一种基于无线通信网络的配电信息物理系统可靠性评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线接入网的配电信息物理系统可靠性评估方法，该方法包括：1)计及天气对无线接入网通信的影响，建立了基于无线接入网的配电信息链路有效性模型；2)考虑无线通信失效对物理系统自愈过程的影响，建立了配电信息物理系统故障模式影响分析FMEA表；3)考虑基于无线接入网的信息系统通信失效对孤岛形成、运行的影响，提出了基于蒙特卡洛模拟的配电信息物理系统可靠性评估方法，计算系统可靠性指标。本发明专利技术准确地评估了基于无线接入网的配电信息物理系统的可靠性，为智能配电网的可靠性评估及规划运行提供坚实支撑。网的可靠性评估及规划运行提供坚实支撑。网的可靠性评估及规划运行提供坚实支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线通信网络的配电信息物理系统可靠性评估方法


[0001]本专利技术涉及电力系统中智能配电网可靠性评估与规划领域，具体涉及一种考虑天气对无线接入网通信质量的影响，并计及基于无线接入网信息系统失效的有源配电网可靠性评估方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术的快速发展并广泛应用在主动配电网，极大地拓展了智能电网的信息空间边界，实现了智能电网中信息流和能量流之间的协同互动。在主动配电网中信息流和能量流频繁地交互并相互影响，形成新型能源体系结构即配电信息物理系统。
[0003]配电信息物理系统的核心技术特征是信息系统与物理系统的紧密耦合，充分利用信息技术增强对电力系统的感知和控制能力最大限度地维护物理系统的可靠运行，以满足电网未来的发展需求。这种信息物理深度耦合特性会影响到整个配电网的可靠性，因此，配电信息物理系统需综合考虑物理、信息系统的交互影响来度量供电可靠性。
[0004]目前，在配电信息物理系统可靠性相关研究中，信息系统主要考虑以太无源光网络、工业以太网为代表的有线通信来构建接入网。然而，有线通信网络存在敷设难度大、建设周期长、故障恢复时间长、投资成本高等问题，对分布式电源、储能等广泛分布资源的适应性较差。以5G等先进无线通信方式所构建的接入网能有效克服上述问题、更好的服务于终端用户，但也需要充分考虑天气等外部因素所带来影响。
[0005]综上所述，有必要提出一种计及天气对无线接入网通信影响的配电信息物理系统可靠性分析方法，来评估系统可靠性，为智能电网的建设、规划运行提供支撑。r/>
技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本专利提出了一种基于无线接入网的配电信息物理系统可靠性分析方法。
[0007]具体的，本申请提出的一种基于无线接入网的配电信息物理系统可靠性方法包括：
[0008]S1：计及天气对无线接入网通信的影响，建立了基于无线接入网的配电信息链路有效性模型；
[0009]无线通信网络通过无线收发器接收和发出信号，信号在传播过程中以无线电波的形式在空气中进行传播，容易受到天气条件的影响，使得信号发生反射、散射、衍射，从而沿多条路径进行数据传输，信号传输过程中发生衰减，接收端的接收功率降低、影响通信质量。恶劣天气情况下接收端功率W
i
计算：
[0010][0011]P
air
＝A
air
*d (2)
[0012]PL＝h+glog
10
d (3)
[0013][0014]式中，表示通信基站发射的功率；pl表示路径传输损耗倍数，由dB形式的PL转换而来；P
air
天气对无线信号损耗的功率，A
air
表示不同天气情况下电磁波的衰减系数；d表示无线信号的传输距离；PL为路径损耗模型计算的传输损耗的dB形式；h和g是路径损耗模型的系数，在不同的传播场景下是不同的。
[0015]无线通信的通信质量用信噪比指标来表示。信噪比SNR的计算公式为：
[0016][0017]信息系统内部因素的影响包括了因通信设备故障导致的通信中断及因延时、误码超过系统规定的阈值导致的通信传输异常。无线通信网络通信设备主要为智能终端、通信基站，均采用两状态模型。以通信基站为例，假设基站i故障率为λ
i
，修复率为μ
i
，则基站i可用率α
i
则可表示为：
[0018][0019]基站i的平稳状态S(i)可表示为:
[0020][0021]式中：α
i
'表示对基站i产生一个在[0,1]区间均匀分布的随机数；0表示基站i处于工作状态，1表示基站i处于失效状态。
[0022]无线通信网络中智能终端与通信基站的通信过程是一个不断选择的过程，考虑到智能终端位置固定，正常运行情况下，智能终端附着的通信基站是固定的，只有当通信基站发生故障后，智能终端依据一定的原则选择新的通信基站进行附着。
[0023]智能终端附着通信基站的原则有两个方面：一是智能终端到基站的距离d要小于基站所能覆盖的半径R；二是智能终端与该基站间的通信质量要最好。根据智能终端选择通信基站原则，建立模型：
[0024][0025]建立基于无线通信网络的配电信息物理系统连通性模型：
[0026]C(x
i
,t)＝S1(m,t)∩R
net
∩S2(n,t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0027]式中：C(x
i
,t)表示t时刻路径i的连通状态；S1(m,t)表示t时刻无线接入网中信息设备m的元件状态；S2(n,t)表示t时刻数据传输网、电力核心网设备n的元件状态；R
net
表示通信链路的可靠度，通常采用深度优先搜索算法对通信链路可靠度进行评价。
[0028]基于无线通信网络的配电信息物理系统承载业务数据时，配电自动化智能终端端对端的传输延时包括了智能终端和客户前置终端设备(Customer Premise Equipment，
