智能低压电力线通信网络可靠性分析方法研究

尹 欢

（国网天津市电力公司信息通信公司）

0 引言

由于智能配电网具有业务多元化、拓扑复杂、节点众多等网络特性，系统设备所处的运行环境极易发生瞬时变化，使网络有很大几率受到恶意攻击，产生节点失效、连接速度下降、数据传送障碍的情况。上述现象轻则影响LV-PLC系统的正常运行，严重时容易引发整个通信网络的不稳定性及低可靠性［1-2］。因此，对电力通信网络进行可靠性分析是评测电力系统供应电质量，提高智能电力服务的重要技术。

1 电力线通信网体系结构及通信业务

（1）电力线载波通信系统结构

关于物理层信道的研究都是基于信道的研究，主要在减少噪声干扰，降低消息传输的误码率。这样能在一定程度上提高电力线载波通信网络中点对点通信的可靠性，但无法保证链路时变和应用备份链路后网络的可靠性，在性能的提升方面仍然受到成本等因素制约，提升空间有限，无法满足现实发展电力线通信的要求［3］。为此，有必要从电力线载波通信系统的网络层结构进行深入研究。

（2）网络拓扑构型

系统网络拓扑，是由各种节点设施和通讯介质组合成的整体网络架构图，与电力通信网的传输性能存在密不可分的关系。配电网网络根据其拓扑的类型大致可以划分为总线式、星型、环式、树形和网状拓扑的结构。具体如图1所示。

图1 电力线通信网络拓扑

（3）电力线通信网系统业务

在电力线载波通信网络中，终端之间通过交换设备和通信协议进行连接。从宏观角度分析，每个设备的工作内容都能通过分层归纳。国际标准化组织（ISO）将系统网络互联的标准体系定义成一个七层抽象的模型体，将分布式通信系统具体结构化［4］。

2 低压电力线通信网可靠性研究综述

（1）网络可靠性概念

对电力系统来说，可靠性定义是在规定的条件和时间内，作为个体的设备或作为整体的系统顺利完成特定功能的能力。可以说，可靠度是关于时间的函数，通过概率形式表达为：

式中，T是一个随机变量；F（t）代表系统使用寿命。指在系统正常运行期间，因各种因素终止正常运行的概率。定义寿命T无限小时，系统正常工作，即R（0） ＝1。当寿命接近无限大时，系统必定发生故障，即R（∞）＝0。由此知，可靠性函数得到的评测结果是一个概率值，它处在［0，1］区间之间，并随着系统工作时长的增长而降低，为非增函数。

（2）可靠性分析方法概述

电力线通信网的可靠性是一个复杂概念，往往需要结合多个层面指标进行分析。分析电力线通信网拓扑的可靠性，也需要灵活运用多种角度的评估方法。针对小型和中小型网络，现阶段常用的精确计算法可大致分为状态空间法、因子分解法、业务流量分析法、网络生存度测量四个方向［5］。

3 分析与仿真计算

（1）可靠性计算过程

本文选取边权值计算法来进一步分析不同网络拓扑的通信可靠性。将6个节点的树型、星型、环型、网型化成6个基础的有权网络，进行具体分析，每一条链路、每一个节点都有自己的权重。本文定义该权重为节点和链路的中心度，代表其在网络中的重要度并引入聚点团法判断网络中节点和链路的重要度。设定节点1为接入层的接入节点，即聚核。与之相连或间接相连的节点处于不同的跳面上，按其与聚核之间的跳数划分，可得不同等级的节点重要度见表1。

表1 节点重要度表

1）树型网络分析

使用MATLAB软件按重要度顺序生成每条链路的可用率，可得六节点图形结构如图2所示。

图2 六节点树型网络

分析图2可知，以节点1为聚核，网络中共有两个聚面。一个是距聚核跳数为1的聚面，聚面上有节点2、3，重要度为0.75。另一个距聚核跳数为2的聚面，聚面上有节点4、5、6，重要度为0.5。节点1的重要度为1。则可得各节点的可靠性值见表2。

