解鵬 李亞平 張志軍

摘要：提出了一種電力通信網(wǎng)中評估檢修計劃和故障處置方案的方法。以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)分析多種拓?fù)漕愋偷哪Ｐ蛥?shù)，并以此作為電力通信網(wǎng)的分析基礎(chǔ);分析與電力通信網(wǎng)可靠性相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，明確最大連通子圖比例、失效節(jié)點數(shù)比例、網(wǎng)絡(luò)效率等關(guān)鍵參數(shù)。通過在網(wǎng)絡(luò)模型中仿真分析不同失效組合對網(wǎng)絡(luò)可靠性關(guān)鍵參數(shù)的影響。分析關(guān)鍵參數(shù)并形成電力通信網(wǎng)的檢修策略評估方法，為電力通信網(wǎng)在非正常狀態(tài)下的可靠運行提供保障。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);電力通信網(wǎng);可靠性分析;檢修策略

中圖分類號：TM73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）24-58-4

0引言

電力通信網(wǎng)承載著繼電保護(hù)系統(tǒng)、安穩(wěn)控制系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)[1]，是電網(wǎng)三道防線的保障，運行狀態(tài)關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。為了保障通信設(shè)備可靠運行，需要對其進(jìn)行科學(xué)有效的運維管理[2]。電力通信檢修工作是日常運維管理中的基礎(chǔ)工作，需要評估檢修風(fēng)險，預(yù)先將檢修點承載的業(yè)務(wù)迂回到備用路由，或者臨時中斷業(yè)務(wù)，待檢修結(jié)束后另行恢復(fù)。

1電力通信網(wǎng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

電力通信網(wǎng)是一種特殊的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電力網(wǎng)相近，承載的業(yè)務(wù)與電網(wǎng)的調(diào)度控制密切相關(guān)，因此電力通信網(wǎng)和運營商建設(shè)的通信網(wǎng)有較大區(qū)別。研究電力通信網(wǎng)檢修策略，本質(zhì)是利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)功能之間的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定其調(diào)度控制功能，調(diào)度控制功能反過來會影響通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演化。對于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性通常運用統(tǒng)計測度刻畫，功能通過動力學(xué)行為來反映。

由于電力通信網(wǎng)檢修策略需要首先保障其調(diào)度控制功能不受影響，因此針對電力通信網(wǎng)開展復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究僅關(guān)注其網(wǎng)絡(luò)可靠性，并聚焦于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性。

文獻(xiàn)[3]指出各地區(qū)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性并不相同，如湖北電網(wǎng)、四川電網(wǎng)都具有明顯的小世界特性，且大部分網(wǎng)絡(luò)雖不是標(biāo)準(zhǔn)的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)但均具有無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的特點?？紤]到電力通信網(wǎng)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征一致，因此基于WS小世界網(wǎng)絡(luò)、BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)及IEEE標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。

1.1抽象模型

抽象模型描述了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征，按照對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造算法和輸入?yún)?shù)，可以生成描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣。

（1）WS小世界網(wǎng)絡(luò)

作為從完全規(guī)則網(wǎng)絡(luò)向完全隨機圖的過渡，Watts和Strogtz提出WS小世界模型，將規(guī)則圖中的每條邊以概率進(jìn)行隨機邊重連，任意2個節(jié)點之間最多只能存在1條邊。=0與規(guī)則網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)，而=1與隨機網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)。通過調(diào)節(jié)就能得到介于這二者之間的小世界網(wǎng)絡(luò)。

（2）BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)

為了解決ER隨機網(wǎng)絡(luò)和WS小世界網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點度分布均勻的問題，引入集散節(jié)點，使所有節(jié)點度分布差異化，形成無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。

1.2 IEEE標(biāo)準(zhǔn)模型

針對典型電力通信網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行仿真分析，采用IEEE57和IEEE118電網(wǎng)作為數(shù)據(jù)分析集。將含有發(fā)電機節(jié)點、負(fù)荷節(jié)點、輸電線等的電氣原理圖簡化為只含點、線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以鄰接矩陣的形式進(jìn)行儲存。

2不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

2.1復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)

