電力系統(tǒng)可靠性的電力通信系統(tǒng)可靠性研究

電力系統(tǒng)可靠性的電力通信系統(tǒng)可靠性研究

0國內(nèi)外關(guān)于通信系統(tǒng)可靠性的研究現(xiàn)狀電力通信為電源的規(guī)劃、管理和管理提供了廣泛的技術(shù)支持，并盡可能滿足各部門的通信要求。因此,電力通信已被納入到電力生產(chǎn)的安全考核項(xiàng)目中。近年來,電力系統(tǒng)重大安全事故時(shí)有發(fā)生,引發(fā)了關(guān)于廣域安全的深入研究,即從保護(hù)電網(wǎng)整體或區(qū)域電網(wǎng)的角度出發(fā),保證整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,這同時(shí)也對電力通信系統(tǒng)的安全可靠性提出了新的要求。因此,研究電力通信系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型和方法,對提高和保障電力系統(tǒng)的整體可靠性將起到十分重要的作用。電力通信系統(tǒng)可靠性問題既有一般通信系統(tǒng)的共性,又有其自身特點(diǎn)。目前國內(nèi)外關(guān)于通信系統(tǒng)可靠性的研究尚顯不足,國內(nèi)的研究主要集中在通信電源系統(tǒng)的可靠性研究、總線系統(tǒng)的可靠性研究以及通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃匝芯?國外則主要集中在通信系統(tǒng)可靠性算法的研究(包括布爾代數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遞歸算法等)和系統(tǒng)的可靠性分析[8,9,10,11,12,13,14]。由此可見,目前針對電力通信系統(tǒng)可靠性的研究相對較少,其可靠性模型以及系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)方法均有待進(jìn)一步的深入研究。1網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估通信系統(tǒng)可靠性是指在人為或非人為的外來破壞以及內(nèi)在老化的作用下,網(wǎng)絡(luò)在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)的生存能力。無論是在網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)還是運(yùn)行維護(hù)階段,可靠性都是一個(gè)重要的技術(shù)性能指標(biāo)。抗毀性和生存性是最早提出的兩個(gè)與可靠性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)的抗毀性表征了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在人為作用下網(wǎng)絡(luò)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)的生存性一般用連通概率表示。網(wǎng)絡(luò)的有效性是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)性能的可靠性指標(biāo),表征了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)部件失效條件下滿足通訊性能要求的程度。通信系統(tǒng)可靠性評(píng)估,通常采用平均故障間隔時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailure)、平均運(yùn)行(無故障)時(shí)間MTTF(MeanTimetoFailure)、平均修復(fù)時(shí)間MTTR(MeanTimetoRestore)以及可用度A、不可用度U來衡量,其關(guān)系為:其中:λi為元件i的故障率;μi為元件i的修復(fù)率。一般在計(jì)算中,各個(gè)元件或任務(wù)功能模塊的壽命函數(shù)服從指數(shù)分布,則有:其中:Ri為元件i的可靠度,λi、μi同前。2電力通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和可靠性模型2.1系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)的專用網(wǎng),是一個(gè)包含多種通信設(shè)備,多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有電力系統(tǒng)行業(yè)特色的通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò),電力通信網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀是多種設(shè)備共存、多種網(wǎng)絡(luò)互通、多種監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。電力通信系統(tǒng)可靠性受到通信設(shè)備類型、運(yùn)行方式以及工作環(huán)境等三個(gè)方面影響因素,針對系統(tǒng)安全可靠性薄弱環(huán)節(jié)的要求,可采用冗余技術(shù)、N+1備用、主備用方式、人工切換方式、自動(dòng)報(bào)警尋呼、改善運(yùn)行環(huán)境、采用高可靠性設(shè)備等措施來提高電力通信系統(tǒng)的安全可靠性。相關(guān)文獻(xiàn)[18,19,20,21,22,23,24]介紹了基于SDH自愈環(huán)結(jié)構(gòu)的電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基于多Agent技術(shù)的電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等等。限于篇幅,本文只介紹常用的基于SDH自愈環(huán)結(jié)構(gòu)的電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。2.2系統(tǒng)可靠性評(píng)估電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)的基本思路:采用MTBF、MTTF、MTTR等參數(shù)評(píng)估基礎(chǔ)產(chǎn)品(包括設(shè)備、儀器、硬軟件平臺(tái))的可靠性,采用非冗余系統(tǒng)、完全冗余系統(tǒng)、部分冗余系統(tǒng)以及備用系統(tǒng)來評(píng)估系統(tǒng)或分系統(tǒng)的可靠性,然后根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性水平。2.2.1系統(tǒng)的失效—非冗余系統(tǒng)非冗余系統(tǒng),即串聯(lián)系統(tǒng)。