安 晶，張立寧，龐曉娜，張 丹

(1.華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；3.華北科技學(xué)院 藝術(shù)系，北京 東燕郊 065201)

0 引言

十四五期間，我國電網(wǎng)建設(shè)高速發(fā)展，作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，電力通信網(wǎng)的可靠性直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行[1]。目前國家電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展也給電力通信網(wǎng)的保障和支撐能力帶來了挑戰(zhàn)，電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)愈加復(fù)雜，通信網(wǎng)面臨的風(fēng)險也越來越多，通信網(wǎng)故障對電力系統(tǒng)的影響和作用愈加明顯。因此，近年來，電力通信網(wǎng)可靠性評估工作越來越受到業(yè)界的重視[2]。

在電力通信網(wǎng)可靠性評估方面，國內(nèi)外學(xué)者進行了積極的探討，出現(xiàn)了許多有價值的研究成果[3-5]。例如，學(xué)者M.Khademi針對輸電線路故障時，通信通道可能出現(xiàn)失效，引起繼電保護設(shè)備異常，導(dǎo)致事故擴大的問題，用概率論方法分析了繼電保護通道的可靠性問題，并定量研究了其危害程度；J. F. Martinez等利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估模型；金文俊提出了一種基于社團結(jié)構(gòu)的電力通信網(wǎng)可靠性評估方法，探討從全局角度進行電力通信網(wǎng)可靠性評估的思路[6]；宋媛、婁云永等探討建立了電力通信網(wǎng)的可靠性評估指標(biāo)體系，并運用模糊層次分析法等進行了指標(biāo)權(quán)重的確定[7]；陳江等利用主成分分析對電力通信網(wǎng)的可靠性指標(biāo)進行降維處理，提出了基于主成分分析的電力通信網(wǎng)可靠性評估方法[8]；董彥軍則利用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了電力通信網(wǎng)的可靠性評估模型等[9]。

上述評估方法有著各自的優(yōu)越性，但也存在不足，例如：評估中以定性評估居多，定量評估相對較少；評估指標(biāo)體系的差異性較大，對實際電力通信網(wǎng)可靠性評估的參考價值有限；評估方法智能化水平較低，評估過程復(fù)雜，實際可操作性較差等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然有效改進了模糊評估等傳統(tǒng)評估方法的不足，在解決非線性問題中有其優(yōu)越性，但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在易陷入局部最優(yōu)和維數(shù)災(zāi)難等不足；引入遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，雖然有效改進了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估中易陷入局部最優(yōu)的不足，但在實際應(yīng)用過程中仍存在解碼誤差、收斂速度慢等問題。

未確知聚類方法作為一種智能化評估方法，目前在解決工程復(fù)雜性等問題中得到廣泛應(yīng)用[10]，但目前未確知聚類算法開放的程序代碼較少。Matlab由美國MathWorks開發(fā)，是一種功能強大的編程輔助工具軟件，由于其強大的人機交互、編程可視化等優(yōu)點，目前已被廣泛用于數(shù)據(jù)分析、建模仿真等各領(lǐng)域[11]，借助Matlab工具實現(xiàn)未確知聚類算法具有可行性。

基于此，本研究通過文獻分析，結(jié)合電力通信網(wǎng)運行實際，首先構(gòu)建科學(xué)合理的電力通信網(wǎng)可靠性評估指標(biāo)體系。進而引入未確知聚類理論，構(gòu)建基于未確知聚類的電力通信網(wǎng)可靠性評估模型，并進行實證分析。

1 評估指標(biāo)體系構(gòu)建

科學(xué)的評估指標(biāo)體系是進行電力通信網(wǎng)可靠性準(zhǔn)確評估的前提。依據(jù)國家發(fā)改委《電力可靠性管理辦法(暫行)》(2021)，電力通信網(wǎng)的可靠性主要受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信設(shè)備、網(wǎng)管系統(tǒng)、運維管理等因素的影響。首先，合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是支撐整個電力通信網(wǎng)的基礎(chǔ)，不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的電力通信網(wǎng)在實際運行中會表現(xiàn)出迥然不同的魯棒性。其次，網(wǎng)絡(luò)中通信設(shè)備或設(shè)施的可靠性是影響電力通信網(wǎng)可靠性的直接因素，任何設(shè)備故障等都可能會導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)故障，從而影響整個電力系統(tǒng)的安全運行。同時，實踐表明，有效的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是電力通信網(wǎng)可靠運行的重要保障。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在電力通信網(wǎng)絡(luò)實際運行中，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)故障或事故都是由人為因素引起，因此定期檢修、故障排查、人員管理等運維管理因素對于保障電力通信網(wǎng)的可靠運行同樣重要。

結(jié)合文獻[8，12]，本研究最終建立的電力通信網(wǎng)可靠性評估指標(biāo)體系如圖1所示，該評估指標(biāo)體系包括一級指標(biāo)4個，二級指標(biāo)15個。

