基于业务重要度的电力通信路由系统可靠性分析*

刘钰，熊兰，肖丹，范禹邑，杨子康，吴雄

（1.国网重庆市电力公司市区供电分公司，重庆400015；2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点试验室，重庆400044）

0 引 言

目前，衡量电力通信业务脆弱性［1］的基本分析算法常用的有最短路径优先协议、最优链路状态协议、业务均衡算法这三种算法［2］。脆弱性可以有效地衡量路由系统的可靠性。前两种算法无法避免由于过多的业务在某几条路径上密集分布而加剧运行面临的风险；第三种虽然能够避免重要业务过多在几条路径上密集分布，但是部分较重要的业务可能面临传输不够快速、及时的问题。如果能够根据业务的重要度信息对第三种算法进行改进，使其具有业务重要度的选择性，并能满足前两种方法的优点，即快速及时、路径信息量均衡，就可以提高网络可靠性［3－4］。因此，文章运用基于重要度的电力通信业务路由分配算法（Service Importance Balance Based Traffic Routing Assignment Algorithm，SIBTRA）计算系统可靠性。

文章第二部分建立了网络业务重要度评估指标体系，通过三角模糊层次分析法计算各电力通信业务的重要度值，并运用模糊加权平均法将获得的业务的重要度值进行排序；第三部分合理规划业务路由，运用业务的重要度值，并辅助网络中各站点和链路的可靠性，求解电力通信网络的系统可靠性，最后第四部分验证业务路由选择方法是否可以满足系统可靠性的需求。

1 电力通信业务重要度权重的确定

1.1 三角模糊层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是层层递进式由浅入深地解出最终决策层比重的一种权重分析的方法［5］，它能够将分析过程中的所有定量、定性的指标都表示出来。但是由于层次分析法的判断矩阵是各个指标之间两两进行比较所得到的结果，因此常常不能达到客观一致性的需求，解决办法中的一种方法是进行多次地一致性检验使得客观一致性在重复试验中得到优化。但是由于操作过程繁琐，不适用于多指标的权重分析当中，因此不采用这种方法。另一种方法是把 “模糊评估”引入层次分析法中，即在构建判断矩阵时，加入三角模糊数等类似的模糊数，这样可以避免列些判断矩阵时产生数据误差的影响，只需进行一次一致性检验，就可以得到客观一致性的解。运用该方法对电力系统传输网络通信中的业务的性能指标进行一定的量化处理，运算简便可行性高。由于笔者加入的模糊评估是三角模糊数，此时该方法就称为三角模糊层次分析法［6－7］（Triangular Fuzzy Analytic Hierarchy Process，TFAHP）。因此，本文采用TFAHP对电力通信网络的业务重要度权重指标体系进行了研究，计算了各电力通信业务的重要度值。

为表示某一特征值x隶属于集合M的程度，一般常用三角形函数来表达模糊隶属函数。如果是一个三角模糊函数，则它的隶属度函数是：

式中 md≤m≤mu，｛x∈R｜md＜x＜mu｝，：x→0。

它具有以下特征［8］：

连续性：μ～M（x）在区间［l，u］上连续。

凸性：μ～M（x）为一凸模糊集。

1.2 重要度评估模型的建立

电力通信传输网是一个多业务共享的传输网络，按照用途主要分类为6类，包括自动化四线业务、自动化ELS业务、继电保护业务、调度电话业务、以太网业务和调度数据网业务。

为了保证电力系统运行和传输网络通信中的业务传输均满足可靠、实时、安全三大指标，业务性能指标分为两级，如图1所示，最顶层为指标的目标层，即业务的重要度；第二层为指标的第一层，包括可靠性、实时性和安全性，将在下面进行具体的说明；第三层为指标的第二层，对应指标层的第一层，即可靠性包括设备的类型、是否有保护通道，实时性包括业务的实时性要求、信号延迟时间的长短，安全性包括业务安全区的类型、安全性要求的高低，这6个指标层的第二层。

