基于PMC模型的电力光纤传输网可靠性诊断方法

李 莉，高丽媛，赵旷怡，吴润泽

（1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院 北京　100055；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京　102206）

基于PMC模型的电力光纤传输网可靠性诊断方法

李 莉1，高丽媛2，赵旷怡1，吴润泽2

（1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院 北京100055；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京102206）

电力通信系统可靠性是指电力通信系统在实际连续运行过程中，完成电力系统正常通信需求的能力，是现代电力系统可靠性研究的一个重要部分。保证电力通信网的可靠性是电力系统安全体系中的一个十分重要的方面，本文对现代电力通信网的可靠性诊断问题进行了专门的研究。文章采用PMC互测方法对电力通信网的网络节点进行故障诊断，通过对某地区SDH光网络中故障节点具体诊断，证明该方法能够迅速准确地找出故障节点，从而保证了电力系统的连续运行。

光纤传输网；PMC模型；可靠性；故障诊断

随着现代通信技术及智能电网技术的发展，电力通信网已经建设成覆盖全国主要地区的电力专用光纤网络［1］，电力光网络在智能电网扮演着越来越重要的角色。电力系统通信网络给电力系统提供控制、管理等服务，这类的服务如果发生故障，不单单是会对电力系统的稳定运行和正常的生产带来不同程度上的影响，更有甚者还会给整个电力行业造成严重的后果，因此，电力通信系统可靠性问题是电网安全稳定性的关键环节。

通信网由一定数量的节点和连接节点的传输链路有机结合在一起，实现两个或多个规定点间信息传输的系统。通信网络的节点或链路有故障时，直接导致通信网络的连通性变坏，导致网络的呼损、吞吐量等业务性能指标下降，使得通信网络的可靠性降低。电力通信网可靠性是指电力通信网在实际连续运行过程中，完成电力系统正常通信需求的能力［2］。提高通信网可靠性的一种途径就是采用容错技术，如网络中的各个节点机（终端、通信设备等）采用具有冗余能力的高可靠性设备、采用备份链路等。这些虽然可以提高网络的可靠性，减小故障率，但也相应增加了网络的成本，有一定的局限性。如果能在通信网络系统中，通过一定的方法随时检测并诊断出网络运行中出现的各种故障，以便于故障部位的修复，从而保证整个网络系统的正常连续工作，这样在不增加网络成本的情况下提高了网络的可靠性，不失为一种行之有效的办法。

故障诊断中1967年由Preparata等提出的PMC模型是最常用的一种并被广泛应用［3］，文献［4］将人工免疫进化算法引入到系统级故障诊断中，取得了较好的效果，但仍需满足t-可诊断系统的限制；文献［5］研究了星型网络的PMC故障诊断问题，文献［6］研究了分层立方网络的故障诊断，这些都是针对通用网络的，文中根据文献［2］提出的电力通信系统的可靠性概念，将PMC故障诊断引入到电力通信网中，一定程度上保证了电力系统的可靠性。

提高电力通信网的故障诊断能力，对于保持并提高网络运行的健壮性，提高网络的修复能力，保证网络上业务的成功传输非常重要；另外，提高电力通信网的故障诊断能力，能够有效减少网络故障平均恢复时间。PMC故障诊断能够对现有规模比较大的网络进行系统级故障诊断，能够迅速准确地找到故障站点，大大提高了网络的故障诊断能力。

1　基于PMC的故障诊断模型

系统级故障诊断是由Preparata Metze和Chien等人在1967年率先提出的，后人以他们的名字将其称为PMC模型，其基本思想是：首先系统中的处理单元进行相互测试，然后对处理单元的测试结果和拓扑结构进行逻辑分析，进而确定故障单元。这样就在不增加系统投入成本和维护开销的情况下，达到了提高系统可靠性的目的。因此通过测试、诊断，可确定系统中故障单元的系统级故障诊断成为了保障整个系统安全和稳定的重要手段。

表1　PMC模型的测试结果

在PMC诊断模型下，只有直接相连的处理器可以进行相互测试，即对于G（V，E）中任意一条边（u，v）∈E，结点u可以测试结点v，结点v也可以测试结点u。当用结点u测试结点v时，结点u称为测试处理器，结点v称为被测试处理器，结点u发给结点v一个测试任务，结点v回复一个响应消息。如果响应正确，则记录结点u测试结点v的结果为0，记为σ（u，v）=0；若响应错误，则记录结点u测试结点v的结果为1，记为σ（u，v）=1；如果测试处理器本身就是错误的，那么其测试出来的结果是不可信，具体的PMC模型测试结果可以由表1来描述。

