李 莉，高麗媛，趙曠怡，吳潤澤

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 北京　100055；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京　102206）

基于PMC模型的電力光纖傳輸網(wǎng)可靠性診斷方法

李 莉1，高麗媛2，趙曠怡1，吳潤澤2

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 北京100055；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

電力通信系統(tǒng)可靠性是指電力通信系統(tǒng)在實(shí)際連續(xù)運(yùn)行過程中，完成電力系統(tǒng)正常通信需求的能力，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)可靠性研究的一個(gè)重要部分。保證電力通信網(wǎng)的可靠性是電力系統(tǒng)安全體系中的一個(gè)十分重要的方面，本文對現(xiàn)代電力通信網(wǎng)的可靠性診斷問題進(jìn)行了專門的研究。文章采用PMC互測方法對電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障診斷，通過對某地區(qū)SDH光網(wǎng)絡(luò)中故障節(jié)點(diǎn)具體診斷，證明該方法能夠迅速準(zhǔn)確地找出故障節(jié)點(diǎn)，從而保證了電力系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

光纖傳輸網(wǎng)；PMC模型；可靠性；故障診斷

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)及智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力通信網(wǎng)已經(jīng)建設(shè)成覆蓋全國主要地區(qū)的電力專用光纖網(wǎng)絡(luò)［1］，電力光網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)扮演著越來越重要的角色。電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)給電力系統(tǒng)提供控制、管理等服務(wù)，這類的服務(wù)如果發(fā)生故障，不單單是會(huì)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和正常的生產(chǎn)帶來不同程度上的影響，更有甚者還會(huì)給整個(gè)電力行業(yè)造成嚴(yán)重的后果，因此，電力通信系統(tǒng)可靠性問題是電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通信網(wǎng)由一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)規(guī)定點(diǎn)間信息傳輸?shù)南到y(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)或鏈路有故障時(shí)，直接導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的連通性變壞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的呼損、吞吐量等業(yè)務(wù)性能指標(biāo)下降，使得通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性降低。電力通信網(wǎng)可靠性是指電力通信網(wǎng)在實(shí)際連續(xù)運(yùn)行過程中，完成電力系統(tǒng)正常通信需求的能力［2］。提高通信網(wǎng)可靠性的一種途徑就是采用容錯(cuò)技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)（終端、通信設(shè)備等）采用具有冗余能力的高可靠性設(shè)備、采用備份鏈路等。這些雖然可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減小故障率，但也相應(yīng)增加了網(wǎng)絡(luò)的成本，有一定的局限性。如果能在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過一定的方法隨時(shí)檢測并診斷出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障，以便于故障部位的修復(fù)，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常連續(xù)工作，這樣在不增加網(wǎng)絡(luò)成本的情況下提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，不失為一種行之有效的辦法。

故障診斷中1967年由Preparata等提出的PMC模型是最常用的一種并被廣泛應(yīng)用［3］，文獻(xiàn)［4］將人工免疫進(jìn)化算法引入到系統(tǒng)級故障診斷中，取得了較好的效果，但仍需滿足t-可診斷系統(tǒng)的限制；文獻(xiàn)［5］研究了星型網(wǎng)絡(luò)的PMC故障診斷問題，文獻(xiàn)［6］研究了分層立方網(wǎng)絡(luò)的故障診斷，這些都是針對通用網(wǎng)絡(luò)的，文中根據(jù)文獻(xiàn)［2］提出的電力通信系統(tǒng)的可靠性概念，將PMC故障診斷引入到電力通信網(wǎng)中，一定程度上保證了電力系統(tǒng)的可靠性。

提高電力通信網(wǎng)的故障診斷能力，對于保持并提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的健壯性，提高網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)能力，保證網(wǎng)絡(luò)上業(yè)務(wù)的成功傳輸非常重要；另外，提高電力通信網(wǎng)的故障診斷能力，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)故障平均恢復(fù)時(shí)間。PMC故障診斷能夠?qū)ΜF(xiàn)有規(guī)模比較大的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)級故障診斷，能夠迅速準(zhǔn)確地找到故障站點(diǎn)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的故障診斷能力。

1　基于PMC的故障診斷模型

系統(tǒng)級故障診斷是由Preparata Metze和Chien等人在1967年率先提出的，后人以他們的名字將其稱為PMC模型，其基本思想是：首先系統(tǒng)中的處理單元進(jìn)行相互測試，然后對處理單元的測試結(jié)果和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分析，進(jìn)而確定故障單元。這樣就在不增加系統(tǒng)投入成本和維護(hù)開銷的情況下，達(dá)到了提高系統(tǒng)可靠性的目的。因此通過測試、診斷，可確定系統(tǒng)中故障單元的系統(tǒng)級故障診斷成為了保障整個(gè)系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的重要手段。

