基于保底電網(wǎng)的通信網(wǎng)智能風(fēng)險管理與動態(tài)控制技術(shù)研究*

劉新展，劉 鵬，張珮明

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

0 引言

在近年的臺風(fēng)、冰災(zāi)等重大自然災(zāi)害和重大保供電期間期間，廣東電網(wǎng)通信專業(yè)在實際工作中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)通信網(wǎng)運行風(fēng)險分析手段和系統(tǒng)難以滿足通信網(wǎng)運行風(fēng)險快速智能分析與動態(tài)控制管理要求。由于缺乏通信網(wǎng)運行風(fēng)險智能分析和動態(tài)仿真的有效手段，廣東電網(wǎng)通信無法基于通信設(shè)備因災(zāi)受損情況和通信網(wǎng)因災(zāi)影響范圍，實時快速動態(tài)開展通信網(wǎng)基于問題的風(fēng)險評估并制定風(fēng)險控制措施，無法將通信網(wǎng)運行風(fēng)險與保底電網(wǎng)運行風(fēng)險實現(xiàn)有效聯(lián)動管理。此外，如何可靠實現(xiàn)保底電網(wǎng)的通信技術(shù)保障研究目前尚屬空白。

因此，廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心組織各供電局通信專業(yè)開展了基于保底電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)，提出了保障城市中心城區(qū)和重要用戶負(fù)荷持續(xù)供電、保障地區(qū)電源送出的最小規(guī)模網(wǎng)架的保底電力通信網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)。

同時，通過研究通信網(wǎng)業(yè)務(wù)模型，研發(fā)了基于保底電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)運行風(fēng)險與動態(tài)控制的可量化分析的評估指標(biāo)、數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)等技術(shù)支撐手段，改變了現(xiàn)有依賴于人工經(jīng)驗的通信安全評估管理模式，實現(xiàn)了快速精準(zhǔn)開展基于保底電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)承載業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信設(shè)備生存性的量化分析和風(fēng)險評估，指導(dǎo)了廣東電網(wǎng)保底通信網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)，有效保障了廣東電網(wǎng)和對港澳保供電運行安全，為廣東電網(wǎng)智能電網(wǎng)特性研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基于保底電網(wǎng)的通信網(wǎng)風(fēng)險因素分析

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的迅猛擴大，電力通信網(wǎng)在電力生產(chǎn)和電力調(diào)度中發(fā)揮的作用越來越重要，其安全性要求大幅提升，因此有必要對其進行風(fēng)險評估。通過風(fēng)險評估可以識別保底電力通信網(wǎng)系統(tǒng)存在的風(fēng)險以及這些風(fēng)險可能會給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來的影響。根據(jù)評估結(jié)果可以制定相應(yīng)的風(fēng)險控制措施，有效降低風(fēng)險或避免風(fēng)險，提高系統(tǒng)的安全性。基于保底電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)是一個龐大的信息系統(tǒng)，基于國際標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)建立原則可以得到通信網(wǎng)風(fēng)險評估的影響因素。

1.1 風(fēng)險因素

1.1.1 自然因素

自然因素誘因常見的為臺風(fēng)、雷電、冰災(zāi)、山體滑坡、洪水以及火災(zāi)等自然災(zāi)害，和市政等工程施工、小動物啃咬等外力破壞，能夠?qū)е峦ㄐ旁O(shè)備損毀和連鎖性的通信網(wǎng)故障發(fā)生。通過分析廣東電力通信網(wǎng)歷年發(fā)生的緊急、重大和一般缺陷，結(jié)合廣東電網(wǎng)所處地理位置，其中引發(fā)廣東電力通信網(wǎng)事件的最大的自然因素為臺風(fēng)，還有雷擊、市政等工程施工、山體滑坡以及小動物啃咬等。

首先，臺風(fēng)和冰災(zāi)自然因素是廣東電力通信網(wǎng)事件的最大誘因，特點是持續(xù)時間短，覆蓋范圍廣，災(zāi)后搶修困難，對通信網(wǎng)安全運行影響嚴(yán)重。常見故障現(xiàn)象主要是臺風(fēng)、冰災(zāi)、洪水以及山體滑坡等導(dǎo)致線路塔傾倒、輸配電電纜走廊受損、ADSS光纜或OPGW光纜受損甚至故障中斷，呈現(xiàn)季節(jié)性且人力不可控。

其次，廣東電網(wǎng)所處地區(qū)是強雷區(qū)，常年雷電活動頻繁。經(jīng)測定，雷電電流可達(dá)2×105A，二次感應(yīng)電流可達(dá)1×104A，而對地感應(yīng)電壓可達(dá)6 000 V。當(dāng)雷擊發(fā)生時，強大的電流通常會通過各種途徑間接或直接對隨線路塔敷設(shè)的OPGW等光纜造成破壞。

