通信網(wǎng)進行效能評估，可以幫助人們判斷電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀況并采取相應(yīng)措施，彌補網(wǎng)絡(luò)日常維護中的不足之處，提高網(wǎng)絡(luò)運行效能，因而對電力通信網(wǎng)進行效能評估具有重要意義。

文獻[2]以故障率模型為基礎(chǔ)建立電力通信網(wǎng)單元效能模型及網(wǎng)絡(luò)效能模型，但是僅從可靠性角度評估網(wǎng)絡(luò)效能并不全面。文獻[3]選取業(yè)務(wù)通道保障率、設(shè)備運行可靠性、資源等效利用率三類指標(biāo)衡量電力通信網(wǎng)效能，但是采用乘法算子將三個指標(biāo)集結(jié)造成評價結(jié)果存在一定不合理性。目前針對電力通信網(wǎng)效能評估缺乏更全面、有效的評估模型。

ADC效能評估模型由美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSEIAC)建立[4]，綜合考慮系統(tǒng)可用不可用、使用時可不可靠、及其能不能滿足需求三大本質(zhì)要素[5]。文獻[6]通過概率公式的推導(dǎo)，指出ADC效能評估法是全概率公式的推廣和應(yīng)用，效能指標(biāo)E是一個概率性指標(biāo)。文獻[7] 使用離散時間修復(fù)模型推導(dǎo)出考慮預(yù)防性維修的ADC效能評估模型。ADC效能評估模型層次清晰，利于理解計算，在很多領(lǐng)域均獲得廣泛應(yīng)用[8，9]。然而在電力通信網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，目前研究成果主要集中在研究網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險及脆弱性方面[10，11]，缺乏效能評估方法。因此本文采用ADC法建立電力通信網(wǎng)效能評估模型，全面考慮網(wǎng)絡(luò)可用性、可信賴性以及完成通信任務(wù)的能力，清晰地將效能E的計算分為可用性向量A，可信賴性矩陣D及能力向量C三部分，并給出具體計算公式。針對能力向量合理評估的難題，建立了通信能力評估指標(biāo)體系。最后通過某地區(qū)電力通信網(wǎng)數(shù)據(jù)驗證模型的可行性。

1 電力通信網(wǎng)效能評估模型

借鑒武器系統(tǒng)效能ADC模型，結(jié)合電力通信網(wǎng)的實際特點，建立如圖1所示電力通信網(wǎng)效能評估模型，模型解析表達式為

(1)

圖1 電力通信網(wǎng)效能評估模型Fig.1 Effectiveness evaluation model of electric power communication network

1.1 可用性向量

針對電力通信網(wǎng)，設(shè)定其只有兩種狀態(tài)：工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。則電力通信網(wǎng)的可用性向量可表示為

(2)

式中：a1表示電力通信網(wǎng)在開始運行時處于正常工作狀態(tài)的概率(即可用度)；a2表示在開始運行時處于發(fā)生故障狀態(tài)的概率(即不可用度)。在可用性行向量中：

(3)

(4)

式中：MTBFs為電力通信網(wǎng)的平均故障間隔時間；MTTRs為電力通信網(wǎng)絡(luò)的平均故障修復(fù)時間。

1.2 可信賴性矩陣

針對只有正常工作和發(fā)生故障2種狀態(tài)的電力通信網(wǎng)，可信賴矩陣為

(5)

(6)

1.3 能力向量

能力向量反映電力通信網(wǎng)在各個可用狀態(tài)下完成通信任務(wù)的程度。由于電力通信網(wǎng)在運行過程中只有工作和故障2種狀態(tài)，因此其能力向量可以表示為

(7)

式中：P表示網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)時完成通信任務(wù)的概率，是網(wǎng)絡(luò)性能的集中體現(xiàn)。

2 能力向量的建模與計算

根據(jù)現(xiàn)有電力通信規(guī)范、月報、管理系統(tǒng)和調(diào)研所得電網(wǎng)公司應(yīng)用中的指標(biāo)[12，13]，給出了如圖2所示的電力通信網(wǎng)通信能力評估指標(biāo)的框架，從網(wǎng)絡(luò)固有通信能力，運行能力和管理能力三個方面來分析網(wǎng)絡(luò)通信能力。

圖2 電力通信網(wǎng)通信能力指標(biāo)Fig.2 Communication capability index of electric power communication network

