電力通信網(wǎng)可靠性模型研究

電力通信網(wǎng)可靠性模型研究

0電力通信網(wǎng)可靠性評(píng)估電力網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)和級(jí)別。任何錯(cuò)誤都會(huì)影響通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。因此,對(duì)電力通信網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。電力通信網(wǎng)可靠性評(píng)估方法研究的目的是構(gòu)建可靠性模型,計(jì)算分析網(wǎng)絡(luò)的可靠性,以此消除造成網(wǎng)絡(luò)可靠性下降的各種故障和擁塞,提高通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量,更好地滿足電網(wǎng)生產(chǎn)和管理對(duì)電力通信的需求[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。智能電網(wǎng)需要通信系統(tǒng)為支撐完成其重要職責(zé)[11,12,13,14,15,16,17,18]。所以,研究電力通信網(wǎng)可靠性模型及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,對(duì)于保障智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行特別重要。1可靠性數(shù)學(xué)模型電力通信網(wǎng)按照其組成和結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)抽象構(gòu)建可靠性模型。該模型依據(jù)可靠性邏輯關(guān)系可劃分為串聯(lián)非冗余、并聯(lián)冗余、備份冗余、表決、非串行/非并行混合和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于單功能或多功能系統(tǒng),用普通的概率關(guān)系式,包括全概率公式,擬定可靠性數(shù)學(xué)模型,并以此來(lái)表述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠度、失效概率和平均故障間隔時(shí)間(MeanTimetoFailure,MTTF)。需要說(shuō)明的是以下模型是基于不可修復(fù)系統(tǒng)的,即如果在工作任務(wù)周期的任何期間內(nèi)失效后,不可能修復(fù)到無(wú)故障狀態(tài)的系統(tǒng)。對(duì)于可修復(fù)系統(tǒng),考慮到系統(tǒng)維修性和可用性,系統(tǒng)功能的可靠性方法必須修改。1.1系統(tǒng)正常工作串聯(lián)非冗余系統(tǒng)是由N個(gè)獨(dú)立元件或獨(dú)立任務(wù)功能模塊組成,只有當(dāng)N個(gè)元件或任務(wù)功能模塊都正常工作時(shí),系統(tǒng)才能正常工作;系統(tǒng)中任何1個(gè)元件或任務(wù)功能模塊的失效,都會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)的失效。系統(tǒng)壽命為第1個(gè)出現(xiàn)故障的元件或任務(wù)功能模塊的壽命。實(shí)際系統(tǒng)中的1+0單電源設(shè)備屬于該類型。設(shè)xi,Mi(1≤i≤k)分別為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠正常工作、第i個(gè)模塊能夠正常工作的概率。每個(gè)子模塊正常工作的概率表示為:系統(tǒng)S的可靠性為:1.2單元失效,系統(tǒng)壽命并聯(lián)冗余系統(tǒng)是由N個(gè)獨(dú)立元件或獨(dú)立任務(wù)功能模塊組成,只要系統(tǒng)中有1個(gè)元件或任務(wù)功能模塊正常工作,系統(tǒng)就能正常工作;只有系統(tǒng)中全部元件或任務(wù)功能模塊都失效,系統(tǒng)才失效。系統(tǒng)壽命為系統(tǒng)中N個(gè)并聯(lián)元件或任務(wù)功能模塊中最好的元件或任務(wù)功能模塊的壽命。實(shí)際系統(tǒng)中的1+1雙電源設(shè)備屬于該類型。對(duì)于由A、B模塊組成的簡(jiǎn)單并聯(lián)冗余系統(tǒng),假設(shè)單元的失效是獨(dú)立的,即任何一個(gè)單元的失效不影響其他單元的狀態(tài),系統(tǒng)有以下4種狀態(tài):(1)A和B工作—系統(tǒng)工作;(2)A工作,B失效—系統(tǒng)工作;(3)A失效,B工作—系統(tǒng)工作;(4)A和B失效—系統(tǒng)失效。因?yàn)橹挥?種失效狀態(tài),根據(jù)系統(tǒng)的失效概率FS可計(jì)算RS。系統(tǒng)的可靠度為:1.3冗余備份系統(tǒng)1臺(tái)設(shè)備處于工作狀態(tài),同時(shí)有n-1臺(tái)設(shè)備處于備份狀態(tài)。用轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測(cè)工作設(shè)備的失效,并能在工作設(shè)備發(fā)生失效的瞬間,自動(dòng)轉(zhuǎn)向備用設(shè)備的系統(tǒng)為冗余(備份)系統(tǒng)。備份設(shè)備失效率和工作設(shè)備失效率相等時(shí)為熱備份;備份失效率等于0時(shí)為冷備份。實(shí)際系統(tǒng)中的1∶n設(shè)備板卡屬于該類型,1∶1備份為特殊情形。