CPE)之间的传输时延t1、CPE和通信基站之间的空口时延t2、通信基站到电力核心网传输时延t3组成。因此，端对端传输延时计算公式为：
[0029]t＝t1+t2+t3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0030]基于无线通信的信息系统延时可靠性表示为：
[0031][0032]式中，τ0为信息业务所要求的总时延上限。
[0033]智能终端与客户前置终端设备传输延时较短，处理过程中认为t1为0，空口时延t2、基站到电力核心网的传输时延t3具有很大的随机性，需要对其进行分析。通信基站到电力核心网的传输时延t3包括节点设备延时和线路传输延时，节点设备延时τ
t
相对固定，对于一条经过N个站点的SDH通信路径，通信基站到电力核心网的传输时延为：
[0034][0035]式中：L1为通信基站之间信息传输链路光纤总长度；c为光速。
[0036]CPE到通信基站的空口时延t2包括了信道获取时间T
ser
、数据传输时间T
tx
。当某一智能终端需要向通信基站进行数据传输时，首先需要对信道的状态进行判断，如果信道空闲，则占用信道进行数据传输；则需要等待信道空闲后才能进行数据传输。
[0037]信息由智能终端传输到通信基站的传输延时主要是由MAC层决定。其中，MAC层中的CSMA/CA机制是核心算法之一，直接决定了节点的传输速度以及传输延时。在CSMA/CA算法中节点发送数据时，需要不断进行空闲信道评估。因此，建立影响MAC层传输延时的空闲信道忙的概率а：
[0038][0039]P
ild
＝1
‑
P
tx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无线接入网的配电信息物理系统可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括：S1，计及天气对无线接入网通信的影响，建立了基于无线接入网的配电信息链路有效性模型；S2，考虑信息链路失效对物理系统自愈过程的影响，建立了配电信息物理系统故障模式影响分析FMEA表；S3，考虑基于无线接入网的信息系统通信失效对孤岛形成与运行的影响，提出了基于蒙特卡洛模拟的配电信息物理系统可靠性评估方法，计算系统可靠性指标。2.根据权利要求1所述的一种基于无线接入网络的配电信息物理系统可靠性评估方法，其特征在于，步骤S1中，以信噪比作为通信质量指标衡量天气对无线通信网络的影响，并结合网络自身特性，建立无线模式下信息系统链路有效性模型，具体包括：无线通信的通信质量用信噪比指标来表示。信噪比SNR的计算公式为：式中，表示通信基站发射的功率；pl表示路径传输损耗倍数，由dB形式的PL转换而来；P
air
天气对无线信号损耗的功率，A
air
表示不同天气情况下电磁波的衰减系数；d表示无线信号的传输距离；PL为路径损耗模型计算的传输损耗的dB形式，信息系统自身特性包括了因通信设备故障导致的通信中断及因延时、误码超过系统规定的阈值导致的通信传输异常，其中，基于无线接入网的配电信息物理系统连通性模型：C(x
i
,t)＝S1(m,t)∩R
net
∩S2(n,t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：C(x
i
,t)表示t时刻路径i的连通状态；S1(m,t)表示t时刻无线接入网中信息设备m的元件状态；S2(n,t)表示t时刻数据传输网、电力核心网设备n的元件状态；R
net
表示通信链路的可靠度，通常采用深度优先搜索算法对通信链路可靠度进行评价，基于无线接入网的配电信息物理系统延时可靠性模型：t＝t1+t2+t3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：τ0为信息业务所要求的总时延上限；t1为智能终端和客户前置终端设备之间的传输时延、t2为CPE和通信基站之间的空口时延、t3为通信基站到电力核心网传输时延，基于无线接入网的配电信息物理系统误码可靠性模型：δ
i
＝(1
‑
E
i
)
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：δ0为电力业务所规定的误码可靠性阈值；δ
i
表示通信路径为时信息准确传输的概
率；E
i
为数据传输的误码率；l为数据包长度；Q(
·
)为标准高斯分布的积分尾函数；B
N
为无线传输收发器的噪声带宽；R为数据传输速度；SNR为接入通信基站时的信噪比，信息链路有效性是指通信链路可达、信息传输及时、准确，建立基于无线通信网络的配电信息物理系统信息链路有效性模型：A(x
i
)＝C(x
i
)∩T(x
i
)∩Φ(x
i
) (8)式中，C(x
i
)为传输通道i的拓扑可靠性；T(x
i
)为传输通道i的延时可靠性；Φ(x
i
)为传输通道i的误码可靠性，当且仅当上述三种可靠性同时满足系统通信要求时，传输通道才有效，此时智能终端能与服务器之间进行信息的有效传输。3.根据权利要求1所述的一种基于无线通信网络的配电信息物理系统可靠性评估方法，其特征在于，步骤S2中，采用故障模式影响分析法量化评估物理与信息系统失效场景下故障后果，并建立故障模式影响分析FMEA表，具体包括：结合馈线分区的概念将设置的配电网网架结构划分为馈线区域，结合物理系统故障场景、信息系统控制情况、故障自愈全过程，将区域进一步划分为故障区、正常区、上游隔离区、上游无缝孤岛区、下游无缝孤岛区、下游隔离孤岛区、下游无缝孤岛联络区、下游隔离孤岛联络区、联络转供区，确定各区域停电时间及失负荷量，对物理系统故障、信息系统有效控制或控制失效场景进行分析，通过对各个元件进行分析，确定各个故障场景下系统馈线...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪，王琼，徐正阳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：