電力通信網(wǎng)可靠性評(píng)估方法研究

電力通信網(wǎng)可靠性評(píng)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(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)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(yùn)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(jìn)行傳輸。這對(duì)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)變系統(tǒng)模型和故障率時(shí)不變系統(tǒng)模型,如圖1所示。圖1中曲線(1)是時(shí)變模型的故障率變化曲線。從圖1中可以看出,時(shí)變模型的故障率是一個(gè)隨時(shí)間不斷發(fā)生變化的變量,故障率通常都要經(jīng)歷一個(gè)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(shí)刻s開始,大量部件同時(shí)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(gè)逐漸下降的趨勢(shì),這個(gè)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(gè)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(duì)上述時(shí)變模型的故障率曲線進(jìn)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(shí)測(cè)某一時(shí)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(shí)間τ處的連續(xù)性求得。圖1中曲線(2)是故障率時(shí)不變模型變化曲線。從圖1中可見,時(shí)不變模型的故障率是一個(gè)不隨時(shí)間發(fā)生變化的恒值。在采用量化分析時(shí),可用(2)式描述。1.2平均修復(fù)時(shí)間,mttir檢測(cè)在故障率模型中,平均無故障時(shí)間(meantimebetweenfailures,MTBF)指某一部件兩次故障間的平均間隔時(shí)間,也即此部件能夠無故障運(yùn)行的平均時(shí)間。平均修復(fù)時(shí)間(meantimetorepair,MTTR)指可修復(fù)系統(tǒng)中某一部件在上一次無故障運(yùn)行結(jié)束到下次無故障運(yùn)行開始的平均時(shí)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(shí)不變模型中,由(3)式所得平均故障率就是部件的實(shí)時(shí)故障率。在故障率時(shí)變模型中,由(3)式所得平均故障率是指部件進(jìn)入穩(wěn)定期之后的實(shí)時(shí)故障率,即時(shí)間段τ→r的故障率,并不能代表其他時(shí)間段的故障率。1.3平均無故障時(shí)間在現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shì)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(jì)算理論研究中,實(shí)際網(wǎng)絡(luò)常被抽象為圖,圖中的點(diǎn)和線分別表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和鏈路。節(jié)點(diǎn)及鏈路的效能分別指節(jié)點(diǎn)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(diǎn)效能反映了節(jié)點(diǎn)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(jì)算可以定量的表示網(wǎng)元的可靠度。根據(jù)文獻(xiàn)中系統(tǒng)可靠度的定義方法,結(jié)合效能的概念,對(duì)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(shí)間無關(guān)的常量;α(t)為故障率,在故障率時(shí)不變系統(tǒng)中α(t)是一個(gè)常數(shù),在故障率時(shí)變系統(tǒng)中其值的變化如圖1所示。此效能模型同時(shí)適用于網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點(diǎn)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(shí)不變及時(shí)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(shí)的全網(wǎng)效能,計(jì)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(diǎn)能夠鏈路進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)效能HNet(t)可由網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)效能和鏈路效能經(jīng)計(jì)算獲得,如(8)式所示(8)式中:HNode(t)表示網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間均可進(jìn)行通信,若網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)效能為0,則網(wǎng)絡(luò)失效。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)i的效能,而m則表示網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點(diǎn)個(gè)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(diǎn)。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(diǎn)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(yùn)行在社會(huì)民生中的重要性,對(duì)其配電通信網(wǎng)絡(luò)中的EPON通常采用1+1保護(hù)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(hù)的傳統(tǒng)EPON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假設(shè)圖2中各節(jié)點(diǎn)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)中,Spliter是一個(gè)無源獨(dú)立體,無組件,為方便仿真,假設(shè)與其他節(jié)點(diǎn)一致)。根據(jù)公式(4)可以得到圖2里面各節(jié)點(diǎn)的集成MTBF為8×103。圖2中鏈路因受節(jié)點(diǎn)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(shí)刻τ開始進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期,此時(shí)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(shí)變系統(tǒng)中網(wǎng)元(節(jié)點(diǎn)和鏈路)效能隨時(shí)間變化的曲線。圖3中,在t到達(dá)8000h之前網(wǎng)絡(luò)效能緩慢下降,而當(dāng)t達(dá)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?yàn)?000h是故障率時(shí)變系統(tǒng)中系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定期與衰竭期之間在時(shí)間上的臨界點(diǎn)。在t到達(dá)8000h以前,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行期,各網(wǎng)絡(luò)單元效能普遍較高,但當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)時(shí)的量變情況,這正好吻合對(duì)網(wǎng)元可靠度隨時(shí)間變化情況進(jìn)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(diǎn)的效能曲線,這是因?yàn)殒溌返腗TBF要高于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)效能。圖4分別是故障率時(shí)不變系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)單元效能隨時(shí)間的變化曲線。圖4中各網(wǎng)元的效能隨著時(shí)間的增加趨向于一個(gè)常數(shù),說明在故障時(shí)不變系統(tǒng)中各網(wǎng)元的可靠性隨著時(shí)間的變化也趨向于一個(gè)常數(shù)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于,在故障率時(shí)不變系統(tǒng)中網(wǎng)元的故障率是一個(gè)不隨時(shí)間發(fā)生變化的恒值。即隨著時(shí)間的增加,在任意固定時(shí)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(shí)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(diǎn)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(jiǎn)單明了的特點(diǎn)。圖5是故障率時(shí)變系統(tǒng)和故障率時(shí)不變系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)效能隨時(shí)間的變化曲線。從圖5中可以看出,無論是時(shí)變系統(tǒng)還是時(shí)不變系統(tǒng),隨著時(shí)間的變化其網(wǎng)絡(luò)效能均呈下降趨勢(shì)。從圖5中還可以看出,在時(shí)刻8000h之后時(shí)不變系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)效能趨向于常數(shù),而時(shí)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?yàn)樵跁r(shí)變系統(tǒng)中,當(dāng)時(shí)間達(dá)到臨界時(shí)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(shí)變模型隨著時(shí)間的增加逐漸趨向于零,所以更接近現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的效能變化,即采用故障率時(shí)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(duì)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(shí)變系統(tǒng)在帶有1+1保護(hù)的EPON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎潞蜎]有任何保護(hù)的EPON拓?fù)湎碌木W(wǎng)絡(luò)效能隨時(shí)間的變化曲線。圖6中時(shí)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(hù)的網(wǎng)絡(luò)效能明顯高于不帶任何保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)效能曲線。這是