圖1 電力通信網(wǎng)可靠性評估指標(biāo)體系[8，12]

2 未確知聚類建模

(1) 給定分類數(shù)K以及系統(tǒng)精度ε，置計數(shù)器t=0；

(3) 計算樣本xi屬于第k類未確知測度μik(t),i=1～n,k=1～K；

分類準(zhǔn)則：設(shè)置信度為λ，若

(1)

則判xi屬于第k0個評價等級ck0。建模詳細過程參見文獻[11，12]，本研究置信度λ值取0.6。

3 實例分析

以文獻[8]中南方某市2007～2016十年間的電力通信網(wǎng)統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)為例，進行實證分析，已知歸一化的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 某市2007～2016電力通信網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)歸一化值

續(xù)表

應(yīng)用本研究所構(gòu)建的未確知聚類評估模型，進行實證分析。通過評估，將該市2007～2016年間的電力通信網(wǎng)可靠性分為三個等級：較差、一般和較好。預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)的分類精度為0.001，經(jīng)過58次迭代，最終得到該市電力通信網(wǎng)2007～2016各年的可靠性情況見表2，系統(tǒng)誤差0.000964。

表2 評估結(jié)果

評價結(jié)果表明，該市電力通信網(wǎng)2007、2008、2009、2010、2011各年的可靠性總體情況屬于第二類，評估結(jié)果為一般；2012、2013、2014、2015、2016各年的可靠性總體情況屬于第三類，評估結(jié)果為較好。評估結(jié)果與文獻研究結(jié)果基本一致，反映了該市電力通信網(wǎng)可靠性總體向好的發(fā)展趨勢。各年份屬于各評估類別的隸屬度情況見表3。

表3 各年份屬于各評估類別的隸屬度

通過表3隸屬度情況可以看出，未確知聚類評估分類是一種軟分類，它不僅能給出綜合評估結(jié)果，而且可以給出各年份屬于各評估類別的隸屬程度。以2010年份(對應(yīng)圖2中的列4)為例，雖然該年份電力通信網(wǎng)可靠性的綜合評估結(jié)果為一般，但實際上它以0.4744的隸屬度屬于較差，以0.4876的隸屬度屬于一般，以0.0379的隸屬度屬于較好。因此，在實際評估中，當(dāng)置信度取值不同時，評估結(jié)果可能會有所不同。

為了便于對比分析，本研究同時采用傳統(tǒng)的K均值聚類算法，對該市電力通信網(wǎng)2007～2016年的可靠性情況進行綜合評估。采用Spss統(tǒng)計分析軟件，利用k均值聚類工具箱，將各評價指標(biāo)作為變量，對各年份電力通信網(wǎng)可靠性情況采用k均值聚類評估方法分類，設(shè)置最大迭代次數(shù)100次，評估主要參數(shù)設(shè)置過程如圖2所示。

圖2 某市電力通信網(wǎng)可靠性的K均值聚類評估

通過K均值聚類評估分析，最終評估結(jié)果見表4。

表4 K均值聚類評估結(jié)果

通過表4的評估結(jié)果可以看出，年份2007、2009、2010、2011的電力通信網(wǎng)可靠性評估結(jié)果為較差；年份2008的電力通信網(wǎng)可靠性評估結(jié)果為一般；年份2012～2016的電力通信網(wǎng)可靠性評估結(jié)果為較好?？梢?，采用K均值聚類評估方法，年份2007、2009、2010、2011的電力通信網(wǎng)可靠性評估結(jié)果與文獻研究結(jié)果存在較大偏差。因此，本研究所構(gòu)建未確知聚類評估模型，可以用于實際電力通信網(wǎng)的可靠性評估。

4 結(jié)論

(1) 電力通信網(wǎng)的可靠運行直接影響著整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行及現(xiàn)代化建設(shè)，甚至直接關(guān)系到國民經(jīng)濟和社會的穩(wěn)定。而電力通信網(wǎng)可靠性的評估是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的因素眾多。

(2) 本研究從目前電力通信網(wǎng)的實際出發(fā)，在深入進行文獻分析基礎(chǔ)上，結(jié)合電力可靠性管理辦法，建立了科學(xué)合理的電力通信網(wǎng)可靠性評估指標(biāo)體系。

(3) 引入了未確知聚類方法，構(gòu)建了基于未確知聚類的電力通信網(wǎng)可靠性智能評估模型。并通過實例分析，驗證了該評估方法相對于傳統(tǒng)K均值聚類評估方法的優(yōu)越性。同時，相對于模糊評估等傳統(tǒng)評估方法，未確知聚類評估方法的智能化程度更高，可操作性更強。研究成果可為國內(nèi)外電力通信網(wǎng)的可靠性評估提供理論指導(dǎo)和方法支撐。