電力通信網(wǎng)可靠性評估方法研究

電力通信網(wǎng)可靠性評估方法研究

0電力通信網(wǎng)可靠性研究隨著能源公司的不斷發(fā)展，對電網(wǎng)正常運行網(wǎng)絡(luò)的依賴越來越大。電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、調(diào)度等環(huán)節(jié)正常運行所需交互的大量信息都需要經(jīng)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。這對電網(wǎng)通信網(wǎng)的可靠性提出了相當(dāng)高的要求,也使得電力通信網(wǎng)的可靠性研究被放在了一個非常重要的位置。電力通信網(wǎng)可靠性指電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備在一定條件下、一定時間內(nèi)無故障執(zhí)行指定功能的能力或可能性。文章采用可行性研究方法,在故障率基礎(chǔ)之上引入效能,建立電力通信網(wǎng)絡(luò)效能模型,以效能模型來反映電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。1生產(chǎn)力1.1基于時變模型的選擇基于效能的可靠性模型研究以故障率模型為基礎(chǔ)。故障率模型分為故障率時變系統(tǒng)模型和故障率時不變系統(tǒng)模型,如圖1所示。圖1中曲線(1)是時變模型的故障率變化曲線。從圖1中可以看出,時變模型的故障率是一個隨時間不斷發(fā)生變化的變量,故障率通常都要經(jīng)歷一個由高到低,直至穩(wěn)定,最后再由穩(wěn)定逐漸升高的過程。由圖1可知,從時刻s開始,大量部件同時投入使用,在s到τ之間,網(wǎng)絡(luò)部件失效較多,故障率α較高但呈現(xiàn)一個逐漸下降的趨勢,這個階段是部件試用或老化的過程。在τ~r之間,網(wǎng)絡(luò)部件失效的較少,故障率α最低,并接近常量,此階段可視為正常使用期。在r之后,失效的組件開始增多,故障率α逐漸上升,這個階段屬于網(wǎng)絡(luò)部件的衰竭期。在定量描述過程中,常采用weibull函數(shù)來對上述時變模型的故障率曲線進行量化分析,如(1)式所示(1)式中:a,b,c是形狀系數(shù),可經(jīng)實測某一時刻的具體故障率獲得;α是正常使用期的故障率,可由故障率函數(shù)α(t)在時間τ處的連續(xù)性求得。圖1中曲線(2)是故障率時不變模型變化曲線。從圖1中可見,時不變模型的故障率是一個不隨時間發(fā)生變化的恒值。在采用量化分析時,可用(2)式描述。1.2平均修復(fù)時間,mttir檢測在故障率模型中,平均無故障時間(meantimebetweenfailures,MTBF)指某一部件兩次故障間的平均間隔時間,也即此部件能夠無故障運行的平均時間。平均修復(fù)時間(meantimetorepair,MTTR)指可修復(fù)系統(tǒng)中某一部件在上一次無故障運行結(jié)束到下次無故障運行開始的平均時間間隔。MTTR及MTBF與修復(fù)率β及前文所述故障率α及之間存在下述關(guān)系在故障率時不變模型中,由(3)式所得平均故障率就是部件的實時故障率。在故障率時變模型中,由(3)式所得平均故障率是指部件進入穩(wěn)定期之后的實時故障率,即時間段τ→r的故障率,并不能代表其他時間段的故障率。1.3平均無故障時間在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中,某一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)單元往往由內(nèi)存、硬盤、CPU等諸多組件共同組成,而其故障率則由這些組件共同決定。此集成單元的平均無故障時間MTBF可按(5)式求得。(5)式中:Rk表示此設(shè)備中組件k的MTBF;N表示該設(shè)備所包含的部件數(shù)量。結(jié)合(3)式得此集成系統(tǒng)的平均故障率如(6)式所示從(6)式可以看出,即使網(wǎng)絡(luò)單元組件都具有高的可操作生命周期,但大量部件集成后勢必造成集成單元的故障率升高,從而引起其可靠性下降。2效率模型2.1網(wǎng)元效能與網(wǎng)元可靠性的定量計算理論研究中,實際網(wǎng)絡(luò)常被抽象為圖,圖中的點和線分別表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點及鏈路。在效能模型中,我們定義網(wǎng)元包括網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點和鏈路。節(jié)點及鏈路的效能分別指節(jié)點和鏈路當(dāng)前能完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的能力占其最大有效能力的比值。