典型广域保护通信网络的信息传输可靠性评估

崇志强，戴志辉，焦彦军

（华北电力大学电力工程系，保定 071003）

随着电力需求的增长和电力系统的发展，电力系统运行和控制策略更加复杂，在传统保护系统日益不能完全满足电力系统安全、可靠运行要求的情况下，广域保护系统WAPS（wide area protection system）应运而生[1～3]。WAPS是通过现代通信技术获取电力系统中各点的实时信息、动态监控电力系统运行状况，综合分析、辨识可能给电力系统带来严重后果的扰动并采取相应控制措施以消除或减轻扰动所造成后果的一种电力控制保护系统[4～7]。依据广域保护系统决策方式大致可将广域保护系统划分为：集中式、分布式、分层区域式3种系统结构，其中分层区域式的保护系统由3层构成[5]，位于最底层的本地测控单元、位于中间层的区域决策层和位于最顶层的系统保护中心，其信息传输网由主干网和区域网构成。分层区域式广域保护既解决了集中式结构对保护中心的过度依赖，又可做到分布式广域保护做不到的全局最优决策。

光同步数字传输网SDH（synchronous digital hierarchy）具有统一的世界标准，灵活的同步复用方式，组成环网有着很强的自愈能力，自愈恢复时间一般为40～80ms，因此SDH光网络承载IP业务的自愈环网已经广泛应用广域保护系统通信网络[8～9]，广域保护系统功能必须依靠通信网络来实现，因此广域保护系统的可靠性很大程度上依赖于通信网的可靠性。目前有大量文献针对电力系统通信网络性能优化[10]、通信安全体系[11]等方面进行了探讨，对广域保护通信系统可靠性的研究还比较少，在评估区域网和主干网的可靠性也只是单从网络连通性来进行分析[12]，未详细分析信息的传输原理，因此本文考虑了信息传输原理来进行广域保护通信网的可靠性评估。

1 可靠性基本概念

失效率λ（t）失效率是指元件在时刻t之前处于正常工作状态，在时刻t之后单位时间内失效的次数，元件在时刻t的失效率λ（t）为

修复率μ（t）修复率是指元件在时刻t之前没有被修复，在时刻t之后单位时间内被修复的概率，元件在时刻t的修复率μ（t）为

可用度A（t）可用度是指元件在起始时刻正常工作的条件下，时刻t正常工作的概率，一般求解的是稳态可用度即

式中：MTTF为平均无故障时间；MTTR为平均故障修复时间；若系统或设备的故障分布为指数分布则其稳态可用度为

应用Markov状态空间法求解状态概率的一般步骤为：①根据所分析问题作出合理假设并定义每种状态的具体含义；②建立状态转移图，根据状态转移图建立状态转移矩阵；③建立并求解式（5）即可得到设备或者系统处于各状态的稳态概率。

式中：Q为状态转移率矩阵；P为稳态概率向量；Pi为第i个状态的稳态概率。

2 主干网和区域网的可靠性评估

分层区域式广域保护的通信网络主要分为两层，其中，主干网络用于连接系统保护中心SPC（system protection center）与区域保护中心LPC（local protection center），区域网络用于连接LPC与变电站和发电厂。目前电力系统通信主干网络主要采用SDH自愈环网，区域网络根据实际所连接的变电站和发电厂的类型和数目可以选择SDH星型网络和SDH环网。

2.1 SDH环网的可靠性评估

在工程应用中，常见的自愈环结构有通道保护环和复用段保护环，其中二纤单向通道保护环具有不需自动保护倒换协议APS（automatic protect switch），传输延时小等优点，在电力系统通信网中有着广泛的应用，故本文以二纤单向通道环网为例进行后续评估，其他类型的SDH自愈环网可靠性评估方法与二纤单向通道保护环网可靠性评估方法类似。

二纤单向通道环网由2路光纤组成两个环网，其中一路光纤为主用光纤，另一路为备用光纤。发送端同时向两路光纤发送信号，主用和备用光纤同时携带业务信号分别沿两个相反方向传输数据信号，接收端通过倒换开关选择接收其中信号质量好的一路光纤所携带的信号（一般情况下常选择主用光纤信号）。在主用光纤的某一段发生故障时，倒换开关倒换接收端接受信号的方式，光纤所携带的数据信号仍然可以通过备用光纤传送到各保护中心，其构成如图1所示。

图1 二纤单向通道SDH环网Fig.1 Single-direction，ring-structure and dual-passage SDH optic fiber network

复用模块、保护倒换模块组合在一起用通信接口IU（interface unit）表示。设主用光纤信号沿顺时针方向传输信号，备用光纤信号沿逆时针方向传输信号，任何一个接口故障都视为SDH通信主干环网故障，将影响信号在环网中的传输，而光纤系统的不同故障类型对SDH通信主干环网的影响不同，因此主干网的可靠性框图视为串联系统，如图2所示。

图2 SDH环网可用性框图Fig.2 Availability block diagram for SDH optic fiber network

由于倒换开关大都采用并联冗余结构可假设倒换开关绝对可靠。单个接口的可用度为

式中：μIU为接口的修复率；λIU为接口的故障率。

研究光纤系统的可靠性模型需建立每区段光纤的独立故障和共模故障模型，每一传输区段光纤可能分别独立故障，也可能出现共因故障。根据Markov状态空间法建立一个区段光纤的状态模型如图3所示。