表1　PMC模型的測試結(jié)果

在PMC診斷模型下，只有直接相連的處理器可以進(jìn)行相互測試，即對于G（V，E）中任意一條邊（u，v）∈E，結(jié)點(diǎn)u可以測試結(jié)點(diǎn)v，結(jié)點(diǎn)v也可以測試結(jié)點(diǎn)u。當(dāng)用結(jié)點(diǎn)u測試結(jié)點(diǎn)v時(shí)，結(jié)點(diǎn)u稱為測試處理器，結(jié)點(diǎn)v稱為被測試處理器，結(jié)點(diǎn)u發(fā)給結(jié)點(diǎn)v一個(gè)測試任務(wù)，結(jié)點(diǎn)v回復(fù)一個(gè)響應(yīng)消息。如果響應(yīng)正確，則記錄結(jié)點(diǎn)u測試結(jié)點(diǎn)v的結(jié)果為0，記為σ（u，v）=0；若響應(yīng)錯(cuò)誤，則記錄結(jié)點(diǎn)u測試結(jié)點(diǎn)v的結(jié)果為1，記為σ（u，v）=1；如果測試處理器本身就是錯(cuò)誤的，那么其測試出來的結(jié)果是不可信，具體的PMC模型測試結(jié)果可以由表1來描述。

2　電力光纖傳輸網(wǎng)故障診斷

2.1網(wǎng)絡(luò)模型

光纖傳輸網(wǎng)是電力通信網(wǎng)的重要組成部分，承載著電力調(diào)度、繼電保護(hù)、自動(dòng)化等電網(wǎng)安全生產(chǎn)及經(jīng)營管理的重要信息。電力光纖傳輸網(wǎng)可以看成節(jié)點(diǎn)和鏈路的集合，每條業(yè)務(wù)通道，即節(jié)點(diǎn)和鏈路的集合，節(jié)點(diǎn)和鏈路的可靠性直接影響業(yè)務(wù)通道的可靠性，進(jìn)一步影響網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

用圖論的方法我們把電力系統(tǒng)通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象為一個(gè)簡單的無向圖 G（V，E），其中結(jié)點(diǎn)集合V表示電力系統(tǒng)通信網(wǎng)中的設(shè)備站點(diǎn)，邊集合E表示各設(shè)備站點(diǎn)之間的通信鏈路；|V|的基數(shù)用N來表示，代表這個(gè)通信系統(tǒng)的大小。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩種狀態(tài)：有故障和無故障狀態(tài)，并且假設(shè)在診斷過程中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)不會(huì)變化。

2.2電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)故障診斷

電力通信網(wǎng)中的各站點(diǎn)相互測試，并在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出各個(gè)站點(diǎn)的預(yù)診斷結(jié)果；然后對各站點(diǎn)的預(yù)診斷結(jié)果進(jìn)行概率多數(shù)表決，進(jìn)而得到最后的診斷結(jié)果。假定通信網(wǎng)系統(tǒng)中有N個(gè)站點(diǎn)，用0，……，N-1對其進(jìn)行編號，且N個(gè)站點(diǎn)邏輯全互連，所有站點(diǎn)相互獨(dú)立地以等概率p發(fā)生故障。

文中使用的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：（1）測試結(jié)果矩陣testN*N*N，test（x，i，j）初始值為-1，其中x，i，j表示通信網(wǎng)系統(tǒng)中的站點(diǎn)，滿足0≤x，i，j≤N-1當(dāng)站點(diǎn)x收到來自無故障站點(diǎn)i的測試結(jié)果信息，即站點(diǎn)i已經(jīng)對站點(diǎn)j進(jìn)行測試且i認(rèn)為j無故障時(shí)，test（x，i，j）被賦值為0；（2）預(yù)診斷結(jié)果矩陣statusN*N，status（x，i）初始值為1，當(dāng)站點(diǎn)x認(rèn)為站點(diǎn)i無故障時(shí)status （x，i）被賦值為0，否則其值仍為1；（3）最后診斷矩陣finalstatusN*1，final-status（x）初始值為1，當(dāng)最后診斷站點(diǎn)x無故障時(shí)final-status（x）被賦值為0，否則保持1。

2.3診斷流程和步驟

在電力通信網(wǎng)中，每個(gè)站點(diǎn)周期性地運(yùn)行該診斷程序，以站點(diǎn)x（0≤x≤N-1）為例，故障診斷的執(zhí)行過程如下。

第一步：測試過程。站點(diǎn)x的test（x，i，j）矩陣初始值為-1；x依次測試其余各站點(diǎn)直到找到第一個(gè)無故障站點(diǎn)y為止，將test（x，x，y）賦值為0；然后x將test（x，x，y）=0發(fā)送給其余站點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中所有能收到該信息的站點(diǎn)t將test（t，x，y）置0；同時(shí)x接受其余站點(diǎn)發(fā)來的test信息，當(dāng)test（x，i，j）不再變化時(shí)，一個(gè)測試周期結(jié)束。其余站點(diǎn)的測試過程與此相同。具體流程如圖1所示。

