一种新的电力通信系统可靠性分析算法
【专利摘要】本发明提供一种新的电力通信系统可靠性分析算法，包括步骤：1：通过电网通信部门的地理信息系统导入网络拓扑相关数据，其中所述相关数据包括网络节点SDH和节点间的连线信息，及节点的唯一标号；2：检查并修正网络数据的完整性；3：计算网络部件的可靠性并存储于向量；4：统计需要评估的业务并提取起末点；5：使用新的基于深度优先搜索的方法搜索路径确定待评估业务的T矩阵；6：利用逻辑运算计算T矩阵代表的业务可靠性。本发明数据提取方法简单、准确，并且充分考虑了业务通道之间的复用关系，使用改进的深度优先搜索和逻辑运算，提高了可靠性评估的准确度，降低了算法的复杂度，非常适用于大规模电力通信网的业务可靠性评估。
【专利说明】一种新的电力通信系统可靠性分析算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统通信网络评估领域，具体涉及一种新的电力通信系统可靠性分析算法。
【背景技术】
[0002]电力通信网是服务于电力系统的通信专网，电力通信网的业务主要分为语音、数据、视频和多媒体等四类。这四种业务在可靠性、安全性和业务量上具有不同的需求。通信业务的类型差异，以及各种业务在可靠性和安全性方面的不同要求，使得电力通信网在可靠性研究上具有明显的行业特点。随着电力行业的发展，电力信息化的进程不断加快，电力网与电力信息网之间相互渗透的趋势越来越明显。因此，电力系统对通信网的高度依赖，使得电力通信网的可靠性研究被放在了一个非常重要的位置。
[0003]目前，对于电力通信网的可靠性研究在可靠性指标建立、通信网络拓扑优化和网络结构本身的可靠性等方面取得了一定的成果。使用的可靠性评估方法主要有故障树分析法、层次框图分析法和可靠性框图法(Reliability Block Diagram, RBD)。这些传统方法在计算单条通道或小规模通信网络可靠性时确实能达到很好的效果。然而在电力系统通信网中，一个业务经常走多个通道，通道之间经过共有设备形成复用，此时评估单条通道的可靠性已经意义不到，只有同时计算整个区域甚至全网的各业务可靠性，才能对运行管理人员的决策起到帮助此时，前面提到的传统可靠性评估方法已经无法实现，而针对全网业务通道可靠性的评估问题，目前尚未见有很好的解决办法。
【发明内容】
[0004]本发明主要是解决现有技术所存在的在大规模网络时传统分析方法计算过程复杂、工作量巨大，难以满足高效、准确的要求等技术问题；提供了一种扩展性强、计算效率高、仿真精度高、建模方便等特点，具有重要推广应用价值的新的电力通信网业务可靠性分析方法。
[0005]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0006]一种新的电力通信系统可靠性分析算法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]步骤1，读入通信网络数据，提取网络拓扑信息数据，即:通过电网通信管理部门的地理信息系统接口导入电力通信网络拓扑的信息，包括网络中节点设备SDH信息、SHD之间连接的光纤信息及各节点设备的唯一标号；
[0008]步骤2，检查所述提取的网络信息完整性，包括检查是否存在孤立节点、节点标号是否重复，若存在所述问题，则进行校核修正，直至得到一个完整的联通网络的信息，通过网络完整性检查；
