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)可靠性評估電力網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有一個復(fù)雜的技術(shù)和級別。任何錯誤都會影響通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，嚴重威脅電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行。因此,對電力通信網(wǎng)進行可靠性評估具有非?，F(xiàn)實的意義。電力通信網(wǎng)可靠性評估方法研究的目的是構(gòu)建可靠性模型,計算分析網(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)運行質(zhì)量,更好地滿足電網(wǎng)生產(chǎn)和管理對電力通信的需求[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,對于保障智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行特別重要。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間(MeanTimetoFailure,MTTF)。需要說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)到無故障狀態(tài)的系統(tǒng)。對于可修復(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個獨立元件或獨立任務(wù)功能模塊組成,只有當(dāng)N個元件或任務(wù)功能模塊都正常工作時,系統(tǒng)才能正常工作;系統(tǒng)中任何1個元件或任務(wù)功能模塊的失效,都會導(dǎo)致該系統(tǒng)的失效。系統(tǒng)壽命為第1個出現(xiàn)故障的元件或任務(wù)功能模塊的壽命。實際系統(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個節(jié)點能夠正常工作、第i個模塊能夠正常工作的概率。每個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個獨立元件或獨立任務(wù)功能模塊組成,只要系統(tǒng)中有1個元件或任務(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。實際系統(tǒng)中的1+1雙電源設(shè)備屬于該類型。對于由A、B模塊組成的簡單并聯(lián)冗余系統(tǒng),假設(shè)單元的失效是獨立的,即任何一個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。因為只有1種失效狀態(tài),根據(jù)系統(tǒng)的失效概率FS可計算RS。系統(tǒng)的可靠度為:1.3冗余備份系統(tǒng)1臺設(shè)備處于工作狀態(tài),同時有n-1臺設(shè)備處于備份狀態(tài)。用轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測工作設(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)備失效率相等時為熱備份;備份失效率等于0時為冷備份。實際系統(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個獨立元件或具有獨立任務(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)。實際系統(tǒng)中的擇多判決設(shè)備屬于該類型。如A、B、C3個設(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)由簡單的串/并行連接而成。但可應(yīng)用一定的算法重構(gòu)為簡單的串/并行系統(tǒng),等效的進行計算。實際應(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。其可靠性計算,可按照某一個模塊進行展開,逐步分解成串并/并串系統(tǒng),然后利用對串并/并串系統(tǒng)可靠性計算方法進行計算。一般被選取的模塊應(yīng)具有關(guān)鍵的特點,即通過該模塊對系統(tǒng)進行分解,可以是將復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛑苯舆M行可靠性計算的串并/并串系統(tǒng)。模塊B正常運行的系統(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正常運行時,系統(tǒng)進一步分解為模塊C正常運行和發(fā)生故障2種情況。模塊B正常運行時模塊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,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)用全概率公式來化簡和求解。多功能系統(tǒng)中如果每個功能在時間上是獨立的,即或是按時間順序執(zhí)行,或是從不同時使用,那么按上述單功能系統(tǒng)分別處理每項功能。對系統(tǒng)來說,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臺設(shè)備有多個功能時,不能單獨處理1個功能。如設(shè)系統(tǒng)有2個功能,為完成一項任務(wù),2個功能都需要。第1個功能需設(shè)備A或B工作,第2個功能需要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)過電力通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和承載的業(yè)務(wù)分析,將鏈路的誤碼率指標轉(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),其可靠性評估算法模型適合選用路徑追蹤法。綜合節(jié)點遍歷算法和不交化算法形成的路徑追蹤法算法,實現(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個源點,1個宿點,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個節(jié)點,找到所有下級節(jié)點,依次遞歸直至訪問到目標節(jié)點。3真軟件—復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評估仿真根據(jù)電力通信網(wǎng)可靠性模型和可靠性評估算法模型,開發(fā)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評估仿真軟件—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、計算模型和數(shù)據(jù)存儲。4廣東電力通信網(wǎng)可靠性分析項目開發(fā)了應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評估仿真軟件—NetReliable,結(jié)合2003—2008年廣東電力通信網(wǎng)的運行狀況和歷史故障記錄,實現(xiàn)對整個廣東電力通信網(wǎng)可靠性狀況評估的仿真分析。提出改善廣東省電力通信網(wǎng)可靠性的建議。實際運行月報證明,文章提出的電力通信網(wǎng)可靠性評估方法及其仿真軟件,對加強電力通信網(wǎng)的可靠性,保障智能電網(wǎng)的建設(shè)和安全穩(wěn)定運行有重要的理論和實用價值。1線性模件的編輯工具欄中選箭頭圖標為建模過程的選中和編輯功能項,新添模塊用矩形圖標,新添連線用線段圖標。鼠標左鍵雙擊模塊或連線,或右鍵單擊并選擇“屬性”,會彈出屬性編輯窗口,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,連線的起始和終止點只能在模塊上,不支持沒有連接模塊的獨立連線存在。模塊可拖動和縮放,移動模塊時,其連線也會自動移動。起始終止節(jié)點的設(shè)定,在模塊右鍵菜單中設(shè)置相關(guān)選項,不作設(shè)置時默認為中間節(jié)點。開始節(jié)點在左上角紅圈標記,終止節(jié)點在右下角有紅圈標記。2分布式拆分計算軟件為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實行分層簡化計算思想,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復(fù)雜模塊或與其他部分沒有聯(lián)系的獨立網(wǎng)絡(luò)進行拆分計算,將其虛擬為1個獨立模塊,從而提高計算的效率和速度。建立新層次,在選中某個模塊時,點擊工具欄中向下箭頭即可新增1個層次,在該層中可繼續(xù)進行拓撲結(jié)構(gòu)的輸入并進行獨立計算。該新層會自動顯示在左邊層次樹中。向上箭頭為該模塊的上一級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖。3指定節(jié)點間的可靠性綜合計算該程序支持2種計算模型:指定2個節(jié)點間的可靠性和綜合分析整個網(wǎng)絡(luò)的可能性。工具欄中勾圖標為進行指定節(jié)點間的可靠性計算,分析圖標為進