基于链路多态的IEC61850通信系统失效率计算方法与流程

本发明涉及电力系统通信及系统可靠性计算技术领域，特别是涉及iec61850通信系统领域的可靠性计算方法，属iec61850通信系统可靠性领域。

背景技术：

为了适应智能变电站的建设，智能电子设备在变电站得到大规模应用。智能化一次设备可以实现状态信息的数字化采集和网络传输，从而建立基于iec61850的统一通信系统和通信平台。iec61850通信系统的状态监测是变电站中智能一次设备的核心组成部分，iec61850的通信系统是一个分布式实时系统，其功能需要多个ied通过交换信息共同协作，并在规定时间内完成功能。对iec61850信息系统可靠性的计算，涉及到信息系统在规定时间内是否顺利完成特定功能，其计算和评估方法在当前阶段研究较少。

iec61850信息系统可靠性，是指对特定功能在规定时间内完成的可能性的考察。针对此思想，有研究者提出了基于离散时间马尔科夫链的可靠性评估方法。此类方法的基本思想如下：（1）以ied为顶点或通信链路为基本单元构成通信系统，根据失效的基本单元不同，列举出所有的通信系统状态（包括正常和故障状态）；（2）根据各基本单元的失效率经验数据，可计算出各通信系统状态之间的概率转移矩阵；（3）再以概率转移矩阵为基础，计算出在规定的时间内仍处于正常状态的概率，即可得到通信系统在规定时间内的可用性。

由上可知，此类方法计算结果的合理性，取决于各基本单元失效率的确定是否合理。在已提出的方法中，相关的失效率数据一般取自于二次设备厂商的维护数据。

这样的失效率数据选取方法，对于通信链路失效率的确定可能存在一定问题。因为维护数据所给出的失效率，对应的都是不可修复故障。而实际上，通信链路在传输两逻辑节点间的数据集时，发生的故障是多种多样的。既有不可修复的故障，也有随机发生的零散数据集丢失（协议、缓存等原因）。而当后者发生时，iec61850通信系统仍有可能在规定时间完成特定功能（当零散数据集丢失情况不严重时）。

因此，通信链路的故障情况应该是多样的。在形成通信系统故障状态空间时，应充分考虑这一因素。

技术实现要素：

鉴于以上情况，本专利在基于离散时间马尔科夫链的可靠性计算方法的基础上，提出了一种充分考虑通信链路各种故障状态的iec61850通信系统失效率计算方法。本发明定义了通信链路的各种状态，在链路状态的基础上构成通信系统的状态空间，通过构成通信系统的各链路的状态空间结构，即可形成通信系统状态变化的转移概率矩阵；其次，本发明提出了通信系统状态序列类的概念，将庞大的状态转换数量分为较少的几类，每一类状态序列对应一个通信系统有效的序列集合，可更简化的计算在规定时间内的通信系统失效率，使得本发明涉及的方法对于状态空间较大的情景仍能够有很好的通用性。

由于本技术方案的改进主要体现在对通信链路失效率的确定，因而在计算系统的失效率时，为计算简便，认为各ied不发生硬件失效。

为实现此目的，本专利采用的技术方案如下。

基于通信链路多种状态计算iec61850通信系统失效率的方法，所述方法包括步骤：（a）计算单条通信链路的最大允许连续丢包数量n；（b）定义单条通信链路的状态，计算通信链路可能存在的状态数量；（c）计算出通信系统故障状态空间的状态数量r，并规定通信系统各条链路都正常的状态记为g(1)，其余的状态分别记为g(2)~g(r)，并将状态g(1)~g(r)一一对应于具体链路状态；（d）根据通信链路状态之间的转移概率为pj计算通信系统状态一步转移概率矩阵p⁽¹⁾；（e）根据通信系统所有可能的状态序列中，首次出现系统传送有效的时刻特征对通信系统状态进行分类；（f）按照首中概率计算方法，计算各状态序列类的概率；（g）计算在规定时间内通信系统的失效率。

在所述的步骤b中，关于信息链路状态的定义如下：

将事件“某固定时刻通信链路i将要发生连续j个时间间隔（包含当前时刻）的传送故障”记为状态li(j)

该通信链路i在某一时刻可能存在的状态数量为m+1个，其中m为自该时刻至规定时间结束剩余的采样次数（1≤m≤n+1），故事件“通信链路i在当前时刻正常”的状态应记为li(0)