再次，廣東電網(wǎng)尤其是珠三角電網(wǎng)地處經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，輸配電線路或電纜沿線市政工程施工頻繁。由于系統(tǒng)外工程施工管理困難等，因市政施工導(dǎo)致的光纜非計劃中斷事件一直是難以改善的重要風(fēng)險因素。

最后，小動物（包括老鼠、松鼠、白蟻等）啃咬破壞引起光纜線路纖芯中斷，尤其是變電站內(nèi)外輸配電電纜溝內(nèi)的管道光纜。此外，經(jīng)桿塔下地的管道光纜也可能因為小動物啃咬而損傷嚴(yán)重，影響電力通信的安全。

1.1.2 設(shè)備因素

各種類型的通信設(shè)備由于設(shè)計水平、制造工藝以及材料質(zhì)量等差異存在的設(shè)備固有缺陷，以及不同運行環(huán)境對設(shè)備MTBF的影響，這些內(nèi)在因素稱為設(shè)備故障內(nèi)在誘因。這類誘因在一定條件下將對通信通道產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致電網(wǎng)各種生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)中斷，嚴(yán)重影響廣東電網(wǎng)和對港澳保供電運行安全。

下面以智能電網(wǎng)基礎(chǔ)通信平臺“光傳輸系統(tǒng)”為例，基于電力通信資源模型，從3個層面分析設(shè)備層故障內(nèi)在誘因、網(wǎng)絡(luò)層故障內(nèi)在誘因及業(yè)務(wù)層故障內(nèi)在誘因，分別如表1、表2和表3所示。

1.2 電力通信網(wǎng)故障和誘因關(guān)聯(lián)分析方法

目前，對常規(guī)電力通信網(wǎng)故障形成的誘因和因素并未做有效歸納。在對誘因進行量化時，以誘因的次數(shù)為分析依據(jù)，量化結(jié)果不夠細(xì)化，對誘因可能直接導(dǎo)致的故障及其關(guān)聯(lián)方案也缺乏有效的研究。由于網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)層的故障的根源都在設(shè)備故障，將電力通信網(wǎng)的故障歸納為自然因素、人為因素和設(shè)備因素3個方面進行量化和分析。因此，基于電力通信資源模型提出了一種保底電力通信網(wǎng)故障和誘因間關(guān)聯(lián)分析方法。該方法首先對可能導(dǎo)致電力通信網(wǎng)故障的各種誘因進行歸類。其次，依據(jù)各類誘因的特點量化各類誘因的發(fā)生概率。一方面依據(jù)故障和誘因之間的邏輯關(guān)聯(lián)，建立兼顧依賴度和誘因集合發(fā)生概率的故障發(fā)生概率模型。另一方面，針對此模型，結(jié)合實際對模型進行簡化修正。最后，通過實例驗證了該方法能夠有效分析已有誘因下的故障發(fā)生概率，并能夠確認(rèn)各誘因的合理權(quán)重，進而有效指導(dǎo)電力通信網(wǎng)的運行維護，提前規(guī)避故障的發(fā)生。該方法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 設(shè)備層故障及其誘因分析

表2 網(wǎng)絡(luò)層故障及其誘因分析

表3 業(yè)務(wù)層故障及其誘因分析

圖1 電力通信網(wǎng)故障和誘因間關(guān)聯(lián)分析方法結(jié)構(gòu)

1.3 電力通信風(fēng)險預(yù)警及防控技術(shù)

電力通信網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警是分析判斷即將發(fā)生的每個通信事件或事故的最高風(fēng)險等級。風(fēng)險預(yù)警的目標(biāo)是針對可能發(fā)生的事故情況，確定風(fēng)險等級來表示風(fēng)險的大小。確定風(fēng)險等級可通過預(yù)評估事故的嚴(yán)重程度和其發(fā)生的概率來進行。每個危險事件都有導(dǎo)致不同程度事故的可能。一般情況下，對于每種事故的嚴(yán)重程度只采用一個數(shù)據(jù)。因此，預(yù)警電力通信網(wǎng)風(fēng)險時應(yīng)考慮實際發(fā)生通信事故事件的嚴(yán)重程度，只選取最高風(fēng)險的數(shù)據(jù)作為預(yù)警信息。

為解決電力通信網(wǎng)風(fēng)險誘因嚴(yán)重程度分析和概率權(quán)重分配難點，需要創(chuàng)建預(yù)警評估模型，通過風(fēng)險實時監(jiān)控手段監(jiān)測風(fēng)險誘因量化數(shù)據(jù)的變化趨勢，預(yù)估通信事故事件發(fā)生概率，輸出精準(zhǔn)風(fēng)險防控措施，消除或降低運行風(fēng)險，實現(xiàn)電力通信網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警及防控管理。