2.1 固有通信能力

電力通信網(wǎng)固有通信能力選取指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓撲可靠性C11、設(shè)備采用共享保護環(huán)比例C12、光通信覆蓋率C13、光纜纖芯資源平均利用率C14及系統(tǒng)等效155M通道利用率C15綜合體現(xiàn)。其中網(wǎng)絡(luò)拓撲可靠性C11利用節(jié)點及鏈路重要度，依據(jù)電力通信網(wǎng)拓撲連接屬性計算[14]。通過生成樹法[15]得到節(jié)點重要度rvi及鏈路歸一化重要度rej，為了便于計算，其中鏈路重要度是歸一化結(jié)果：

(8)

式中：wej表示鏈路刪除法計算所得鏈路重要度；m表示網(wǎng)絡(luò)中鏈路數(shù)目。定義Uvi為節(jié)點vi以不同路徑與其他各個節(jié)點通信的可靠性測度：

(9)

式中：Li表示節(jié)點vi以不同傳輸路徑到達其余各個節(jié)點經(jīng)過鏈路的重要度之和：

(10)

式中：n表示電力通信網(wǎng)絡(luò)拓撲中節(jié)點總數(shù)；Pmax表示節(jié)點vi與節(jié)點vj的通信路徑總數(shù)；Qmax表示節(jié)點vi與節(jié)點vj的第k條通信路徑的鏈路總數(shù)，ret表示節(jié)點vi與節(jié)點vj的第k條通信路徑中第t條鏈路的重要度。

最后得到網(wǎng)絡(luò)拓撲可靠性測度C11:

(11)

設(shè)備采用共享保護環(huán)比例C12通過所轄范圍內(nèi)處于共享保護環(huán)狀態(tài)下設(shè)備的比例體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性：

(12)

隨著電力通信網(wǎng)規(guī)模的增大，網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)模成為衡量網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平的重要方面，選取光通信覆蓋率C13體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)模。光通信覆蓋率能夠反映光通信服務(wù)的覆蓋范圍和能力，計算公式為

(13)

電力通信網(wǎng)中光纜光芯、波道、設(shè)備端口等是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的基本通信資源，電力通信網(wǎng)的資源效率可以反映出通信資源的使用情況以及網(wǎng)絡(luò)的通信容量。選取光纜纖芯資源平均利用率及系統(tǒng)等效155 M通道利用率這兩個指標(biāo)綜合體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用情況。光纜纖芯資源平均利用率C14計算公式為

(14)

將系統(tǒng)開通業(yè)務(wù)的鏈路容量等效為155 M通道容量，則系統(tǒng)等效155 M通道利用率C15計算公式為

(15)

2.2 運行能力

網(wǎng)絡(luò)的運行能力保障了網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量，確定運行能力指標(biāo)是電力通信網(wǎng)平穩(wěn)運行的必然條件。通過資源故障指標(biāo)：設(shè)備故障間隔率C21及光纜段故障間隔率C22和業(yè)務(wù)承載指標(biāo)：業(yè)務(wù)通道平均故障間隔比率C23、業(yè)務(wù)通道平均誤碼率C24、平均失效業(yè)務(wù)比C25、平均影響業(yè)務(wù)比C26共同反映網(wǎng)絡(luò)運行水平。

設(shè)備故障間隔率C21可以綜合體現(xiàn)設(shè)備故障、維護、數(shù)量的情況，有效反映設(shè)備運行能力：

(16)

式中：m是表示電力通信網(wǎng)中通信設(shè)備的數(shù)量；T表示統(tǒng)計周期，min；TSDi表示設(shè)備i例行維護停運時長；TFODi表示設(shè)備i故障持續(xù)時間；NFODi表示設(shè)備i故障發(fā)生次數(shù)。

光纜段故障間隔率C22表示光纜段間發(fā)生故障之間的間隔概率：

(17)

式中：n表示電力通信網(wǎng)中光纜段的數(shù)量；T表示統(tǒng)計周期，min；TSFj表示光纜段j例行維護停運時長；TFOFj表示光纜段j故障持續(xù)時長;NFOFj表示光纜段j故障發(fā)生次數(shù)。

業(yè)務(wù)通道平均故障間隔比率C23表示業(yè)務(wù)通道平均發(fā)生故障的間隔比率：

(18)