由N個(gè)獨(dú)立元件或獨(dú)立任務(wù)功能模塊組成的系統(tǒng),只有當(dāng)N個(gè)元件或任務(wù)功能模塊都正常工作,系統(tǒng)才能正常工作;系統(tǒng)中任何一個(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)壽命為第一個(gè)出現(xiàn)故障的元件或任務(wù)功能模塊的壽命。此時(shí),系統(tǒng)可靠度RS、可用度AS以及MTTFS為:2.2.2系統(tǒng)壽命完全冗余系統(tǒng),即并聯(lián)系統(tǒng)。由N個(gè)獨(dú)立元件或獨(dú)立任務(wù)功能模塊組成的系統(tǒng),只要系統(tǒng)中有一個(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。此時(shí),系統(tǒng)可靠度RS、可用度AS以及MTTFS為:2.2.3可靠度和可用度部分冗余系統(tǒng),是指由N個(gè)獨(dú)立元件或具有獨(dú)立任務(wù)功能模塊組成的系統(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)。假設(shè)系統(tǒng)N個(gè)元件或任務(wù)功能模塊具有相同的可靠度和可用度。此時(shí),系統(tǒng)可靠度RS、可用度AS以及MTTFS為:其中:R0、A0為N個(gè)相同元件的可靠度和可用度。2.2.4故障監(jiān)測和轉(zhuǎn)換裝置可靠性分析備用系統(tǒng),或稱旁聯(lián)系統(tǒng),是指系統(tǒng)中存在多個(gè)完全功能相同的元件或任務(wù)功能模塊,當(dāng)其中一個(gè)失效后,通過故障監(jiān)測或轉(zhuǎn)換裝置使得另外一個(gè)承接失效元件功能而投入運(yùn)行;只有主用系統(tǒng)與所有備用系統(tǒng)的同時(shí)故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。系統(tǒng)壽命為所有元件或任務(wù)功能模塊的壽命之和。假定故障監(jiān)測或轉(zhuǎn)換裝置均能夠可靠動(dòng)作,即為理想切換狀態(tài)。此時(shí),假設(shè)各個(gè)元件相同,則系統(tǒng)的可靠度為:以兩備用(記做1和2)為例,系統(tǒng)可用度AS、MTTFS為:若故障監(jiān)測或轉(zhuǎn)換裝置不能實(shí)現(xiàn)理想切換,則對系統(tǒng)的可靠性會(huì)產(chǎn)生影響。因此在可靠性要求較高的系統(tǒng)中,對故障監(jiān)測或轉(zhuǎn)換裝置的可靠性有嚴(yán)格要求。若考慮非理想切換,則在表達(dá)式中相應(yīng)位置引入故障監(jiān)測或轉(zhuǎn)換裝置的可靠度即可。2.3控子站及其數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可用度對于圖1所示的電力通信網(wǎng)絡(luò)而言,不同規(guī)模的電網(wǎng)其變電站的數(shù)目不等,且是相互獨(dú)立的并聯(lián)關(guān)系。對主站系統(tǒng)而言,一般采用主、備用方式來提高其可靠性水平。對于SDH環(huán)而言,由于具有良好的自愈性和網(wǎng)絡(luò)性,網(wǎng)絡(luò)生存性極強(qiáng)。而對于電力信息網(wǎng)絡(luò)的完整性要求而言,取只有同時(shí)接受到大于某一規(guī)定值數(shù)目的監(jiān)控子站的信息數(shù)據(jù),才能滿足要求。假設(shè)各元件的可用度:測量裝置A1、控制裝置A2、監(jiān)控子站A3、網(wǎng)橋A4、SDH環(huán)A5、網(wǎng)橋群A6、ATM交換機(jī)A7、主站系統(tǒng)(主、備用設(shè)備完全相同)A8、EMS通信接口A9(其下腳標(biāo)分別在圖6中表示相應(yīng)的元件)。圖1中虛線框中的子系統(tǒng)(記做子系統(tǒng)X),模塊1與模塊2并聯(lián)后再與模塊3、4串聯(lián),根據(jù)式(8)、(11)得到子系統(tǒng)X的可用度AX:對于各并聯(lián)變電站信息完整度要求,系統(tǒng)中有n個(gè)變電站,假設(shè)要求至少接受不小于m個(gè)變電站的數(shù)據(jù)。依據(jù)式(14),得到m/n子系統(tǒng)(記做子系統(tǒng)Y)的可用度AY:主站系統(tǒng)為兩備用系統(tǒng),根據(jù)式(18),得到主站系統(tǒng)(記做子系統(tǒng)Z)的可用度AZ:綜上,圖1所示的典型電力通信系統(tǒng)(記做系統(tǒng)S)的可用度AS為:由上式看到,進(jìn)行等效以后此典型電力通信系統(tǒng)為一串聯(lián)模型,其中子系統(tǒng)Y、子系統(tǒng)Z以及元件5因冗余、備用及自愈功能而具有較高的可靠性,故影響系統(tǒng)可靠性水平的關(guān)鍵在于元件6、7、9的可靠性水平。3可靠性與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)系在上述分析的基礎(chǔ)上,利用系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的可用度數(shù)據(jù)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。表1為結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行的假設(shè)數(shù)據(jù)。表2為根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算得到的子系統(tǒng)及系統(tǒng)的可用度。從電力通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及計(jì)算結(jié)果,可以看到,網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)主要在網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)且無備用的任務(wù)功能模塊,其可靠性程度的高低對系統(tǒng)可靠性影響較大,故應(yīng)保證此類元件的可靠性水平或采用相應(yīng)的冗余系統(tǒng)。對于表決系統(tǒng)而言,高階事故的小概率性使得其可靠性水平得以保證。對于主站系統(tǒng),備用系統(tǒng)的存在大大提高了其整體可靠性,但同時(shí)需要加強(qiáng)切換裝置的可靠性水平。同時(shí),電力通信系統(tǒng)的可靠性不僅與元件或任務(wù)功能模塊本身的可靠性有關(guān),而且與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。提高系統(tǒng)中元件或任務(wù)功能模塊的可靠性水平,改善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用合理的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議都可以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)可靠性的目的。4系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證