在電力通信網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警及防控管理過程中，可以對已采取控制措施的各類通信網(wǎng)運行風(fēng)險持續(xù)進行跟蹤、監(jiān)控，并將結(jié)果作為一類信息反饋至風(fēng)險信息收集這一步，進入又一輪循環(huán)，直至該信息進入相對穩(wěn)定狀態(tài)（如“風(fēng)險已控”）或判定為“無風(fēng)險信息”。通過對措施的結(jié)果進行反饋，進一步精準(zhǔn)調(diào)整有關(guān)控制措施，以便更有效地預(yù)防特定通信網(wǎng)運行風(fēng)險的發(fā)生，降低或消除通信網(wǎng)運行風(fēng)險，保障電網(wǎng)運行安全。

1.4 風(fēng)險防控措施

廣東電網(wǎng)通信專業(yè)以通信網(wǎng)基準(zhǔn)和基于問題的隱患識別和風(fēng)險評估為基礎(chǔ)，通過科學(xué)制定風(fēng)險防范措施，降低風(fēng)險造成后果的嚴(yán)重程度和風(fēng)險發(fā)生的可能性，把通信網(wǎng)運行風(fēng)險控制在可接受的程度。其中，風(fēng)險控制措施包括技術(shù)措施和組織措施。技術(shù)風(fēng)險控制措施根據(jù)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層次特點劃分為設(shè)備層技術(shù)風(fēng)險措施、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)風(fēng)險控制措施和業(yè)務(wù)層風(fēng)險控制措施，如設(shè)備板卡1:N保護、SNCP網(wǎng)絡(luò)保護、業(yè)務(wù)抗M-N多重失效保護等風(fēng)險控制措施。根據(jù)技術(shù)風(fēng)險控制措施的實時周期和方式，它又可分為工程建設(shè)、常態(tài)運行和臨時控制措施。

組織風(fēng)險控制措施按照周期分為常態(tài)化組織風(fēng)險控制措施和臨時性組織風(fēng)險控制措施。

常態(tài)化組織風(fēng)險控制措施通常包括：制定風(fēng)險控制措施的相關(guān)管理制度、業(yè)務(wù)流程、管理機構(gòu)和協(xié)調(diào)機構(gòu)；明確單位、部門及班組的工作職責(zé)和要求；根據(jù)備品備件的需求及分布，合理部署備件的儲存地點、型號和數(shù)量等；對不同崗位的技術(shù)人員進行技術(shù)培訓(xùn)及管理規(guī)定的宣貫；及時總結(jié)運行過程中的異常、故障、解決方案及效果，建立風(fēng)險控制策略儲備庫；加強過程安全管理和安全檢查，完善電力通信網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評估體系、事故預(yù)案和快速應(yīng)急預(yù)案評審。

臨時性組織風(fēng)險控制措施通常針對事故預(yù)案和快速應(yīng)急機制，提高風(fēng)險控制措施的有效性，進一步減小風(fēng)險的威脅。它通常針對某一具體的檢修風(fēng)險或事故風(fēng)險確定任務(wù)負(fù)責(zé)人和成員，明確分工和要求。制定預(yù)控措施方案并優(yōu)化工作方案、工作流程，提前做好準(zhǔn)備工作。風(fēng)險預(yù)警措施實施過程中既要考慮措施的適用性、可操作性和資源保障，又要考慮經(jīng)濟型和控制措施可能帶來的新風(fēng)險。例如，針對市政工程施工等電力光纜運行黑點，通過與輸配電專業(yè)風(fēng)險聯(lián)動，實現(xiàn)一次電纜和光纜防外力破壞統(tǒng)一安全交底、一體化特維巡視和現(xiàn)場旁站監(jiān)護等風(fēng)險控制措施的精準(zhǔn)實施，有效降低電力光纜運行風(fēng)險。

2 基于保底電網(wǎng)的通信智能管理與動態(tài)仿真系統(tǒng)開發(fā)

廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心和試點地區(qū)局通過整合電網(wǎng)監(jiān)控信息、通信管控平臺、臺賬系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、無線監(jiān)測系統(tǒng)、氣象環(huán)境及輿情等數(shù)據(jù)，研發(fā)對保底通信網(wǎng)災(zāi)前預(yù)警發(fā)布、災(zāi)中情況統(tǒng)計、災(zāi)中策略控制和災(zāi)后重建支持4個目標(biāo)支持，并根據(jù)動態(tài)的保底電網(wǎng)和通信網(wǎng)情況進行實時評估、推送和管理。