圖1　測試過程流程圖

第二步：預(yù)診斷過程。在以上測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，依次修改預(yù)診斷結(jié)果。x首先認(rèn)為自己無故障，所以使status（x，x）=0；令node-pointer=x，即從x開始尋找下一個(gè)無故障站點(diǎn)；已經(jīng)找到下一個(gè)無故障站點(diǎn)時(shí)即test（x，x，j）=0，令node-pointer=j；如果node-pointer=x或修改預(yù)診斷結(jié)果次數(shù)為n，則站點(diǎn)x預(yù)診斷過程結(jié)束，否則修改并使status（x，node-pointer）=0，繼續(xù)尋找下一個(gè)無故障站點(diǎn)。同理，網(wǎng)絡(luò)中的其余站點(diǎn)分別進(jìn)行如上的預(yù)診斷處理，從而得到預(yù)診斷結(jié)果status（x，i）。具體流程如圖2所示。

第三步：系統(tǒng)最后診斷。系統(tǒng)將各個(gè)站點(diǎn)的預(yù)診斷結(jié)果搜集起來進(jìn)行表決得到final-status（x），所有的最后診斷結(jié)果為1的站點(diǎn)即為網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生故障的站點(diǎn)。

圖2　預(yù)診斷過程流程圖

3　基于PMC模型電力通信網(wǎng)故障診斷

3.1仿真網(wǎng)絡(luò)

如圖3所示為某地區(qū)SDH光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，以0、1、2、3、4 這5個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的小網(wǎng)絡(luò)（即圖中虛線框內(nèi)網(wǎng)絡(luò)）為例進(jìn)行故障診斷，其中2站點(diǎn)為故障結(jié)點(diǎn)。

圖3　電力通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2仿真結(jié)果分析

其診斷過程如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，站點(diǎn)0對站點(diǎn)1進(jìn)行測試，由于兩個(gè)站點(diǎn)均為無故障，則站點(diǎn)1能夠?qū)φ军c(diǎn)0發(fā)來的測試報(bào)文進(jìn)行正常處理，然后向站點(diǎn)0發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，站點(diǎn)0根據(jù)應(yīng)答報(bào)文能正確地判斷出站點(diǎn)1無故障，因此站點(diǎn)0停止測試，將test（0，0，1）賦值為0，并把該信息報(bào)文在全網(wǎng)廣播，網(wǎng)絡(luò)中的其他所有無故障站點(diǎn)均能正確收到此報(bào)文，并分別給test（1，0，1）、test（3，0，1）、test（4，0，1）賦值為0；與此同時(shí)，站點(diǎn)1對站點(diǎn)2進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)2有故障，然后繼續(xù)測試站點(diǎn)3，發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)3無故障，則站點(diǎn)1停止測試，將test（1，1，3）置0，并將該信息報(bào)文向全網(wǎng)廣播出去，網(wǎng)絡(luò)中的其他無故障站點(diǎn)均能正確收到該信息報(bào)文，并分別將test（0，1，3）、test（3，1，3）、test（4，1，3）置0；同理，其他的站點(diǎn)依次進(jìn)行上述測試，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的測試結(jié)果不再發(fā)生變化時(shí)，各個(gè)站點(diǎn)得到自己的測試結(jié)果test（x，i，j）（見圖3），然后進(jìn)行以下的預(yù)診斷。

以x=3為例，則node-pointer=3且status（3，3）=0（站點(diǎn)3認(rèn)為自己是無故障的），然后因?yàn)閠est（3，node-pointer，4）= test（3，3，4）=0，則node-pointer=4，因此status（3，4）=0，即站點(diǎn)4的預(yù)診斷結(jié)果為無故障；同理可得，status（3，0）=0、status （3，1）=0；當(dāng)node-pointer=1時(shí)，因?yàn)橛衪est（3，node-pointer，3）=test（3，1，3）=0，則此時(shí)node-pointer=3==x，因此預(yù)診斷停止。站點(diǎn)0，1，4的預(yù)診斷過程與此類似。

圖4　含5個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障診斷示意圖

將各個(gè)站點(diǎn)的預(yù)診斷結(jié)果搜集起來進(jìn)行多數(shù)表決來確定最后的診斷結(jié)果。首先統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)中預(yù)診斷結(jié)果為0的次數(shù)，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，即診斷出站點(diǎn)2有故障。

傳輸網(wǎng)故障處理的關(guān)鍵在于故障的快速定位，文中采用的PMC模型下的系統(tǒng)級概率分布式故障診斷算法能夠快速準(zhǔn)確地定位故障，并且該算法突破了其他算法中要求系統(tǒng)中“無故障”站點(diǎn)數(shù)目應(yīng)大于站點(diǎn)總數(shù)一半的限制；另外，該算法在各個(gè)站點(diǎn)上周期性運(yùn)行，能夠檢測出系統(tǒng)中出現(xiàn)的間歇性故障。

4　結(jié)束語

電力通信網(wǎng)的可靠性對電力系統(tǒng)安全連續(xù)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，而診斷對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性起著重要的作用，基于PMC的診斷方法是網(wǎng)絡(luò)中一種常用的診斷方法，文中在PMC模型下對電力系統(tǒng)通信網(wǎng)進(jìn)行故障診斷，能夠準(zhǔn)確地找到故障站點(diǎn)，從而為電力系統(tǒng)安全提供保障。

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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稿件編號：201508011

李 莉（1979—），女，河北廊坊人，碩士，高級工程師。研究方向：通信規(guī)劃。