[0009]步骤3，计算各部件的可靠性值，包括节点SDH设备可靠性和SDH节点间连接的光纤可靠性；得到设备可靠性向量RnX1，R(i)表示第i个设备的可靠性值，这里的设备是广义设备包括节点设备和光纤；所述部件可靠性值表示该通信部件在规定时间、规定条件下完成规定通信功能的概率，所述节点设备SDH的可靠性与其历史有效性、品牌质量、运行环境及投运年限有关，这些信息存储在电网通信管理系统数据之中，通过步骤SI的标号可以进行一一对应提取，采用经典的层次分析法进行专家评判得到SDH的可靠性值；
[0010]所述SDH节点间连接的光纤可靠性与光纤的单位长度可靠性、光纤程度及管线的保护方式相关；若某段光纤的单位长度可靠性假设为r1(l/kM，长度为lkM，若该段光纤为1+0保护，则该段光纤可靠性为^ltl1 ;若该段光纤为1+1保护，则该段光纤可靠性为:1-(1-1^1)2
[0011]所述1+0保护表示该段光纤未配置冗余保护，1+1保护表示该段光纤配置有冗余保护，即相当于两端相同光纤并联互为备用；
[0012]步骤4，统计需要计算的业务以及每个业务的起末点；完成对用户需要计算的可靠性业务的读入工作，并对应到电力系统通信可靠性计算的网络中；即:依据电网通信管理部门的通信业务安排表，确定需要计算的业务并将期末点读入到表格，所述起末点与步骤I读入的网络信息中的节点对应；
[0013]步骤5，针对步骤4所述每个业务的起末点，搜索所有通信路径，形成T矩阵；该步骤主要完成对某个通信业务所有可能通信路径的搜索，所述搜索步骤如附图2所示，其中T矩阵为一个nXm的矩阵，η为所搜索到的路径数量，m为网络中的节点数量；如果第i条路径经过第j个节点，则对应的T (i，j) = I否则T(i，j) = 0，其中，搜索起末点之间的所有路径的包括以下子步骤:
[0014]步骤5 ;1，从起点出发，遍历所有出度，存入堆栈中；从堆栈中弹出路径判断是否到达终点，若到达则输出该路径，否则回溯至上一层从堆栈中弹出下一路径直到所有路径均被标记；
[0015]所述形成T矩阵的步骤如下:
[0016]步骤5 ;2，建立全零矩阵T (mXn)，m为通道数量，η为设备数量，遍历步骤5 ;1的结果，若第i条通路通过第j个设备，则T (i，j) = I否则T(i，j) =0；
[0017]步骤6，计算T矩阵里所有链路的逻辑或的表达式，具体包括以下子步骤:
[0018]步骤6山相互独立并联多通道评估，即:当T矩阵中通道相互独立并联时，即为可靠性框图RBD的并联模型；此时业务可靠性可以由下式计算:
[0019]4=1_ Π O - S )
JeJkigiXi
[0020]其中，flag (i)表示属于第i个业务的通道编号而表示业务i的T矩阵中第j个通道的可靠性；
[0021]步骤6 ;2，含复用元件的并联多通道评估，具体包括:
[0022]步骤6 ;21，复用情况下传统并联可靠性模型失效:复用并联通道承载的业务可靠性应该为:
[0023]R = RxlRx2Rx3Rx4Rx5
[0024]+Rx6Rx2Rx3Rx4Rx7
[0025]
[0026]业务T矩阵中，各条通道之间经常会存在复用情况，因此必须开发新算法用于计算业务可靠性；
[0027]步骤6 ;22，考虑复用元件的多通道并联可靠性计算模型:步骤6 ;21通过符号运算，分析得到存在复用元件的并联通道计算可靠性是在RBD并联模型的基础上，将结果中的高次项转化为一次项；符号计算便于理解，但是当通道节点数目增加时，符号运算的计算量将非常大，而且不利于编程实现；对于所有η中找出m行并联的项的可靠性为:
[0028]
m
t--\ m
C n (卜η ,—\~V C
ΣΣΣ...5,5,...= ΣΠ[Τ?,0)χ/?]