图3 单区段光纤的M arkov模型Fig.3 M arkovmodel for optic fiber ofone sector

图3中λL为一根光纤的故障率，μL为一根光纤的修复率，λ1为主光纤和备用光纤共模故障率。

设P=[P0P1P2P3]，P中各元素分别为状态0、1、2、3的稳态概率，由式（5）即可求出状态0、1、2、3的稳态概率。

一区段主用光纤备用光纤都正常工作的概率为P0，一区段只有备用光纤的故障的概率为P1，一区段只有主用光纤故障的概率为P2，一区段两光纤都故障的概率为P3。考虑到光纤的可靠性很高，故假设最多只有两个区段光纤故障，其他光纤系统故障类型的概率对环网可用度的贡献可忽略不计，对光纤系统的工作情况分析如下。

1）所有区段光纤都正常，其概率

此时SDH环网可用。

2）只有一个区段光纤故障，可分为3种情况。

（1）一区段只有备用光纤的故障，其故障的概率为

此时SDH环网可用。

（2）一区段只有主用光纤故障，其故障概率为

此时SDH环网可用。

（3）一区段两光纤都故障，其故障概率为

此时SDH环网可用。

3）有两个区段光纤故障，可分为3种情况。

（1）两个区段都是两条主备光纤同时故障，其故障概率

此时SDH环网不可用。

（2）两个区段都是只有一条光纤故障，可分为3种情况。

①故障区段都是主用光纤故障，此种情况的故障概率为

此时SDH环网可用。

②故障区段都是备用光纤故障，此种情况的故障概率为

此时SDH环网可用。

③一个故障区段主用光纤故障，另一个区段备用光纤故障，此种情况的故障概率为

此时会出现某一节点不能向另一或几个节点发送信息，或者某一节点不能接收另一或几个节点的信息，故SDH环网不可用。

（3）一个区段主备光纤都故障，另一区段一条光纤故障。其故障概率

此种故障比③所述故障更为严重，故SDH环网不可用。

故光纤系统的可用度为

SDH环网的可用度为

2.2 星型网可靠性评估

区域网络可采用星形或者环形，环网的状态空间已由上文给出，下面讨论区域网为星形结构的可靠性模型。星形网络中所有子站均和区域保护中心连接，其结构如图4所示，图中SDH设备之间均有两条光纤通信，IU4为区域保护中心的通信接口。

图4 星形网络Fig.4 Star network

建立2个SDH设备间光纤的状态转移图如图5所示。图中λL、μL分别为一区段一路光纤的独立失效率和修复率，λ1为一区段两路光纤的共模失效率，设P=[P0P1P2]为3个状态的稳态概率矩阵，因此光纤的可用度为ALi=P0+P1。

图5 星型网络单区段光纤的Markov模型Fig.5 Markov model for the star network of one sector

可以看出，2个SDH设备之间两条光纤都失效，区域网络失效，只要某一SDH设备失效或每路光纤失效，区域网络就失效，设n为子站的个数，于是星型网络的可用度为

整个分层区域式广域保护通信网的可用度为

图6 IEEE14母线系统Fig.6 IEEE 14 bus system

3 算例分析

以图6所示IEEE14母线系统为例，建立一个广域保护通信网进行可靠性分析。目前电力数据网一般通过复合地线光缆或自承式光缆相连，通信链路与输电线并行，有输电线路相连的变电站之间就有通信链路。图6将通信系统分为3个区域，站2、4分别作为区域1、2的保护中心，将站5作为系统保护中心，也作为区域3的区域保护中心。站2、4、5以环网连接，组成通信主干网，各区域网络为星形连接。可靠性基础参数如表1所示。

设SDH网通信光纤修复时间为48 h，SDH接口的故障修复时间为24 h。通信网可靠性计算结果如表2所示。

表1 元件的可靠性数据Tab.1 Reliability data of components （10-6 h-1）

表2 广域保护通信网可靠性计算结果Tab.2 Reliability results of WAPS communication network

式中：Azg为主干网的可用度，一般Azg=ARNET；Aqyj为编号为j的区域网的可用度，若区域网为环网则Aqyj=ARNET；若区域网为星网则Aqyj=ASNET；k为区域网的数目。

可见虽然光纤的故障率高于接口，但是采用SDH自愈环网通道保护功能减小了光纤的故障对环网可靠性的影响，因此要提高SDH环网的可靠性应重点提高接口的可靠性。在星型网和自愈环网接口数目相同的条件下，虽然自愈环网光纤数目比星型网多，但是自愈环网的可靠性却比星型网的可靠性高，由式（19）得整个分层区域式广域保护通信网的可用度为0.999 034。

4 结语

分层区域式广域保护集中了分布式、集中式广域保护的优点，对分层区域式广域保护通信网络的可靠性评估一方面可以为寻找影响网络可靠性的薄弱环节，为主干网、区域网络的规划设计提供参考依据，如当某一区域网变电站和发电厂数目达到一定数目时，采用星型网连接可靠性不能满足要求，则可采用SDH自愈环网连接；另一方面也可为通信系统的风险评估提供基本的概率信息。

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