2　电力光纤传输网故障诊断

2.1网络模型

光纤传输网是电力通信网的重要组成部分，承载着电力调度、继电保护、自动化等电网安全生产及经营管理的重要信息。电力光纤传输网可以看成节点和链路的集合，每条业务通道，即节点和链路的集合，节点和链路的可靠性直接影响业务通道的可靠性，进一步影响网络的可靠性。

用图论的方法我们把电力系统通信网拓扑结构抽象为一个简单的无向图 G（V，E），其中结点集合V表示电力系统通信网中的设备站点，边集合E表示各设备站点之间的通信链路；|V|的基数用N来表示，代表这个通信系统的大小。每个节点都有两种状态：有故障和无故障状态，并且假设在诊断过程中节点的状态不会变化。

2.2电力通信网节点故障诊断

电力通信网中的各站点相互测试，并在测试结果的基础上，得出各个站点的预诊断结果；然后对各站点的预诊断结果进行概率多数表决，进而得到最后的诊断结果。假定通信网系统中有N个站点，用0，……，N-1对其进行编号，且N个站点逻辑全互连，所有站点相互独立地以等概率p发生故障。

文中使用的主要数据结构有：（1）测试结果矩阵testN*N*N，test（x，i，j）初始值为-1，其中x，i，j表示通信网系统中的站点，满足0≤x，i，j≤N-1当站点x收到来自无故障站点i的测试结果信息，即站点i已经对站点j进行测试且i认为j无故障时，test（x，i，j）被赋值为0；（2）预诊断结果矩阵statusN*N，status（x，i）初始值为1，当站点x认为站点i无故障时status （x，i）被赋值为0，否则其值仍为1；（3）最后诊断矩阵finalstatusN*1，final-status（x）初始值为1，当最后诊断站点x无故障时final-status（x）被赋值为0，否则保持1。

2.3诊断流程和步骤

在电力通信网中，每个站点周期性地运行该诊断程序，以站点x（0≤x≤N-1）为例，故障诊断的执行过程如下。

第一步：测试过程。站点x的test（x，i，j）矩阵初始值为-1；x依次测试其余各站点直到找到第一个无故障站点y为止，将test（x，x，y）赋值为0；然后x将test（x，x，y）=0发送给其余站点，网络中所有能收到该信息的站点t将test（t，x，y）置0；同时x接受其余站点发来的test信息，当test（x，i，j）不再变化时，一个测试周期结束。其余站点的测试过程与此相同。具体流程如图1所示。

图1　测试过程流程图

第二步：预诊断过程。在以上测试结果的基础上，依次修改预诊断结果。x首先认为自己无故障，所以使status（x，x）=0；令node-pointer=x，即从x开始寻找下一个无故障站点；已经找到下一个无故障站点时即test（x，x，j）=0，令node-pointer=j；如果node-pointer=x或修改预诊断结果次数为n，则站点x预诊断过程结束，否则修改并使status（x，node-pointer）=0，继续寻找下一个无故障站点。同理，网络中的其余站点分别进行如上的预诊断处理，从而得到预诊断结果status（x，i）。具体流程如图2所示。