式中：TF表示業(yè)務(wù)通道中斷時長；TSF表示業(yè)務(wù)通道檢修中斷時長；N表示業(yè)務(wù)通道總數(shù)量；T表示統(tǒng)計周期；NF表示業(yè)務(wù)通道中斷總次數(shù)。

業(yè)務(wù)通道平均誤碼率C24是衡量業(yè)務(wù)傳輸準(zhǔn)確性的指標(biāo)：

(19)

式中：N表示業(yè)務(wù)通道總數(shù)量；SERi表示業(yè)務(wù)通道i的誤碼率。由于電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸對誤碼率要求較高，通常不大于10-5，因此將誤碼率放大104倍作為評估指標(biāo)C24。

以文獻[16]所提平均失效業(yè)務(wù)比C25、平均影響業(yè)務(wù)比C26反映網(wǎng)絡(luò)實際業(yè)務(wù)損失情況和網(wǎng)絡(luò)潛在業(yè)務(wù)損失。

(20)

式中：NM表示故障次數(shù)；t1i和t2i分別表示第i次故障的起始時間和結(jié)束時間。瞬時失效業(yè)務(wù)比F(t)通過下式計算：

(21)

式中：x表示評價發(fā)生時刻的網(wǎng)絡(luò)故障；W(x)表示由故障x劃分所得的失效通道集；U表示通道的全體；y和z分別表示某指定通道；a表示通道類型因素；b表示通道速率因素；c表示通道可靠性因素；f(t)表示業(yè)務(wù)量對時間的分布函數(shù)因素，t表示評價發(fā)生的時刻。

(22)

瞬時影響業(yè)務(wù)比I(t)通過下式計算：

(23)

式中：A(x)表示由故障x劃分所得的影響通道集，其余參數(shù)定義同上。

2.3 管理能力

電力通信網(wǎng)的管理能力對于保障通信網(wǎng)業(yè)務(wù)運營以及提高電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量具有重要作用。選取指標(biāo)檢修計劃完成率C31、實際交班比例C32及缺陷歸檔率C33三個指標(biāo)綜合衡量網(wǎng)絡(luò)管理能力。檢修計劃完成率C31對檢修計劃完成情況做量化分析，反映網(wǎng)絡(luò)檢修管理能力：

(24)

實際交班比例C32通過統(tǒng)計實交班次數(shù)反映值班管理能力：

(25)

電力通信網(wǎng)的缺陷管理能力通過統(tǒng)計缺陷單歸檔情況，選取指標(biāo)缺陷歸檔率C33衡量：

(26)

根據(jù)圖1所示通信能力指標(biāo)，利用層次分析法得到各個指標(biāo)權(quán)重，加權(quán)合成計算能力向量：

(27)

(28)

3 模型應(yīng)用

應(yīng)用上述所提評估模型對某地區(qū)電力通信網(wǎng)進行效能計算。電力通信網(wǎng)效能E=A·D·C,下面對可用性向量A，可信賴性矩陣D及能力向量C分別計算。

3.1 有效性向量計算

根據(jù)某地區(qū)電力通信網(wǎng)平均故障間隔時間(MTBFs)不小于120天，網(wǎng)絡(luò)故障平均修復(fù)時間(MTTRs)小于1天，網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時間T=30天，利用式(3)、(4)計算相應(yīng)有效性向量：

3.2 可信賴性矩陣計算

3.3 能力向量計算

據(jù)式(27)、(28)對各個能力指標(biāo)進行具體計算。

該地區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3所示，圖中所示節(jié)點及鏈路重要度計算結(jié)果如表1、表2所示。

圖3 電力通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of a power communication network

利用式(8)～(11)計算得網(wǎng)絡(luò)拓撲可靠性測度C11=68.1%

其他指標(biāo)的計算參數(shù)如表3所示。

由表3所示參數(shù)，根據(jù)式(12)～(22)及該地區(qū)實際情況可計算其余指標(biāo)如表4所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點重要度

表2 網(wǎng)絡(luò)中鏈路重要度

表3 能力向量指標(biāo)計算參數(shù)

表4 能力向量指標(biāo)計算結(jié)果

根據(jù)層次分析法得各層能力指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重：[α1,α2,α3]=[0.4,0.4,0.2]；[β11,β12,β13,β14,β15]=[0.28,0.26,0.17,0.13,0.16]；[β21,β22,β23,β24,β25,β26]=[0.1,0.3,0.2,0.2, 0.1,0.1]；[β31,β32,β33]=[0.4,0.2,0.4]根據(jù)式(23)、(24)計算可得P=0.840 4。則能力矩陣C為