其中,節(jié)點效能反映了節(jié)點處理能力的大小,而鏈路的效能則反映了鏈路所承擔(dān)的流量大小的能力。從上述定義可知,網(wǎng)元效能與網(wǎng)元可靠性在本質(zhì)上是一致的,兩者之間存在線性關(guān)系,通過網(wǎng)元效能的定量計算可以定量的表示網(wǎng)元的可靠度。根據(jù)文獻中系統(tǒng)可靠度的定義方法,結(jié)合效能的概念,對可修復(fù)系統(tǒng)可定義其網(wǎng)絡(luò)單元的效能如(7)式所示(7)式中:β為修復(fù)率,是與時間無關(guān)的常量;α(t)為故障率,在故障率時不變系統(tǒng)中α(t)是一個常數(shù),在故障率時變系統(tǒng)中其值的變化如圖1所示。此效能模型同時適用于網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點和單鏈路的網(wǎng)絡(luò)單元。利用公式(1),(2),(7)聯(lián)合求解,分別可得故障率時不變及時變系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)單元的效能。2.2網(wǎng)絡(luò)總的鏈路效能網(wǎng)絡(luò)效能指網(wǎng)絡(luò)正常通信時的全網(wǎng)效能,計算網(wǎng)絡(luò)效能首先要求網(wǎng)絡(luò)有效,即網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點能夠鏈路進行通信。網(wǎng)絡(luò)效能HNet(t)可由網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點效能和鏈路效能經(jīng)計算獲得,如(8)式所示(8)式中:HNode(t)表示網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點效能;HLink(t)表示網(wǎng)絡(luò)中總的鏈路效能。網(wǎng)絡(luò)有效必須保證在鏈路可靠的情況下網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點之間均可進行通信,若網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點效能為0,則網(wǎng)絡(luò)失效。對于網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點效能HNode(t)可根據(jù)(9)式獲得。(9)式中:HNodei(t)是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點i的效能,而m則表示網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點個數(shù)。網(wǎng)絡(luò)有效同樣必須保證網(wǎng)絡(luò)中有i條鏈路有效,且這i條有效鏈路必須能夠連接所有節(jié)點。其中,i滿足i≥(m-1)。綜上,網(wǎng)絡(luò)總的鏈路效能可以用(10)式表示為(10)式中:k表示網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)目;Ps表示網(wǎng)絡(luò)中有s條有效鏈路和k-s條無效鏈路,且這s條有效鏈路連接了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)數(shù);Hlinkj(t)為s條有效鏈路中鏈路i的效能;Hlinkj(t)為k-s條失效鏈路中鏈路j的效能。3網(wǎng)絡(luò)能效與網(wǎng)絡(luò)效能本文中我們采用在智能電網(wǎng)配電通信網(wǎng)絡(luò)得到廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(ethernetpassiveopticalnetwork,EPON),作為仿真拓?fù)?。如圖2a所示,由于電網(wǎng)正常運行在社會民生中的重要性,對其配電通信網(wǎng)絡(luò)中的EPON通常采用1+1保護模式,來保證通信的正常。圖2b是配電通信網(wǎng)中未使用1+1保護的傳統(tǒng)EPON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假設(shè)圖2中各節(jié)點均包含組件CPU、硬盤、主板及內(nèi)存,且各組件的MTBF分別為2×105,1×105,1×104,1×105(在實際網(wǎng)絡(luò)中,Spliter是一個無源獨立體,無組件,為方便仿真,假設(shè)與其他節(jié)點一致)。根據(jù)公式(4)可以得到圖2里面各節(jié)點的集成MTBF為8×103。圖2中鏈路因受節(jié)點處理能力、線纜質(zhì)量等因素影響較大,所以可直接假設(shè)其MTBF為8×104。