第三步：系统最后诊断。系统将各个站点的预诊断结果搜集起来进行表决得到final-status（x），所有的最后诊断结果为1的站点即为网络中发生故障的站点。

图2　预诊断过程流程图

3　基于PMC模型电力通信网故障诊断

3.1仿真网络

如图3所示为某地区SDH光网络结构图，以0、1、2、3、4 这5个结点构成的小网络（即图中虚线框内网络）为例进行故障诊断，其中2站点为故障结点。

图3　电力通信网络结构图

3.2仿真结果分析

其诊断过程如图4所示，当网络启动后，站点0对站点1进行测试，由于两个站点均为无故障，则站点1能够对站点0发来的测试报文进行正常处理，然后向站点0发送应答报文，站点0根据应答报文能正确地判断出站点1无故障，因此站点0停止测试，将test（0，0，1）赋值为0，并把该信息报文在全网广播，网络中的其他所有无故障站点均能正确收到此报文，并分别给test（1，0，1）、test（3，0，1）、test（4，0，1）赋值为0；与此同时，站点1对站点2进行测试，发现站点2有故障，然后继续测试站点3，发现站点3无故障，则站点1停止测试，将test（1，1，3）置0，并将该信息报文向全网广播出去，网络中的其他无故障站点均能正确收到该信息报文，并分别将test（0，1，3）、test（3，1，3）、test（4，1，3）置0；同理，其他的站点依次进行上述测试，当网络中的测试结果不再发生变化时，各个站点得到自己的测试结果test（x，i，j）（见图3），然后进行以下的预诊断。

以x=3为例，则node-pointer=3且status（3，3）=0（站点3认为自己是无故障的），然后因为test（3，node-pointer，4）= test（3，3，4）=0，则node-pointer=4，因此status（3，4）=0，即站点4的预诊断结果为无故障；同理可得，status（3，0）=0、status （3，1）=0；当node-pointer=1时，因为有test（3，node-pointer，3）=test（3，1，3）=0，则此时node-pointer=3==x，因此预诊断停止。站点0，1，4的预诊断过程与此类似。

图4　含5个站点的网络系统故障诊断示意图

将各个站点的预诊断结果搜集起来进行多数表决来确定最后的诊断结果。首先统计各站点中预诊断结果为0的次数，有count［0］=count［1］=count［3］=count［4］=4，count［2］=1，由于4＞［5×（1-0.2）2+5×0.22×q2］=［3.2+0.2q2］=3（0≤q≤1），因此final-status（0）=final-status（1）=final-status（3）=final-status （4）=0，final-status（2）=1，即诊断出站点2有故障。

传输网故障处理的关键在于故障的快速定位，文中采用的PMC模型下的系统级概率分布式故障诊断算法能够快速准确地定位故障，并且该算法突破了其他算法中要求系统中“无故障”站点数目应大于站点总数一半的限制；另外，该算法在各个站点上周期性运行，能够检测出系统中出现的间歇性故障。

4　结束语

电力通信网的可靠性对电力系统安全连续运行起着至关重要的作用，而诊断对网络系统的可靠性起着重要的作用，基于PMC的诊断方法是网络中一种常用的诊断方法，文中在PMC模型下对电力系统通信网进行故障诊断，能够准确地找到故障站点，从而为电力系统安全提供保障。

［1］程文清，马庆峰，赵健立.电力光纤传输网可靠性评估方法的研究［J］.电力系统通信，2011，32（227）:11-15.

［2］邢宁哲，闫海峰.电力通信系统可靠性研究［J］.电力系统通信，2007，28（176）:26-38.

［3］Hsieh S Y，Chuang T Y.The strong diagnosability of regular networks and product networks under the PMC Model［J］. IEEE Trans on Parallel and Distributed Systems，2009，20 （3）:367-378.

［4］闫少华，樊建席.基于PMC模型的高效人工免疫诊断算法［J］.计算机应用与软件，2012，29（4）:27-30.

［5］谢春萍，梁家荣.星型网络的几种故障诊断度研究［J］.广西大学学报:自然科学版，2015，40（3）:699-704.

［6］林丽美，周书明，许力.分层立方网络的t/t-诊断度和诊断算法［J］.山东大学学报:理学版，2013，48（7）:85-92.

A reliability diagnosis method for electric power optical fiber transmission network based on PMC model

LI Li1，GAO Li-yuan2，ZHAO Kuang-yi1，WU Run-ze2
（1.Jibei Electric Power Company Economic&Technology Research Institute，Beiing 100055，China 2.School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

The reliability of electric power communication system refers to the ability of power system to complete the communication needs in the process of actual operation.The reliability of the electric power communication network problem is one of the important aspects of modern power system security system which is specifically studied in this paper.The paper diagnoses the fault nodes in the electric power communication network based on PMC model.The specific diagnosis of a SDH optical network failed nodes proving that the method can identify the failed nodes quickly and accurately，thus ensuring the continuous operation of the power system.

electric power transmission network；PMC model；reliability；faulty diagnosis

TN915.853

A

1674-6236（2016）14-0094-03

2015-08-04稿件编号：201508011

李 莉（1979—），女，河北廊坊人，硕士，高级工程师。研究方向：通信规划。