表2 树型网络各节点可靠性

由此，可得到基于边权值的树型拓扑全网可靠性值为RG1＝0.6552。

2）星型网络分析

为保证计算的公平性，沿用树型网络的可用率初始值，可得六节点星型网络图形结构如图3所示。

图3 六节点星型网络

分析图3可知，以节点1为聚核，网络中共有一个聚面，距聚核跳数为1的聚面，聚面上有节点2、3、4、5、6，重要度为0.9。节点1的重要度为1，则可得各节点的可靠性值见表3。

表3 星型网络各节点可靠性

由此，可得到基于边权值的星型拓扑全网可靠性值为RG2＝0.6533。

3）环型网络分析

沿用树型网络的可用率初始值，可得六节点星型网络图形结构如图4所示。

图4 六节点环型网络

分析图4可知，以节点1为聚核，网络中共有三个聚面。聚面距聚核跳数为1，聚面上有节点2、6，重要度为0.9。聚面距聚核跳数为2，聚面上有节点3、5，重要度为0.75。聚面距聚核跳数为3，聚面上有节点4，重要度为0.5。节点1的重要度为1，则可得各节点的可靠性值见表4。

表4 环型网络各节点可靠性

由此，可得到基于边权值的环型拓扑全网可靠性值为RG3＝0.5552。

4）网型网络分析

沿用树型网络的可用率初始值，并用MATLAB随机生成内部六条边可用率，范围接近，可得六节点网型网络图形结构如图5所示。

图5 六节点网型网络

分析图5可知，以节点1为聚核，网络中共有两个聚面。聚面距聚核跳数为1，聚面上有节点2、3、5、6，重要度为0.9。聚面距聚核跳数为2，聚面上有节点4，重要度为0.75。节点1的重要度为1，则可得各节点的可靠性值见表5。

表5 网型网络各节点可靠性

由此，可得到基于边权值的网型拓扑全网可靠性值为RG4＝0.7023。

（2）分析与仿真

本算法在优化过程中主要应用了最短路由和聚点团原理，提升基于边权值的全端网络可靠性计算的分析性能。主要步骤是：定义节点1为接入网聚核，生成其余节点在聚面上的节点重要度。随机生成六节点网络各链路的可用率，代表其在测量时间节点的状态，建立初始最小路径集合，删除原集合中的每一条边，求剩余子图的最短路径，构成具备合理路由的最小路径集合，根据可用性和经过概率，计算两节点间信息传输的可靠性。结合节点重要度权重，计算网络中每个节点的传输可靠性，继而求出全端网络的通信可靠性。可得四种网络拓扑的可靠性结果见表6。

表6 四种网络拓扑全端可靠性结果

由此可知，考虑链路传输可靠性和节点重要度权值后，四种拓扑的全端可靠性排序为：网型＞树型＞星型＞环型。而每个拓扑都在成本、通信效率等各方面有其对应的优势与不足。进行配电网优化前，应根据经济、环境建设、故障隔离等问题建立综合评价体系，分区规划，有针对性地建设配网拓扑。同时，电力线通信在未来将融入智能家居、“四网融合”等物联网新技术应用中，会接受不同领域的发展挑战，可不拘泥于传统的单一拓扑形式，在网络架构上可以多选择拥有备份链路的网络结构，如网型结构，或多层复合类拓扑，例如人工蛛网拓扑结构，逐渐适应与微波、光纤、无线扩频通信等一体化的联合传输，以提升电力线通信网络的生存性和抗毁性，保障数据的传输质量。

4 结束语

可靠性作为电力线通讯网的重要测量和评价指标，电力系统对其评价的方式和手段正在逐渐健全和完善，但主要都是从物理层入手，提升点对点的通信性能。本文从网络拓扑的传输可靠性出发，结合了配电通信网络在各个节点状态及路由模式的应用特点，给出配电通信网络中不同拓扑的边权值计算，对网络全端可靠性进行进一步分析。通过分析配电通信网有线拓扑结构的可靠性，进一步思考智能电网应用下配电通信网业务的可拓领域，针对可靠性分析结果分析出配电网建设过程中的改进意见。