步骤e中对状态序列分为若干个状态序列类，其步骤包括：

e1、定义初始时刻（0时刻）系统为正常，然后按照发送数据的时间顺序形成通信系统的状态，每一个按照时间顺序排列的固定顺序称之为一个“状态序列”。每一序列均拥有n+2个状态，其中第一个（0时刻的）状态为g(1)。故通信系统拥有rⁿ⁺¹个状态序列。

e2、对rⁿ⁺¹个状态序列进行分类，为使通信系统有效，故要求在所有序列类中，出现至少一个正常状态g(1)的即为系统有效，故按照在0时刻后首次出现状态g(1)状态的顺序，对所有含状态g(1)的状态序列进行分类，可分为n+1个状态序列。

而对于不包含g(1)的状态序列，由于该状态序列对应于系统无效，不在状态序列类的分类之中。

e3、对每一状态序列类，将其中的g(1)状态表示为1，确定为非g(1)的状态1表示为0，其余不确定的状态用“*”表示。

在以上规则基础上，将通信链路发生故障时的数据集丢失的时间长度，作为区分通信链路各类故障的依据，各类故障都有一定的发生概率。以此为基础，形成通信系统的全部故障状态空间，并计算各状态之间的一步转移概率矩阵。在计算规定时间内通信系统的失效率时，假设只要有一个时刻各条链路均处于正常状态，就认为通信系统没有失效。基于以上链路通信可用的实际情况，定义了状态序列类的概念，并将其用于通信系统在规定时间内的失效率计算中。

附图说明

图1为本发明实施方式中基于通信链路多种状态计算iec61850通信系统失效率的流程图。

图2为本发明中一个单条链路的可能状态示意图。

图3为本发明中一个包含3条链路的通信系统示意图，且该图中每条通信链路的可能状态均如图2所示。

图4为对应于图3通信系统在某一时刻形成的状态空间。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体步骤和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“链路”表示一条单独的通信传送渠道，“通信系统”表示多条链路通过一定方式连接成的一个通信单元。“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解（例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等）。

另外，在本发明中计算通信系统可靠性的步骤中，涉及到针对首中概率的求取。下面给出首中概率的基本概念和计算方法，以便对应后续内容的说明。

假设已知齐次有限马尔科夫链的一步转概阵p，状态i经过n(n>2)步首次到状态j的概率为

称为状态i到j的n步首中概率。特别地，当i=j时，称为状态i的n步首返概率。

上式中，r为p的阶数，为k到m的不经过j的n-2步转移概率。写成矩阵形式为

行矩阵ri为p中状态i对应的行去掉pij，列矩阵cj为p中状态j对应的列去掉pij，为其他状态间不经过j的n-2步转移概率矩阵。

在一步转移概率矩阵p中，去掉状态j所对应的行和列，得到余子阵hj，则

即

通过上式即可求取各种情形的首中（返）概率。

如图1所示，本发明实施方式中，基于通信链路多种状态计算iec61850通信系统失效率方法包括步骤：（a）计算单条通信链路的最大允许连续丢包数量n；（b）定义单条通信链路的状态，计算通信链路可能存在的状态数量；（c）计算出通信系统故障状态空间的状态数量r，并规定通信系统各条链路都正常的状态记为g(1)，其余的状态分别记为g(2)~g(r)，并将状态g(1)~g(r)一一对应于具体链路状态；（d）根据通信链路状态之间的转移概率为pj计算通信系统状态一步转移概率矩阵p⁽¹⁾；（e）根据通信系统所有可能的状态序列中，首次出现系统传送有效（首中）的时刻特征对通信系统状态进行分类；（f）计算各状态序列类的概率（首中概率）；（g）计算在规定时间内通信系统的失效率。

对于步骤a，最大允许丢包数量指在规定的时间间隔内，除有且仅有一次传送成功外，其余传送均连续失败的最大传送次数。

根据通信链路传送的规定时间范围、采样间隔时间、一次传送成功所需要时间等参数，若通信链路i在规定时间t1内传送若干次数据，其中有一次传送成功即为该链路传送成功（链路有效），若通信链路相邻两次数据传送的时间间隔为t2，一次传送成功所需要的时间为t0。则最大允许丢包数量的计算公式为。

以图2所示的通信链路为例，t1取3ms，t0取1.5ms，t2取1ms，则可计算得出，即通信链路最大允许丢包数量为1。

对于步骤b，本专利所提出的关于信息链路状态的定义：

将事件“某固定时刻通信链路i将要发生连续j个时间间隔（包含当前时刻）的传送故障”记为状态。

由于通信链路在规定时间内的最大传送次数为最大允许丢包数+1，考虑到每一时刻通信链路可能出现传送“正常”和“失败”两种情况，故通信链路的状态数为n+2。

图2所示的通信链路在第一次传送的对应时刻（当前时刻）可能存在的状态数量为2个，故其有可能在此时刻发生连续2个、1个传送失败、以及当前正常传送等3个状态，分别可记为、、。