图1 电力通信业务重要度评估指标体系Fig.1 Performance index system for evaluating the importance level of electric power communication network

1.2.1 评价业务重要度的性能指标体系的建立

评价业务重要度的性能指标体系是指业务传输过程中所能涉及到的所有重要影响因素的集合，也是对传输网络可靠运行的一个综合评价。本文根据在实际调查和专家咨询意见建立了包括可靠性、实时性、安全性在内的3个一级指标。其中，可靠性包括设备类型和保护通道2个二级指标，实时性包括实时／非实时要求和延迟时间2个二级指标，安全性包括安全区类型和安全性高低2个二级指标［9－10］。

可以用不同性能赋值关系如表1所示。数字“1”至“5”来表示不同的等级差，数字越大指标要求越高。

表1 业务性能赋值对应关系表Tab.1 Values and levels of different performances

根据表1总结得出了6种业务的性能赋值，如表2所示。表2中的6种业务分别都对应了表1中的6个二级指标的要求，并且要求各不相同。表2是根据德尔菲法［11］，从专家处获得的6种业务的6种表1中的性能指标赋值。

表2 不同业务性能赋值Tab.2 Performance values of different services

1.2.2 重要度权重指标的确定

（1）指标层的第一层指标权重的确定

首先运用层次分析法，建立第一层目标层的3个指标的互反判断矩阵B。再运用公式（1）对互反判断矩阵的每一个元素都进行三角模糊扩展［12］，取扩展度d＝0.6得到三角模糊判断矩阵，如表3所示。

表3 指标层第一层的3项指标三角模糊评判矩阵BTab.3 Triangular fuzzy evaluation matrix B from the 3 indexes in first layer of index level

表4 指标层第一层的3项指标归一化三角模糊权重对比表Tab.4 Triangular fuzzy weight comparison of the normalization of 3 indexes in first layer of index level

实验结果表明，基于TFAHP的评估指标权重的方法能够对指标权重进行逐一地确定，验证了TFAHP方法的可行性。进一步对比采用1-11阶判断矩阵［13］进行重要程度比较的结果，验证评估指标权重的合理性。在进行指标间两两重要程度比较的步骤时，指标B1可靠性相对于指标B2实时性是相对重要，即对比值为 2，浮动区间为（1.4，2.6）。采用TFAHP法所确定的指标2和指标1分别为0.539 832和0.301 573。指标2与指标1的权值比值为1.790 054，且该值在浮动区间（1.4，2.6）以内，满足先决条件，评估指标权值合理。同理可得出其它评估指标权值的合理性，进一步证明了该法所确定评估指标权重的合理性。

（2）指标层的第二层指标权重的确定

对指标层第二层的6个指标列些三个评判矩阵，对应可靠性一个，实时性一个，安全性一个，每个判断矩阵是一个阶的矩阵。与指标层第一层的三指标权重的确定方法一样，取扩展度 d＝0.6，利用公式（1）对每一个元素进行三角模糊扩展，得到三角模糊评判矩阵。再进行归一化处理，可以得到指标层第二层的三角模糊权重向量，ωCi（u）｝；以此再以此运用均值法来解出解模糊数。根据三角模糊层次分析法的计算步骤，将指标层第一层的三角模糊指标权重和指标层第二层的三角模糊指标权重做乘法运算，得到了指标综合权重。指标综合权重反映了指标层第二层在指标层第一层的重要度权重影响之下的综合权重情况，如表5所示。

表5 指标综合权重Tab.5 Index comprehensive weights

1.2.3 业务的重要度的最终三角模糊权重

利用公式（1）对表2中的6项指标层第二层进行了三角模糊化处理，将各个业务的模糊指标与表5给出的模糊综合权重进行模糊加权平均［7］，得到6种业务的三角模糊重要度权重及其解模糊数。这6种业务的解模糊数结合了指标层第一层的可靠性、实时性、安全性3项指标和指标层第二层的6项指标，定量地表示了其对系统可靠运行的影响程度，数值越高说明该业务影响程度越高，就越为重要。因此，解模糊数作为计算电力系统网络通信中的业务传输过程中的系统可靠性的重要依据，将在下节进行探讨和求解。