在轉(zhuǎn)換開關(guān)安全可靠的條件下,熱備份系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型與并聯(lián)系統(tǒng)相同。冷備份系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為:式中:各單元失效率同為常數(shù)λ。1.4擇多判決設(shè)備M/N表決系統(tǒng)指由N個(gè)獨(dú)立元件或具有獨(dú)立任務(wù)功能的模塊組成的系統(tǒng),只有系統(tǒng)中正常工作元件或任務(wù)功能模塊數(shù)不小于某一閾值(假定為M),系統(tǒng)才能正常工作,亦稱為M/N表決系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)中的擇多判決設(shè)備屬于該類型。如A、B、C3個(gè)設(shè)備,按多數(shù)表決冗余系統(tǒng)業(yè)務(wù)建立的可靠性數(shù)學(xué)模型為:式中:Rv為表決比較器的可靠性。1.5非串/非并行結(jié)構(gòu)的混合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)多為非串行、非并行的混合系統(tǒng),不能直接看成是一些模塊或子系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的串/并行連接而成。但可應(yīng)用一定的算法重構(gòu)為簡(jiǎn)單的串/并行系統(tǒng),等效的進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(MESH)架構(gòu)光纜系統(tǒng)屬于該類型。非串/非并行結(jié)構(gòu)的混合系統(tǒng)如圖1所示。其可靠性計(jì)算,可按照某一個(gè)模塊進(jìn)行展開,逐步分解成串并/并串系統(tǒng),然后利用對(duì)串并/并串系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。一般被選取的模塊應(yīng)具有關(guān)鍵的特點(diǎn),即通過(guò)該模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解,可以是將復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛑苯舆M(jìn)行可靠性計(jì)算的串并/并串系統(tǒng)。模塊B正常運(yùn)行的系統(tǒng)仍是復(fù)雜系統(tǒng),模塊B故障是并串系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解如圖2所示。當(dāng)模塊B正常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)進(jìn)一步分解為模塊C正常運(yùn)行和發(fā)生故障2種情況。模塊B正常運(yùn)行時(shí)模塊C的分解如圖3所示。假設(shè)模塊C為單向?qū)ㄔ?則:整個(gè)系統(tǒng)的可靠性為:假設(shè)所有模塊的可靠性同為R,則:1.6任務(wù)可靠性如圖2復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性關(guān)系本質(zhì)上屬于串/并混合系統(tǒng)可靠性關(guān)系,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仍然為全概率公式。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型,如圖4所示。當(dāng)設(shè)備A及設(shè)備C1或C2工作,或設(shè)備B1及C1工作,或設(shè)備B2及C2工作時(shí),系統(tǒng)完成任務(wù)。相同字母表述同型設(shè)備,即:B1=B2,C1=C2。用全概率公式表示為:任何復(fù)雜的任務(wù)可靠性框圖都可采用與此相同的程序,反復(fù)應(yīng)用全概率公式來(lái)化簡(jiǎn)和求解。多功能系統(tǒng)中如果每個(gè)功能在時(shí)間上是獨(dú)立的,即或是按時(shí)間順序執(zhí)行,或是從不同時(shí)使用,那么按上述單功能系統(tǒng)分別處理每項(xiàng)功能。對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),可能要求串聯(lián)或并聯(lián)方式結(jié)合,所得框圖按單功能系統(tǒng)處理。當(dāng)1臺(tái)設(shè)備有多個(gè)功能時(shí),不能單獨(dú)處理1個(gè)功能。如設(shè)系統(tǒng)有2個(gè)功能,為完成一項(xiàng)任務(wù),2個(gè)功能都需要。第1個(gè)功能需設(shè)備A或B工作,第2個(gè)功能需要B或C工作。完成功能的可靠度為:但是,任務(wù)可靠度≠(PA+PB-PA·PB)·(PB+PC-PB·PC)。系統(tǒng)任務(wù)可靠性,如圖5所示。用全概率公式,注意重復(fù)單元B有PB2=PB,則任務(wù)可靠度為:1.7系統(tǒng)可靠性綜合模型電力通信網(wǎng)可靠性模型建立,要經(jīng)過(guò)電力通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和承載的業(yè)務(wù)分析,將鏈路的誤碼率指標(biāo)轉(zhuǎn)化為鏈路可靠度,依據(jù)可靠性邏輯關(guān)系,采用串聯(lián)非冗余、并聯(lián)冗余、備份冗余、表決、非串行/非并行混合和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)抽象,得到電力通信網(wǎng)的可靠性綜合模型。