电力通信网可靠性评估模型与路径优化方法研究摘要：文章基于电力光通信系统的拓扑结构，综合分析影响光传输设备和光纤链路的可靠性的主要因素，同时考虑所承载的电力业务的重要度权重，提出了一种电力通信业务路径评估模型与风险计算方法，通过该方法可对电力业务所存在的通信风险概率进行提前预警，并通过带时延参数的GMPLS动态路由约束算法，对存在通信风险的业务通道进行自动路由优化选择，提前采取预防措施，以降低电力业务发生中断的风险，最后针对苏北安稳系统的拓扑结构为实例，通过电力通信安全防御系统进行业务路径风险计算和风险规避的仿真和验证，此方法可通过系统自动判断业务通信风险并通过动态路由约束算法实现业务路径的自动重新分配从而达到及早规避电网业务通信风险的目的，同时也可为电网安全稳定策略的制定提供重要的参考依据。
关键字：电力通信网；故障概率；GMPLS；重路由0.引言随着智能电网的建设和电网信息化的不断发展，现代先进的信息通信技术与电网系统高度集成，通信系统与电网系统的结合日益紧密，电力系统的高稳定性要求发电、输电、变电等各环节具有较高的信息化和自动化水平，这些都离不开先进的电力通信系统的支撑，因此，电网系统的可靠运行离不开电力通信系统的高度可靠性。
目前对于电力通信网络的可靠性研究主要集中的前期网络规划，如备用路径的建立和保护环，这样提高可靠性的代价高，对于复杂网络中的动态的不可预测的故障缺乏快速有效的恢复手段。
目前电力光通信网可靠性分析与计算主要存在如下几方面的问题：（1）电力系统对电力通信网的可靠性和故障缺乏明确的定义和量化分析手段，主要靠公网的可靠性研究方法难以解决电力通信中的实际问题，目前对于电力通信网可靠性研究大多集中在理论模型和分析方法，对于量化分析缺乏相应的技术手段。
（2）电力光通信网可靠性技术指标主要从电信业务的角度出发，对电力业务对通信信道承载的指标要求的考虑不充分，使得电网保护、安稳等实时控制业务系统需要大量配置冗余的设备和通信通道，造成资源的浪费和维护成本的提高。
（3）目前电力光通信网可靠性主要考虑通信通道故障发生后采取何种保护和恢复措施来及时恢复业务，而对通信业务路径故障风险监测和预警方面缺乏有效的方法和手段。
针对上述现状，从复杂大电网环境下电力光通信系统的拓扑结构出发，从风险量化的角度提出了电力光通信设备和光纤链路的故障概率计算方法，通过全网业务路径矩阵的故障概率实时计算，同时考虑所承载电力业务的重要度，从而及时发现电力光通信网潜在的故障风险，并自动采取路径优化或人工修复等措施及时排除发生电力通信业务中断的风险。
1.电力通信业务路径风险评估模型与计算方法研究1.1评估模型（1）电力通信网可靠性影响因素分析目前继电保护、安全稳定业务等业务目前直接承载在通信光传输网络中，因此，通信网可靠性评估模型主要考虑电力光通信网可靠性评估因素，电力光通信网络主要由3个层面组成，分别是业务层网络、传送层网络和物理设备层网络，其中业务层网络是指直接面向用户的网络，它直接给用户提供网络服务，传送层网络是指完成信息传送功能的网络，与具体的业务特性无关，负责信息的可靠性传输，物理设备层网络由具体物理传输线路和传输设备构成，拓扑结构也多种多样。
具体各网络层面的可靠性影响因素众多，表1分别从上述三个网络层面列出了电力通信网可靠性评价指标需要考虑的主要因素：表1 电力通信网可靠性影响的主要因素（2）电力通信网可靠性评估模型电力业务可靠性评估主要从物理设备层、传输网络层和业务承载层面三个层次进行评估，物理设备层主要从设备的软硬件构成、关键性能指标和设备运行状态进行评估，传输网络层主要从光缆可靠性、链路可达性指标和网络带宽负载强度等方面评估，业务承载层主要从业务承载重要度、业务通道组织因素和路由关联因素等方面进行评估。