1.3 结果分析

（1）由表4的计算结果可知，在影响重庆市区某传输网一级指标中，“可靠性”的解模糊数SFN值即隶属度为 0.539 832，“实时性”的隶属度为0.301 573，“安全性”的隶属度为 0.167 551。而0.539 832是这3个值中最大的数值，可评判该重庆市区某传输网最重要的一级指标应该是“可靠性”；

（2）从表6的计算结果可知，在6种业务重要度指标总体影响中，继电保护、自动化四线、调度数据网、自动化ELS、调度电话和以太网业务的影响分别是 5.045 1、4.517 4、4.517 4、3.921 6、3.313 8和1.609 4。重要度排序为：继电保护＞自动化四线＞调度数据网＞自动化ELS＞调度电话＞以太网业务；因此，在提高重庆市区某传输网业务传输可靠性时，应当着重于以6种业务按重要度排序而优先选择适合的路径（即运用基于重要度的电力通信业务路由分配算法，SIBTRA），以此为基础再进行系统可靠性的分析。

2 系统可靠性的优化计算

2.1 电力通信业务路由分配

首先设置前K条可能的路径，假设经过每个变电站站点的节点延迟时间相同，均为Δtnode；每条链路每传输1 km的信号传播延时也相同，均为Δtpath。另外，由于运行现场状况复杂多变，应增加路由传播的随机性抖动［14－15］所产生的随机延时 Δtr，设置 Δtr＝0.1 ms，c＝300 km／ms［16］，且：

定义路由经过的站点个数均为：

则：count［G（yij）］＝∑G（yij）

一条路由的总时延表示为：

通过最短路径原则获得前K条路由所经过的站点和链路，根据式（2）～式（3）可以计算各自的时延。如果所选的前K条路径的时延均小于20 ms［17］，则说明满足延时要求，那么所选的前K条路径则是可行的。

电力通信网络的可靠性指电力通信网络向电力系统不间断地提供通信连通的概率。把电力通信业务重要度作为电力系统的性能值，则电力通信网络的系统可靠性（Reability of System，简称Rsys）可以用电力通信业务路由重要度之和g（yi）满足阈值TH条件的概率Pr表示：

式中 G（yij）表示 yi对应的 K行（K＝11）、j列的逻辑映射矩阵（j∈（Sα＋Sβ）），若 yij⊆（Sα∪Sβ），则G（yij）＝1。Sα表示节点（node）α集合的元素个数；Sβ表示链路（path）β集合的元素个数。α集合、β集合分别对应所选路由的节点和链路分别的集合。

g（yi）是随路由i变化的业务重要度散点图。若低于阈值，则 yi对应的完备集（Complete Sets，简称CS）的 CS（i）为空集；若高于阈值，则 yi对应的 CS（i）符合CS条件的一个集合。经过图2所示流程图进行一系列矩阵计算。

图2 计算完备集合的流程图Fig.2 Flow chart to determine complete-sets（CS）

图2中的 CS三个条件分别是［4，18］：

解出完备集CS以后，再根据TS＝CS－1计算联系集（Tie Sets，简称TS）。TS矩阵对可靠性的优化计算因子的确定起着关键性作用。

2.2 可靠性优化计算因子的确定

由于电力通信系统是一个串并联复合的系统，则求解路由系统可靠性的表达式可写为：

这是路由系统可靠性的一般表达式，要找到可靠性计算的关键优化因子，需要结合具体的路由系统结构，根据路由系统所选择路由的节点和链路信息，进行相同大小而正负相反的值的相互抵消，最后就可获得式（6）的简化结果，即优化算法。具体分析过程将在第4节中进行实例分析。