無論是網(wǎng)絡(luò)故障或者網(wǎng)絡(luò)攻擊，都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。電力通信網(wǎng)檢修工作中使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和鏈路失效，與故障或者攻擊的效果是一樣的，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可靠性改變。因此，分析網(wǎng)絡(luò)可靠性相關(guān)測度指標(biāo)對評估檢修工作和制定檢修策略有明顯意義?？偟膩碚f，關(guān)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性的相關(guān)測度有：最大連通子圖比例、失效節(jié)點數(shù)比例及網(wǎng)絡(luò)效率等[5]。

由于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般介于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和隨機網(wǎng)絡(luò)之間，而且電網(wǎng)及伴生的電力通信網(wǎng)一般具有小世界性和無標(biāo)度性。因此在做可靠性分析實驗時，選取用WS小世界網(wǎng)絡(luò)、BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)與IEEE57/IEEE118網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析[6]。在WS小世界網(wǎng)絡(luò)、BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)仿真分析中，每一個仿真結(jié)果均為同參數(shù)下生成的4個不同網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行10次仿真后的平均值，定義如表1所示。

2.2區(qū)域選擇與檢修點選擇對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響

由于隨機檢修的不確定性，無法很好地闡明檢修區(qū)域中哪些節(jié)點會對網(wǎng)絡(luò)破壞性更大的問題以及后續(xù)對關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置保護(hù)措施的探究。因此，根據(jù)聚類系數(shù)和通信業(yè)務(wù)負(fù)荷，網(wǎng)絡(luò)的檢修失效策略可以分為4類，如表2所示。

實驗分Strategy A，B，C，D四種策略進(jìn)行仿真分析。初始參數(shù)設(shè)置：=150，< >=4，0=3，其中，WS網(wǎng)的重連概率=[0，1]，BA網(wǎng)每次加入邊的條數(shù)=[1，10]。生成的4種仿真網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)如表3所示。

在4種檢修策略下，分別計算4種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)可靠性關(guān)鍵參數(shù)。

對于WS網(wǎng)，Strategy A，B，C，D四種檢修策略對網(wǎng)絡(luò)可靠性影響大致相同，與區(qū)域半徑和重連概率的變化基本無關(guān)。對于BA網(wǎng)，在=1時Strategy A，C兩種檢修策略對網(wǎng)絡(luò)可靠性影響最大。隨著的增大，4種檢修策略對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響不斷減小，并在=6左右達(dá)到穩(wěn)定。對于IEEE57網(wǎng)和IEEE118網(wǎng)，分別在區(qū)域半徑較大和區(qū)域半徑較小時，不同檢修策略對其可靠性的影響與BA網(wǎng)=1時類似;由于IEEE57網(wǎng)基數(shù)小，在半徑較小時，區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)較少，節(jié)點間度數(shù)差異不明顯，導(dǎo)致不同的檢修策略對其可靠性影響不大。

在4種網(wǎng)絡(luò)中，Strategy A，C兩種檢修方式對網(wǎng)絡(luò)可靠性影響最大，說明無論區(qū)域位置與否，區(qū)域中的度數(shù)最大節(jié)點由于其連邊數(shù)量較多，是網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷的主要載體，若其失效將會導(dǎo)致大量業(yè)務(wù)重新選路，從而引發(fā)相繼故障。IEEE57網(wǎng)和IEEE118網(wǎng)分別在半徑較大和半徑較小時，不同檢修策略對其可靠性的影響與WS網(wǎng)和BA網(wǎng)類似，其他情況則不存在明顯差異。由于IEEE57網(wǎng)基數(shù)小，在半徑較小時，區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)太少，節(jié)點間度數(shù)差異不明顯導(dǎo)致不同的檢修策略對其可靠性影響不大。

2.3初始失效源點數(shù)對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響

仿真結(jié)果如圖1～圖3所示。對于WS網(wǎng)，隨著重連概率的增大，其抵御隨機攻擊的能力先增強后減弱，在=0.65時達(dá)到最大值，但其網(wǎng)絡(luò)效率基本不受失效節(jié)點數(shù)量增加的影響。

對于其余3種網(wǎng)絡(luò)，隨著初始失效源點數(shù)的增加，故障規(guī)模迅速擴大，網(wǎng)絡(luò)失效節(jié)點數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)崩潰為大量孤立節(jié)點。其中，IEEE57網(wǎng)和IEEE118網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)效率迅速降低，并在