在故障率模型中,系統(tǒng)從時刻τ開始進入穩(wěn)定運行期,此時系統(tǒng)效能為1。假設(shè)τ=0,r=8000,a=2,c=500,且平均修復(fù)率與平均故障率之間存在β=4α的關(guān)系。根據(jù)上述假設(shè)及前文各類關(guān)系式,得效能模型各類仿真結(jié)果如圖3所示。圖3是故障率時變系統(tǒng)中網(wǎng)元(節(jié)點和鏈路)效能隨時間變化的曲線。圖3中,在t到達8000h之前網(wǎng)絡(luò)效能緩慢下降,而當(dāng)t達到8000h以后,網(wǎng)絡(luò)單元的效能出現(xiàn)了急劇的下降。上述現(xiàn)象是因為8000h是故障率時變系統(tǒng)中系統(tǒng)運行的穩(wěn)定期與衰竭期之間在時間上的臨界點。在t到達8000h以前,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行期,各網(wǎng)絡(luò)單元效能普遍較高,但當(dāng)系統(tǒng)進入衰竭期后,大量網(wǎng)絡(luò)單元開始出現(xiàn)故障,修復(fù)幾乎無法完成,導(dǎo)致其效能急劇下滑,并最終趨向于零。圖3中曲線能夠體現(xiàn)網(wǎng)元效能實時的量變情況,這正好吻合對網(wǎng)元可靠度隨時間變化情況進行定量描述的需求,可以反映網(wǎng)元的可靠性。另外,從圖3中還可以看出,鏈路效能曲線明顯高于節(jié)點的效能曲線,這是因為鏈路的MTBF要高于節(jié)點的MTBF,即鏈路的故障率較低,其可靠性必然高,從而反映為鏈路的效能高于節(jié)點效能。圖4分別是故障率時不變系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)單元效能隨時間的變化曲線。圖4中各網(wǎng)元的效能隨著時間的增加趨向于一個常數(shù),說明在故障時不變系統(tǒng)中各網(wǎng)元的可靠性隨著時間的變化也趨向于一個常數(shù)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于,在故障率時不變系統(tǒng)中網(wǎng)元的故障率是一個不隨時間發(fā)生變化的恒值。即隨著時間的增加,在任意固定時間段內(nèi)發(fā)生故障的網(wǎng)元數(shù)量是基本一致的,而此數(shù)量的故障單元可以得到及時修復(fù)。所以在如圖4所示曲線中就體現(xiàn)為網(wǎng)元的可靠性保持為恒值。另外圖4中鏈路效能曲線和圖3一樣,也是明顯高于節(jié)點的效能曲線。鑒于效能與可靠性的關(guān)系,該模型可通過網(wǎng)元的效能變化直接反映網(wǎng)元可靠性的變化情況,具有簡單明了的特點。圖5是故障率時變系統(tǒng)和故障率時不變系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)效能隨時間的變化曲線。從圖5中可以看出,無論是時變系統(tǒng)還是時不變系統(tǒng),隨著時間的變化其網(wǎng)絡(luò)效能均呈下降趨勢。從圖5中還可以看出,在時刻8000h之后時不變系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)效能趨向于常數(shù),而時變系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)效能發(fā)生急劇下降并趨向于零。這種變化是因為在時變系統(tǒng)中,當(dāng)時間達到臨界時刻r之后系統(tǒng)各網(wǎng)絡(luò)單元大量出現(xiàn)故障,導(dǎo)致全網(wǎng)效能出現(xiàn)了急劇下降。從兩種系統(tǒng)的曲線變化上來分析,由于時變模型隨著時間的增加逐漸趨向于零,所以更接近現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的效能變化,即采用故障率時變的效能模型能更好地反映網(wǎng)絡(luò)的可靠性變化。效能與可靠性的線性關(guān)系使得從圖5中可以直接反映網(wǎng)絡(luò)可靠性的變化情況,對效能的分析也適用于可靠性,即采用故障率事變的效能模型同樣能更好地反映網(wǎng)絡(luò)可靠性變化。圖6是時變系統(tǒng)在帶有1+1保護的EPON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎潞蜎]有任何保護的EPON拓?fù)湎碌木W(wǎng)絡(luò)效能隨時間的變化曲線。圖6中時變系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)效能曲線的整體變化與圖5中基本保持一致,但帶有1+1保護的網(wǎng)絡(luò)效能明顯高于不帶任何保護的網(wǎng)絡(luò)效能曲線。這是