3 算例分析

3.1 确定业务重要度权重指标的流程

根据第2节所述方法，总结得出业务重要度权重指标的计算流程，如图3所示。

图3 权重指标的计算流程图Fig.3 Matlab programming flow chart of weight index

如表6所示，是业务重要度的最终三角模糊权重。

表6 业务重要度模糊权重和解模糊数Tab.6 Fussy weight of important levels of services

3.2 可靠性优化计算因子的确定

以节点24和节点31分别为源节点和目的节点，绘制网络图，并简化得到图4所示的网络拓扑结构图。干线传输带宽2.5 Gbit／s，其余非干线传输带宽266 Mbit／s。该传输网由35个节点变电站和53条业务路径组成，每条路径均承载以上六种业务。

图4 简化后的网络拓扑结构图Fig.4 Network topology structure after simplifying

将TS矩阵代入式（6），展开Rsys，消去数值相同、正负性相反的项，计算可靠性数值。

在化简以后，Rsys中包含TS1的项是

包含TS2，但不包含TS1的项是：

包含TS3，但不包含TS1和TS2的项是：

包含TS4，但不包含TS1、TS2和TS3的项是：

包含TS5，但不包含TS1、TS2、TS3和TS4的项是：

则可靠性数值可表示为：

公式（7）与公式（6）相比，项数从21项减少至5项，运算速度提高了4.2倍，计算复杂度得以减小。

3.3 计算系统可靠性的流程

运用业务重要度权值求解网络的联系矩阵和完备矩阵［19］，结合节点和链路的可靠性［20－21］，最终求解网络的可靠性R（M）。可靠性计算流程为：

通过图5的计算流程应用相同的流程求解系统可靠性，列写表格如表7所示。

图5 计算可靠性的流程图Fig.5 Calculation flow chart of system reliability

表7 改造后网络的系统可靠性简化式（7）的各项取值Tab.7 Each value of equation（7）after tranformering

用公式表达，即：

可见，在阈值比 a＝0.8a∈（0，1）时，阈值 TH的取值：

如果增大对网络的性能和服务质量的要求，就会增大阈值比a的大小，由于TH＝a·，因此增大阈值比a的大小，会增大阈值TH的值；由于：

且R（M）＝Rr（存在一个TS所有元素均正常），因此增大阈值TH的大小，会导致满足可靠性的要求提高，从而导致反映可靠性的概率降低。

节点24到节点31的单源节点到单目的节点的网络的系统可靠性值为0.999 019 854，大于0.999，达到了3个9的电力系统可靠性要求。系统可靠性越高，分散业务过度集中风险的能力越高。所讨论的可靠性计算简化方法的可行性和有效性也得到了验证。

4 结束语

以重庆市某传输网络作为研究对象，建立了电力通信网络中评估业务的性能指标体系，并结合运用三角模糊层次分析法（TFAHP）计算各电力通信业务的重要度值，再运用模糊加权平均法将获得的6种业务的重要度值进行了排序。重要度排序为：继电保护＞自动化四线＞调度数据网＞自动化ELS＞调度电话＞以太网业务。该结果对比了业务重要度高低，用作网络性能的量化值，反映了电力系统网络通信中的业务在所经过的路由传输中对整个系统可靠运行的影响程度。

进一步，运用基于重要度的电力通信业务路由分配算法（SIBTRA），对业务路由进行了合理的选择。结合路由系统中的业务重要度值，并辅助该路由网络中各站点和链路的可靠性，列写出了简化以后的电力通信传输网的系统可靠性计算式，将可靠性的计算速度提高了4.2倍，降低了计算复杂度。最后运用该计算式求解出了该路由系统可靠性，值为0.999 019 854，达到了3个9的电力系统可靠性要求，证实了可靠性优化方法有效可行。