k =Ii=I J=Ii=l
[0029]上式中R为所述步骤S3中的ηΧΙ的列向量，记录每个元件的可靠性数值J111⑴为T矩阵找出m行的第i种组合进行“或”运算的结果向量值；Π为求乘积函数，求取向量Tm(i) XA中所有非零元素的乘积；
[0030]步骤6 ;23，模型的稀疏优化:对于一个区域来说，通信网的节点数量往往远大于电力网的节点数量，大规模网络下的T往往为稀疏矩阵，采用稀疏矩阵技术对其计算进行优化；对某个η个节点网络中某有m条通道的保护业务，需要进行或门公式的式子有酬n = C + 2 x Q +...+ (丨1)x C::; = (m— 2)X 2,；i 1 +1，o(2m)项，也就意味着需要计算 num
次Π Tm(i) XA，定义每条路径Si的平均节点数为L，则需要计算numXL次“或”运算和最多ηXnum次乘法运算，当m比较大时,这个计算量无疑是巨大的；
[0031]公式中每一个m项组合的运算结果可以通过m-Ι项的运算结果得到，即m项组合的第i个运算结果Tm⑴通过m-Ι项中包含Tm⑴项的运算结果(假设为Tnrl (j)，是个I X η的行向量)与新加的T(i) (IXn的行向量)按位求或得到，即:
[0032]Tm (i) = Tm^1(J) I |T(i)
[0033]但是此时不必要直接求^丨)矩阵对应的可靠性，对于运算ri?:(i)x X也可通过
/=1
m-Ι项的运算结果得到，具体方法是对^⑴和TnrlU)进行“异或”运算，即可得到相比于Τ^?), Tffl(i)中增加的量(记为Λ Tm (i))，假设Tlrt (j)与可靠性列向量A的乘积结果为RnrlU)，那么Rma)即为Rnrl(j)乘上λTma).a中非零值，即:
[0034]Rm ⑴=Rm^1 (j) X Π ( Λ Tm ⑴.A)
[0035]基于此，先计算只有一行Si的结果，在在此基础上计算两行相乘SiSj的结果，逐次累加直至求得整个表达式的值；由此，整个公式需要计算的项由2m降为m。
[0036]本发明主要用于描述实际电力通信系统的各个通信设备可靠性以及电力系统通信整个网络架构的方法，根据通信路径计算电力通信系统整体可靠性，包括可靠性运算中的完全NP问题的解决方法。
[0037]本发明结合电网通信部门的地理信息系统的获取网络拓扑数据，基于改进的深度优先搜索算法快速搜索通信网络中可用的通信路径；并基于GO-FLOW思想，采用系统成功为导向，采用图形演绎的方式，利用考虑电力网特性的邻接矩阵方法描述电力通信网。
[0038]另外，本发明是基于电力系统通信网特性的一种稀疏布尔矩阵存储方法。其快速搜索通信网络中可用的通信路径的算法基于改进的深度优先搜索算法，其算法过程见图1 ;
[0039]最后，本发明用于根据通信路径计算电力通信系统整体可靠性，通过将逻辑门的后移等效获得基于链表的可靠性计算方法。并通过将链表运算转换为布尔逻辑运算来加速计算过程。
[0040]因此，本发明具有如下优点:1.符合电力通信系统可靠性计算要求，计算模型结构精细、清晰，模型各组成部分参数意义明确、易获取；2.结合改进的深度优先以及布尔运算加速方法，运算过程快捷、高效、精确；3.考虑到网络模型中关于共有信号量的修正问题，贴近现实，可准确反映实际系统的情况；4.适用于大型复杂系统的建模分析，且建模所需时间短，费用低，实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1本发明的结构原理示意图
[0042]图2本发明使用的业务路径搜索图
[0043]图3本发明使用的复用通道可靠性计算实例图
[0044]图4本发明应用于四链路业务的计算流程图
【具体实施方式】
[0045]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0046]实施例:
[0047]下面结合附图对本发明作进一步说明，附图1是本发明方法的结构原理示意图，包括如下步骤:
[0048]步骤S1:读入通信网络数据，提取网络拓扑信息数据。
[0049]步骤SI的【具体实施方式】为:通过电网通信管理部门的地理信息系统接口导入电力通信网络拓扑的信息，包括网络中节点设备SDH信息、SHD之间连接的光纤信息及各节点设备的唯一标号。
[0050]步骤S2:检查所述提取的网络信息完整性，包括检查是否存在孤立节点、节点标号是否重复，若存在所述问题，则进行手动校核修正，直至得到一个完整的联通网络的信息，通过网络完整性检查。
[0051]步骤S3:计算各部件的可靠性值，包括节点SDH设备可靠性和SDH节点间连接的光纤可靠性。得到设备可靠性向量RnX1，R(i)表示第i个设备的可靠性值，这里的设备是广义设备包括节点设备和光纤。
[0052]部件可靠性值表示该通信部件在规定时间、规定条件下完成规定通信功能的概率，所述节点设备SDH的可靠性与其历史有效性、品牌质量、运行环境及投运年限有关，这些信息存储在电网通信管理系统数据之中，通过步骤SI的标号可以进行一一对应提取，采用经典的层次分析法进行专家评判得到SDH的可靠性值。
[0053]所述SDH节点间连接的光纤可靠性与光纤的单位长度可靠性、光纤程度及管线的保护方式相关。若某段光纤的单位长度可靠性假设为r1(l/kM，长度为lkM，若该段光纤为1+0保护，则该段光纤可靠性为^ltl1 ;若该段光纤为1+1保护，则该段光纤可靠性为:1-(1-1^1)2
[0054]所述1+0保护表示该段光纤未配置冗余保护，1+1保护表示该段光纤配置有冗余保护，即相当于两端相同光纤并联互为备用。
[0055]步骤S4:统计需要计算的业务以及每个业务的起末点。完成对用户需要计算的可靠性业务的读入工作，并对应到电力系统通信可靠性计算的网络中。
[0056]该步骤【具体实施方式】为:依据电网通信管理部门的通信业务安排表，确定需要计算的业务并将期末点读入到表格，所述起末点与步骤I读入的网络信息中的节点对应。
[0057]步骤S5:针对步骤S4所述每个业务的起末点，搜索所有通信路径，形成T矩阵。该步骤主要完成对某个通信业务所有可能通信路径的搜索，所述搜索步骤如附图2所示，其中T矩阵为一个nXm的矩阵，η为所搜索到的路径数量，m为网络中的节点数量。如果第i条路径经过第j个节点，则对应的T(i，j) = I否则T(i, j) = O。
[0058]所述搜索起末点之间的所有路径的步骤结合图2具体介绍如下:
[0059]步骤S5_al:从起点出发，遍历所有出度，存入堆栈中。从堆栈中弹出路径判断是否到达终点，若到达则输出该路径，否则回溯至上一层从堆栈中弹出下一路径直到所有路径均被标记。
[0060]所述形成T矩阵的步骤如下:
[0061]步骤S5-bl:建立全零矩阵T (mXn)，m为通道数量，η为设备数量，遍历步骤S5-al的结果，若第i条通路通过第j个设备，则T (i，j) = I否则T(i，j) = 0.
[0062]步骤S6:计算T矩阵里所有链路的逻辑或的表达式
[0063]步骤S6_a:相互独立并联多通道评估
[0064]当T矩阵中通道相互独立并联时，即为可靠性框图RBD的并联模型。此时业务可靠性可以由下式计算:
[0065]Rb> = 1 _ Π
圬/細⑴
[0066]其中flag(i)表示属于第i个业务的通道编号
[0067]Sj表示业务i的T矩阵中第j个通道的可靠性
[0068]步骤S6_b含复用元件的并联多通道评估
[0069]步骤S6_bl:复用情况下传统并联可靠性模型失效
[0070]RBD框图提供的可靠性并联模型，其成立的条件是并联部分相互独立，当相互独立的条件不满足时，则并联计算模型失效。具体结合附图3分析。
[0071]附图3所示复用通道中有两条通道P1 = xl — x2 — x3 — x4 — x5, P2 =x6 — x2 — x3 — x4 — x7,用符号Rxi表示通道上经过的第i个部件的可靠性按照经典RBD算法计算时的，两条通道组成的业务可靠性为:
[0072]R = 1-(1-Rp2) (1-Rp2)
[0073]= RP1+Rp2-RP1Rp2
[0074]= RxlRx2Rx3Rx4Rx5
[0075]+Rx6Rx2Rx3Rx4Rx7
[0076]_RxiR X2R χ3^ X4HRX7
[0077]由于没有考虑复用，式子中出现了平方项，出现平方的原因是因为自身可靠性相乘，即认为Rx2.Rx2 = R2x20而实际上根据定义，可靠性表示的是元件在在规定条件下完成功能的可能性，是一种概率值。两个部件的可靠性相乘，代表的是两个部件同时有效的可能性,根据全概率公式
[0078]P (ab) = p (a/b).p (b)
[0079]当a, b 相互独立时，P (a/b) = p (a),即 p (ab) = p (a).p (b),而当 a = b 时，p (a/b) =1,即p(ab) = p (a) = p (b)。式中，Rpl.Rp2表示的是两条通道上各部件同时有效的概率,需要满足全概率的公式，Rxi.Rxi = Rx1
[0080]事实上，当出现复用设备时，RBD可靠性并联模型必须进行修正，修正的方法是将结果中的高次项化为一次项。即图3复用并联通道承载的业务可靠性应该为:
[0081]R —
[0082]+Rx6Rx2Rx3Rx4Rx7
[0083]
[0084]业务T矩阵中，各条通道之间经常会存在复用情况，因此必须开发新算法用于计算业务可靠性。
[0085]S6-b2:考虑复用元件的多通道并联可靠性计算模型
[0086]步骤S6_bl通过符号运算，分析得到存在复用元件的并联通道计算可靠性是在RBD并联模型的基础上，将结果中的高次项转化为一次项。符号计算便于理解，但是当通道节点数目增加时，符号运算的计算量将非常大，而且不利于编程实现。例如，对于η条存在复用的并联通道，计算其可靠性的符号表达式如下:
[0087]
【权利要求】
1.一种新的电力通信系统可靠性分析算法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，读入通信网络数据，提取网络拓扑信息数据，即:通过电网通信管理部门的地理信息系统接口导入电力通信网络拓扑的信息，包括网络中节点设备SDH信息、SHD之间连接的光纤信息及各节点设备的唯一标号； 步骤2，检查所述提取的网络信息完整性，包括检查是否存在孤立节点、节点标号是否重复，若存在所述问题，则进行校核修正，直至得到一个完整的联通网络的信息，通过网络完整性检查； 步骤3，计算各部件的可靠性值，包括节点SDH设备可靠性和SDH节点间连接的光纤可靠性；得到设备可靠性向量RnX1，R(i)表示第i个设备的可靠性值，这里的设备是广义设备包括节点设备和光纤；所述部件可靠性值表示该通信部件在规定时间、规定条件下完成规定通信功能的概率，所述节点设备SDH的可靠性与其历史有效性、品牌质量、运行环境及投运年限有关，这些信息存储在电网通信管理系统数据之中，通过步骤SI的标号可以进行一一对应提取，采用经典的层次分析法进行专家评判得到SDH的可靠性值；所述SDH节点间连接的光纤可靠性与光纤的单位长度可靠性、光纤程度及管线的保护方式相关；若某段光纤的单位长度可靠性假设为r1(l/kM,长度为IkM,若该段光纤为1+0保护，则该段光纤可靠性为-K11 ;若该段光纤为1+1保护，则该段光纤可靠性为:1-(1-1?1)2所述1+0保护表示该段光纤未配置冗余保护，1+1保护表示该段光纤配置有冗余保护，即相当于两端相同光纤并联互为备用； 步骤4，统计需要计算的业务以及每个业务的起末点；完成对用户需要计算的可靠性业务的读入工作，并对应到电力系统通信可靠性计算的网络中；即:依据电网通信管理部门的通信业务安排表，确定需要计算的业务并将期末点读入到表格，所述起末点与步骤I读入的网络信息中的节点对应； 