2rbd模型算法可靠性框圖(ReliabilityBlockDiagrams,RBD)模型指系統(tǒng)的可靠性框圖及其數(shù)學(xué)模型,由代表系統(tǒng)的方框、邏輯關(guān)系、連線和節(jié)點(diǎn)組成,是根據(jù)系統(tǒng)原理圖,在分析元、部件與系統(tǒng)功能關(guān)系基礎(chǔ)上繪制。RBD模型的算法有解析法、事件空間法和路徑追蹤法。電力通信網(wǎng)屬于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),其可靠性評(píng)估算法模型適合選用路徑追蹤法。綜合節(jié)點(diǎn)遍歷算法和不交化算法形成的路徑追蹤法算法,實(shí)現(xiàn)RBD模型算法。由于篇幅有限,在此不再展開。路徑追蹤法算法是確定1個(gè)源點(diǎn),1個(gè)宿點(diǎn),遍歷中間所有可能的路徑;系統(tǒng)的可靠性是這些路徑可靠性的并集。查找所有路徑的算法是計(jì)算可靠性的基礎(chǔ)。在圖論里,該問題屬圖的遍歷問題。遍歷指給定1個(gè)節(jié)點(diǎn),找到所有下級(jí)節(jié)點(diǎn),依次遞歸直至訪問到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。3真軟件—復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估仿真根據(jù)電力通信網(wǎng)可靠性模型和可靠性評(píng)估算法模型,開發(fā)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估仿真軟件—NetReliable。軟件屬性編輯窗口,如圖6所示。NetReliable軟件的界面包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具條、工作區(qū)窗口、編輯區(qū)窗口和狀態(tài)欄。仿真軟件功能包括網(wǎng)絡(luò)建模、分層管理、計(jì)算模型和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。4廣東電力通信網(wǎng)可靠性分析項(xiàng)目開發(fā)了應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估仿真軟件—NetReliable,結(jié)合2003—2008年廣東電力通信網(wǎng)的運(yùn)行狀況和歷史故障記錄,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)廣東電力通信網(wǎng)可靠性狀況評(píng)估的仿真分析。提出改善廣東省電力通信網(wǎng)可靠性的建議。實(shí)際運(yùn)行月報(bào)證明,文章提出的電力通信網(wǎng)可靠性評(píng)估方法及其仿真軟件,對(duì)加強(qiáng)電力通信網(wǎng)的可靠性,保障智能電網(wǎng)的建設(shè)和安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。1線性模件的編輯工具欄中選箭頭圖標(biāo)為建模過(guò)程的選中和編輯功能項(xiàng),新添模塊用矩形圖標(biāo),新添連線用線段圖標(biāo)。鼠標(biāo)左鍵雙擊模塊或連線,或右鍵單擊并選擇“屬性”,會(huì)彈出屬性編輯窗口,可以編輯其可靠性相關(guān)參數(shù),如名稱、可用性等。添加連線時(shí),連線的起始和終止點(diǎn)只能在模塊上,不支持沒有連接模塊的獨(dú)立連線存在。模塊可拖動(dòng)和縮放,移動(dòng)模塊時(shí),其連線也會(huì)自動(dòng)移動(dòng)。起始終止節(jié)點(diǎn)的設(shè)定,在模塊右鍵菜單中設(shè)置相關(guān)選項(xiàng),不作設(shè)置時(shí)默認(rèn)為中間節(jié)點(diǎn)。開始節(jié)點(diǎn)在左上角紅圈標(biāo)記,終止節(jié)點(diǎn)在右下角有紅圈標(biāo)記。2分布式拆分計(jì)算軟件為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)行分層簡(jiǎn)化計(jì)算思想,左邊樹控件為不同層次結(jié)構(gòu)間的切換分層概念是將某個(gè)復(fù)雜模塊或與其他部分沒有聯(lián)系的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拆分計(jì)算,將其虛擬為1個(gè)獨(dú)立模塊,從而提高計(jì)算的效率和速度。建立新層次,在選中某個(gè)模塊時(shí),點(diǎn)擊工具欄中向下箭頭即可新增1個(gè)層次,在該層中可繼續(xù)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入并進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算。該新層會(huì)自動(dòng)顯示在左邊層次樹中。向上箭頭為該模塊的上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。3指定節(jié)點(diǎn)間的可靠性綜合計(jì)算該程序支持2種計(jì)算模型:指定2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的可靠性和綜合分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可能性。工具欄中勾圖標(biāo)為進(jìn)行指定節(jié)點(diǎn)間的可靠性計(jì)算,分析圖標(biāo)為進(jìn)