对于步骤c，考虑到单条通信链路的状态数为n+2，对含有m条链路的通信系统，其状态空间所包含的状态数量为r=（n+2）^m。分别对应状态空间g(e1,e2,…,em)。其中m为通信系统包含的链路数，e1,e2,…,em对应通信系统各条链路的状态，ei=j表示通信链路i的状态为。

以图3为例，图中所示通信系统状态包含3条如图2所示的通信链路，每一链路均有3个状态，故图3所对应通信系统应有27个状态空间。分别对应于状态g(e1,e2,e3)，其中e1,e2,e3均为0,1,2之中间的任一整数。

规定通信系统各条链路都正常的状态为g(1)，其余状态对应于g(2)~g(r)。故图3中通信系统g(1)状态对应的状态空间为g(0,0,0)，而其余状态所对应状态空间中至少有一个链路的状态不为0。具体可进行一一对应如下表。

图3所示通信系统状态与对应状态空间

对于步骤d，通信链路状态之间的转移概率指某链路i经过一个时间间隔的转移概率，其值可通过仿真实验或者经验数据得到。据此得知，若某时刻链路i处于状态（1≤j≤n+1），那么在经过一个时间间隔后，该链路的状态一定是li(j-1)。故其转移概率一定为1，即p{li(j)→li(j-1)}=1，只有在时，其转移概率才为介于0~1之间的实数。

以图2为例，图中通信链路的状态转移概率具有如下特点：

p{li(2)→li(1)}=1，p{li(1)→li(0)}=1

p{li(0)→li(2)}=xp{li(0)→li(1)}=y，p{li(0)→li(0)}=z

其中x,y,z∈[0,1]且x+y+z=1。其余转移概率均为0。

将通信系统由状态i转移到状态j的概率定义为pij，若通信系统状态g(i)的状态空间对应于g(a1,a2,…,am)，通信系统状态g(j)的状态空间对应于g(b1,b2,…,bm)则

从而，通信系统的一步转移概率矩阵可表示为

对角元素在实际中只有在a1=a2=…=am=0时才不为0，若其中，则对应的，故矩阵中pii=0（i=2,3,…,r）。

以图3为例，图中通信系统有27个状态，故其一步转移概率矩阵可表示为

为了更清楚的理解，矩阵中第一行和第一列的元素计算结果如下表所示。

图3所示信息系统一步转移矩阵中第一行元素计算结果

图3所示信息系统一步转移矩阵中第一列元素计算结果

按照所述的步骤e，按照0时刻后首次出现1状态的时刻分类，可得到n+1个状态序列类，具体如下表所示：

状态序列类的形成

以图3为例，图中通信系统有27个状态，可形成27²=729个状态序列，在摒弃了系统无效的状态序列后，仅有27+26=52个有效状态序列，这些状态序列可分为两类，分别对应于首中在时刻1或时刻2。具体如下表

图3系统对应的状态序列类

注：表中“1”表示状态g(1)，“0”表示g(2)~g(27)中的任一状态，“*”表示g(1)~g(27)中的任一状态。

在所述的步骤f中，若状态序列k的概率表示为sk，则

其中，表示k步转移概率，指通信系统在时刻0以状态1为起点，经过k个时间间隔后在时刻k第一次变为状态1，对时刻k之后的各时刻状态没有要求。

以图3所示通信系统为例，表示从0时刻起，从状态1出发经过1个时间间隔首次变为状态1的概率，即一步转移概率矩阵中的元素p11，也对应一步首中概率。表示从0时刻起，从状态1出发经过2个时间间隔首次变为状态1的概率，即状态1的两步首中概率。

在所述的步骤g中，通信系统在规定时间内的可用率为。

规定时间内失效率为：。

以图3所示通信系统为例，。

故图3通信系统在3ms内的可用率为。

所以，图3通信系统在3ms内的失效率为。

由此，通过采用本发明的基于通信链路多种状态计算iec61850通信系统失效率的方法，针对通信链路的状态，计算通信链路的状态数量，符合通信链路实际数据采集和传送模式；依据通信系统数据传送时各不同时刻状态空间的变换所表现的时间特征，提出状态序列类的概念，并将其应用于通信系统概率计算，体现出了通信系统传送有效所具有的特性。另外，本发明基于通信系统的状态序列类的转移概率的计算方法，可以很方便的处理含多条链路、多个传送时刻的大型通信系统的传送概率计算问题，通过一步转移概率矩阵的较少次计算，实现了大型通信系统失效率计算。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。