电力通信业务路径风险评估综合考虑了通信设备可靠性因素、通信线路可靠性因素、路由关联因素和管理因素，以及业务重要度权重的影响因素，其中设备可靠性因素主要包括设备关键性能指标、软硬件模块风险、运行状态和机房环境因素，线路可靠性因素主要包括光纤衰减因素、光纤同缆同塔情况和共享风险链路因素，通道组织因素包括主备通道数量、通道备用方式因素，管理因素包括资源管理因素和规章制度因素等内容，电力业务重要度权重因素主要包括实时性和可靠性指标和安全性要求，通过对因素对电力通信网可靠性影响方式和影响权重进行综合分析，即可得出电力通信业务路径发生故障的概率和故障影响的业务范围和影响程度，因此可以得出电力通信网可靠性评估模型，具体如图1所示：图1 电力光通信网可靠性评估模型如上图所示，电力通信网可靠性模型综合考虑了影响电力通信网络各层面可靠性的主要因素，通过对该风险评估模型参数的静态设置和动态更新即可实时得出链路故障发生的概率，根据链路承载的业务数量和业务重要程度即可分析出通信故障对电力业务的影响程度，一方面可对故障路径进行优化，另一方面可以与电网控制系统进行信息的实时交互，为电网控制策略的制定提供参考依据。
1.2 业务路径风险计算方法电力通信网风险评估一方面指的是指的是对电力通信网自身可能出现的威胁及其后果进行分析，尤其是对其中的设备、网络及业务进行在正常运行和检修状态下的脆弱性及可能出现的后果进行分析；另一方面指的是对电力通信网可能出现的故障和威胁的后果进行量化评估，使其成为电网风险评估与管理的一个有力支撑部分。
风险评估以风险值为指标，综合考虑设备状态评价结果、设备故障损失程度两方面的因素，按以下公式计算获得。
风险值（R） = 业务权重（LE）×故障发生概率（P）式中：R —业务路径风险值；LE —所承载业务权重；P —故障发生概率其中，业务重要度权重业务权重的量化是业务风险重要因素，可按照电力业务的分区进行量化，采用专家打分法对不同业务分类进行权重赋值，具体如下表所示：表1：电力业务重要度权重量化赋值表而业务路径故障概率计算主要有业务所经过的设备节点和通道发生的故障概率来决定，由于目前继电保护、安全稳定业务等业务目前直接承载在通信光传输网络中，通信预警子系统主要通过计算通信光传输设备和光传输通道的故障概率，目前电力光传输网络主要采用SDH/MSTP技术进行组网，因此本算法中光传输节点设备主要考虑SDH节点设备发生故障的概率，要得到所有业务节点的故障概率矩阵，可由通信节点邻接阵、通信节点及概率可靠阵、以及通信业务路由阵三个矩阵即可即计算出所有在线业务路径的故障概率矩阵，具体如下图所示：图2 业务路径故障概率算法结构图由于业务路径可分为单通道业务路径和主备双通道业务路径，并主备双通道业务路径又可分为完全独立的主备路径和有重合的业务路径，因此业务路径的故障概率需要对上述情况进行区别分析和计算，从而得出较为科学合理的业务路径故障概率，具体计算方法如下：（1）单通道业务路径的故障概率如上图所示，业务路径共有N个节点，N-1段光缆线路，其中，设备节点的故障概率集PS={PS1、PS2、。
PSn}，光缆线路的故障概率集PL={PL1、PL2、。
、PLN-1},根据串联线路故障概率计算方法，则该业务路径的故障发生的概率如下：业务路径发生故障概率P=（2）主备路径完全独立的业务路径的故障概率如上图所示，业务路径为完全独立的主备两条通道组成，其中，主通道由N个节点和N-1条光缆线路组成，备用通道由M个节点和M-1条光缆线路组成，主通道设备节点的故障概率集PS={P S1、P S2、。