=2.5%左右達(dá)到穩(wěn)定，而BA網(wǎng)絡(luò)由于其異質(zhì)性，抵御隨機攻擊的魯棒性較強，網(wǎng)絡(luò)效率下降速度相比IEEE57網(wǎng)和IEEE118網(wǎng)較慢，且隨著的增大，受到隨機攻擊影響不斷減小。同時，由于IEEE57網(wǎng)和IEEE118網(wǎng)初始時的數(shù)值較大的網(wǎng)絡(luò)效率值，也可以印證IEEE電網(wǎng)的小世界特性。

由仿真結(jié)果可知，4種網(wǎng)絡(luò)均隨著初始失效源點數(shù)的增加，相繼故障規(guī)模迅速擴大，網(wǎng)絡(luò)失效節(jié)點增加，網(wǎng)絡(luò)崩潰為大量孤立節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)效率迅速降低，在=2.5%左右達(dá)到穩(wěn)定。這是由于當(dāng)失效節(jié)點數(shù)量隨著相繼故障規(guī)模的增加而逐步從網(wǎng)絡(luò)中脫離，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的全局負(fù)載減小，使得相繼故障規(guī)模得到控制。其中，BA網(wǎng)絡(luò)由于其異質(zhì)性，抵御隨機攻擊的魯棒性較強，IEEE118網(wǎng)和BA網(wǎng)的失效節(jié)點比例較其他2種網(wǎng)絡(luò)低。同時，由于IEEE57網(wǎng)和IEEE118網(wǎng)初始時的數(shù)值較大的網(wǎng)絡(luò)效率值，也可以印證IEEE電網(wǎng)的小世界特性。

3電力通信網(wǎng)檢修策略分析

除WS網(wǎng)絡(luò)外，節(jié)點業(yè)務(wù)負(fù)荷對BA、IEEE57和IEEE118網(wǎng)絡(luò)可靠性影響較大，聚類系數(shù)影響較小。區(qū)域中的度數(shù)最大節(jié)點由于其連邊數(shù)量較多，是網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷的主要載體，若其失效將會導(dǎo)致大量業(yè)務(wù)重新選路。因此在電力通信網(wǎng)制定檢修計劃過程中，應(yīng)重點考慮節(jié)點業(yè)務(wù)負(fù)荷的影響。

對于電力通信網(wǎng)中的隨機故障評估，單次同時隨機故障失效點的數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)可靠性影響最大。在IEEE兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ椭?，初始網(wǎng)絡(luò)效率較高，抵抗隨機故障的能力高于其他2種網(wǎng)絡(luò)。在電力通信網(wǎng)計劃檢修和故障處置時，可利用本文分析方法，評估檢修計劃和故障處置方案對最大連通子圖比例、失效節(jié)點數(shù)比例、網(wǎng)絡(luò)效率的影響，盡量保障非常規(guī)狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

4結(jié)束語

提出了一種電力通信網(wǎng)中評估檢修計劃和故障處置方案的方法，以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)分析多種拓?fù)漕愋偷哪Ｐ蛥?shù)，以此作為電力通信網(wǎng)的分析基礎(chǔ)。其次分析電力通信網(wǎng)可靠性相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，通過在網(wǎng)絡(luò)模型中仿真分析不同失效組合對網(wǎng)絡(luò)可靠性關(guān)鍵參數(shù)的影響。通過關(guān)鍵參數(shù)分析，形成電力通信網(wǎng)的檢修策略評估方法，為電力通信網(wǎng)在非正常狀態(tài)下的可靠運行提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭旭東.基于SDH技術(shù)電力通信網(wǎng)研究[J].中國新通信， 2019，21（16）：26.

[2]蔣燁.基于RFID技術(shù)的電力通信檢修系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[3]周競鈺.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力系統(tǒng)連鎖故障的研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[4] BARABáSI A L，ALBERT R.Emergence of Scaling in Random Networks[J].Science，1999，286（5439）：509-512.

[5]李洋，王棟，李剛，等.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)可靠性分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，45（6）： 59-67.

[6]吳萬旭.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的電力通信網(wǎng)可靠性分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2019.

[7]王文媛.基于彈性理論和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)辨識方法[D].北京：華北電力大學(xué)，2018.

[8]齊小剛，張碧雯，劉立芳，等.復(fù)雜信息網(wǎng)絡(luò)的彈性評估和優(yōu)化方法研究[J].計算機科學(xué)與探索，2018，12（8）：1252-1262.