3.4 網(wǎng)絡(luò)效能計算

由式(1)可計算

該模型效能計算結(jié)果在0～1范圍內(nèi)。由于在電力通信網(wǎng)中e-μT的值通常非常小，即d21通常為0，效能值E主要取決于a1，d11與c1的乘積，因此可以將效能評估結(jié)果分為優(yōu)，良，中，合格，差5個等級，對應(yīng)的效能值區(qū)間為0.93≤E<1， 0.83≤E<0.93， 0.73≤E<0.83， 0.63≤E<0.73， 0

通過計算結(jié)果顯示該地區(qū)電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)效能評估結(jié)果為良，網(wǎng)絡(luò)效能較高，原因主要是電力通信網(wǎng)平均故障修復(fù)時間較短，可用度較高；且網(wǎng)絡(luò)完成通信任務(wù)的能力較強。圖4是該地區(qū)電力通信網(wǎng)絡(luò)效能隨著工作時間增長而變化的曲線。

圖4 網(wǎng)絡(luò)效能隨時間變化曲線Fig.4 Network efficiency over time

由圖4可知，該地區(qū)電力通信網(wǎng)效能隨工作時間增長呈下降趨勢，主要原因是網(wǎng)絡(luò)可信賴性隨時間增長下降明顯，且在其余指標(biāo)參數(shù)不變的情況下，可用性向量及能力向量變化不大。通過降低網(wǎng)絡(luò)故障率分析網(wǎng)絡(luò)效能變化如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)效能隨故障率λ變化曲線Fig.5 Network efficiency over failure rate λ

由圖5可知，在持續(xù)工作時間為常數(shù)時，網(wǎng)絡(luò)效能值E隨故障率的下降明顯升高。在持續(xù)工作時間為30天的情況下，λ值降為原值0.5倍時，效能評估結(jié)果即為優(yōu)。從圖4、圖5可以看出，評估結(jié)果顯示該地區(qū)電力通信網(wǎng)效能隨工作時間的增長逐漸下降，隨故障率的降低明顯升高，與現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的效能變化吻合，變化趨勢合理，驗證了評估模型的有效性。

4 結(jié) 論

針對電力通信網(wǎng)合理準(zhǔn)確效能評估問題，采用ADC法建立電力通信網(wǎng)效能評估模型。模型通過可用性向量A、可信賴性矩陣D及能力向量C的組合得到網(wǎng)絡(luò)效能E。通過某地區(qū)電力通信網(wǎng)效能評估實例可得，該地區(qū)網(wǎng)絡(luò)效能等級為良，效能值較高，隨著工作時間的增長網(wǎng)絡(luò)效能逐漸下降，隨著故障率的降低網(wǎng)絡(luò)效能呈上升趨勢。評估結(jié)果驗證了模型能夠客觀反映網(wǎng)絡(luò)效能變化，為網(wǎng)絡(luò)運維工作提供指導(dǎo)。

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Effectiveness Evaluation Model of Electric Power Communication Network Based on ADC Method

HE Yujun, ZHOU Shengping, LIU Yi

(School of Electricd and Electronic Engineering , North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

A new model is proposed on the basis of ADC(Availability，Dependability and Capability) method to solve the problem of effectiveness evaluation in electric power communication network. The model utilizes availability vector, dependability matrix and capacity vector to make comprehensive evaluation of network effectiveness. Communication capability index system of electric power communication network is established to make reasonable evaluation of capability vector. Model application is obtained by taking an example of a certain electric power communication network of an area. The results showed the level of power electric communication network, which indicates that the effectiveness will decrease as working time increases, thus the fault rate will rise sharply. The results verify the effectiveness of the evaluation model and prove that the model can provide reference for network operation maintenance.

electric power communication network; effectiveness evaluation; ADC method; capacity vector

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.12

2016-03-28.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(13MS64).

TN915.85

A

1007-2691(2017)01-0076-06

何玉鈞(1974-)，男，副教授，研究領(lǐng)域為電力通信網(wǎng)管理、安全風(fēng)險評估；周生平(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力通信網(wǎng)跨層融合評估；劉毅(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險評估。