P Sn}，光缆线路的故障概率集PL={P L1、P L2、。
、P LN-1}，备用通道设备节点的故障概率集P’S={P’S1、P’S2、。
P’Sn}，光缆线路的故障概率集P’L={P’L1、P’L2、。
、P’LN-1},假设主用通道业务路径的故障概率为P1,备用通道业务路径的故障概率为P2，根据并联线路故障概率计算方法，则该业务路径的故障发生的概率如下：P=（3）主备路径有部分重合的业务路径故障概率如上图所示，业务路径由部分重合的和部分完全独立的主备两条通道组成，其中，假设等效并联的主备通道的节点故障发生概率集合P s并联=｛P s并联1，Ps并联2，……,P s并联k｝，等效并联的主备通道的光缆线路故障发生概率集合PL并联=｛P L并联1，P L并联2，……,P L并联k-1｝，业务路径完全重合的节点集合为P S串联=｛P S串联1，P S串联2，……，P S串联j｝，业务路径完全重合的光缆线路集合为P L串联=｛P L串联1，P L串联2，……，P L串联j-1｝，则根据串联联线路故障概率计算方法，则该业务路径的故障发生的概率如下：P=而对于每段线等效串联和并联的分段线路上又可能有若干个节点和光缆线路组成，对于等效故障概率分为并联和串联，则分别按照并联和串联的故障概率计算方法进行计算即可。
3.电力业务路径优化方法研究目前对电力通信网主要采用光纤环网或冗余通道的方式来保障电力通信网的可靠性，这种方法的网络带宽利用率较低，当大量通信故障并发情况下可能存在网络带宽资源紧张从而使得重要业务无法得到有效的恢复和保护。
当通信发生多点故障时，原有的保护方式难以保障电力业务的生存性要求，因此，当通过电力通信网可靠性评估模型及时发现通信链路存在潜在风险时，需要及时采取路径优化策略将业务路径优化至相对安全的通信链路上，以降低业务路径发生中断故障的风险。
电力骨干光传输通信网中．业务路径优化需要考虑多种因素，是一个典型的多元素优化问题。
通过带时延参数的GMPLS动态路由约束算法成熟，在电力光通信网中广泛应用，较为适合链路资源丰富、具有一定规模通信网络的业务路径优化，基于电力通信网可靠性评估模型对链路风险的实时计算与评估，对于链路中断风险值较高的业务路径优化算法如图3所示：图3 实现通信风险规避的通信动态约束业务路径优化流程图如上图所示，实现通信风险规避的通信动态约束业务路径优化包括如下处理步骤：（1）对于通信风险概率值较大且需要进行路由优化的业务通信信道，根据风险存在的大小将待路由优化的业务根据风险大小降序排列D={d1,d2,…,dn}，其中，d(i)={S(源节点)、T(宿节点)，P(路径分离信息)}；（2）计算通信网络拓扑中每段线路和每个节点的时延信息，线路时延Delay(e)={Delay e1, Delay e2,…, Delay em},节点时延Delay(j)=｛Delay j1, Delay j2,…, Delay jn｝；（3）从业务排序列表中取出未安排路由的业务，执行与业务原有路由路径分离的Dijkstra 算法，为其计算新的业务路由WP={e 1,e 2,…,e n }，试中，e 表示链路，n 表示节点；（4）根据通信网络拓扑中每段线路和每个节点的时延信息，计算该路径的最大时延，计算公式如下：Delay(x)=∑Delay(e)(e ∈(1,2,…m))+∑j=1n Delay(j)(j ∈(1,2,…n))其中e 表示路径x 上的链路，j 表示路径x 上的节点，若所计算的时延满足该类业务的传输时延要求，表示计算路由成功，并进行下一条路由的计算；若所计算的时延不能满足该类业务的传输时延要求，重复步骤（3），直至找到符合业务时延要求的最短路径。