步骤5，针对步骤4所述每个业务的起末点，搜索所有通信路径，形成T矩阵；该步骤主要完成对某个通信业务所有可能通信路径的搜索，所述搜索步骤如附图2所示，其中T矩阵为一个nXm的矩阵，η为所搜索到的路径数量，m为网络中的节点数量；如果第i条路径经过第j个节点，则对应的T (i，j) = I否则T(i，j) = 0，其中，搜索起末点之间的所有路径的包括以下子步骤: 步骤5 ;1，从起点出发，遍历所有出度，存入堆栈中；从堆栈中弹出路径判断是否到达终点，若到达则输出该路径，否则回溯至上一层从堆栈中弹出下一路径直到所有路径均被标记； 所述形成T矩阵的步骤如下: 步骤5 ;2，建立全零矩阵T(mXn)，m为通道数量，η为设备数量，遍历步骤5 ；1的结果，若第i条通路通过第j个设备，则T (i，j) = I否则T(i，j) = O ； 步骤6，计算T矩阵里所有链路的逻辑或的表达式，具体包括以下子步骤: 步骤6 ;1，相互独立并联多通道评估，即:当T矩阵中通道相互独立并联时，即为可靠性框图RBD的并联模型；此时业务可靠性可以由下式计算:
jejlag(i) 其中，flag (i)表示属于第i个业务的通道编号而表示业务i的T矩阵中第j个通道的可靠性； 步骤6 ;2，含复用元件的并联多通道评估，具体包括: 步骤6 ;21，复用情况下传统并联可靠性模型失效:复用并联通道承载的业务可靠性应该为:
业务T矩阵中，各条通道之间经常会存在复用情况，因此必须开发新算法用于计算业务可靠性； 步骤6 ;22，考虑复用元件的多通道并联可靠性计算模型:步骤6 ;21通过符号运算，分析得到存在复用元件的并联通道计算可靠性是在RBD并联模型的基础上，将结果中的高次项转化为一次项；符号计算便于理解，但是当通道节点数目增加时，符号运算的计算量将非常大，而且不利于编程实现；对于所有η中找出m行并联的项的可靠性为:
上式中R为所述步骤S3中的ηΧΙ的列向量，记录每个元件的可靠性数值Jji)为T矩阵找出m行的第i种组合进行“或”运算的结果向量值；Π为求乘积函数，求取向量TJi) XA中所有非零元素的乘积； 步骤6 ;23，模型的稀疏优化:对于一个区域来说，通信网的节点数量往往远大于电力网的节点数量，大规模网络下的T往往为稀疏矩阵，采用稀疏矩阵技术对其计算进行优化；对某个η个节点网络中某有m条通道的保护业务，需要进行或门公式的式子有mnn ^ C- + 2 X Cm + …+ (m-1) x C;;: ^ (m- 2) x T 丨 +1，o(2m)项，也就意味着需要计算 num次Π Tffl(i) X A，定义每条路径Si的平均节点数为L，则需要计算numXL次“或”运算和最多η X num次乘法运算，当m比较大时,这个计算量无疑是巨大的； 公式中每一个m项组合的运算结果可以通过m-Ι项的运算结果得到，即m项组合的第i个运算结果!^。通过m-Ι项中包含^⑴项的运算结果(假设为Tnrl (j)，是个IXn的行向量)与新加的T(i) (IXn的行向量)按位求或得到，即:
Tffl(i) = Tffl^1(J) I I T(i) 但是此时不必要直接求Tm⑴矩阵对应的可靠性，对于运算
也可通过m-Ι项
/=I的运算结果得到，具体方法是对Tm(i)和Tnrl (j)进行“异或”运算，即可得到相比于Tnrl (j)，Tffl(i)中增加的量(记为Λ Tm(i))，假设TnriU)与可靠性列向量A的乘积结果为Rnrl (j)，那4Rm(i)即为Uj)乘上ATm(i).A中非零值，SP:
Rm (i) = Rm-! (j) X Π (ATm(i).A) 基于此，先计算只有一行Si的结果，在在此基础上计算两行相乘SiSj的结果，逐次累加直至求得整个表达式的值；由此，整个公式需要计算的项由2m降为m。
【文档编号】H04B10/07GK104135390SQ201410404699
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】张乃平, 李亭, 王波, 贾骏, 方必武, 卞成志 申请人:华中电网有限公司, 武汉大学