同時，以電力通信運維管理及外部氣象、環(huán)境、輿情等多源數(shù)據(jù)平臺為數(shù)據(jù)來源，通過開發(fā)通信網(wǎng)抗災(zāi)能力評估功能、應(yīng)急預(yù)案主動推送功能、運行風(fēng)險可視化功能，實現(xiàn)根據(jù)動態(tài)的保底電網(wǎng)、通信網(wǎng)情況進行實時的評估、推送和展示，并將基于保底電網(wǎng)的通信網(wǎng)、業(yè)務(wù)風(fēng)險分析結(jié)果等文字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更形象直觀的圖形數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)各級應(yīng)急指揮中心應(yīng)急決策制定提供直觀的展示效果。

2.1 模型設(shè)計

通過基于保底電網(wǎng)的通信網(wǎng)風(fēng)險因素的分析，結(jié)合保底網(wǎng)架通信資源分布、承載業(yè)務(wù)部署方式和外部災(zāi)害影響因素，為保底電網(wǎng)通信風(fēng)險智能動態(tài)評估和仿真提供數(shù)據(jù)支撐，需要從廣東電網(wǎng)通信元數(shù)據(jù)管理平臺通過接口方式，采集多維資源靜態(tài)數(shù)據(jù)、光纜層實時測量數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、外部環(huán)境氣象及輿情即時數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型和數(shù)據(jù)交互模式，分別如圖2和圖3所示。

基于保底電網(wǎng)的通信網(wǎng)通信智能動態(tài)管理架構(gòu)采用分層的實現(xiàn)方式，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)整合層、應(yīng)用功能層和展現(xiàn)層4部分。

（1）采集適配層通過建立網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、光纜監(jiān)測系統(tǒng)、運行管控系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)以及互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

（2）數(shù)據(jù)整合層通過對現(xiàn)有電力通信運維元數(shù)據(jù)平臺進行結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)治理，統(tǒng)一實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與實時處理。同時，采用大數(shù)據(jù)分析計算的主流數(shù)據(jù)庫技術(shù)（關(guān)系型數(shù)據(jù)可直接存到Oracle或MySQL數(shù)據(jù)庫，文檔數(shù)據(jù)庫可以存到MongoDB數(shù)據(jù)庫，如果是消息型數(shù)據(jù)可以通過Kafka進行消息處理后再存到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)處理都采用批量的流式處理），在數(shù)據(jù)存儲層與大數(shù)據(jù)分析計算服務(wù)、機器深度學(xué)習(xí)服務(wù)實現(xiàn)協(xié)同處理，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合、清洗與存儲。

跨入新時代，習(xí)近平總書記提出了“培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人”的根本任務(wù)，強調(diào)廣大教師要做“四有好老師”、“四個引路人”，堅持“四個相統(tǒng)一”，深刻闡釋了教育對提高人民綜合素質(zhì)、促進人的全面發(fā)展、增強中華民族創(chuàng)新創(chuàng)造活力、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興具有決定性意義。而今天教室里的學(xué)生，是全程參與實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標(biāo)、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢的主力軍，他們的素養(yǎng)與成長，理應(yīng)成為教育教學(xué)工作的主體、中心。

（3）應(yīng)用功能層基于關(guān)鍵模型與算法實現(xiàn)各類定制化的應(yīng)用。

（4）展現(xiàn)層通過B/S結(jié)構(gòu)的方式為用戶提供可視化界面，采用REST、Web Service、Remote Object將數(shù)據(jù)傳遞到GUI界面方法，以實現(xiàn)該系統(tǒng)的應(yīng)用展示與狀態(tài)分析展示。

2.2 功能開發(fā)

基于保底電網(wǎng)的通信智能動態(tài)管理與動態(tài)仿真系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)了以下功能模塊。

圖2 體系結(jié)構(gòu)

圖3 模型數(shù)據(jù)交互模式

（1）綜合展示模塊包括數(shù)據(jù)圖標(biāo)、風(fēng)險數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報、風(fēng)險預(yù)警、警示信息以及資源信息等功能；

（2）保底通信息網(wǎng)模塊包括站點與光纜段拓?fù)浞植?、傳輸網(wǎng)管理、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)管理以及仿真分析等功能；

（3）網(wǎng)架可靠性評價模塊包括光攬網(wǎng)評價管理、傳輸網(wǎng)評價管理和業(yè)務(wù)評價管理；

（5）光纜在線監(jiān)測模塊包括監(jiān)測策略管理和監(jiān)測查詢管理；

（6）環(huán)境氣象仿真模塊包括光纜監(jiān)察仿真測試、市政工程仿真測試、雷電仿真測試、山火仿真測試、臺風(fēng)仿真測試和覆冰仿真測試；

（7）市政等系統(tǒng)內(nèi)外工程數(shù)據(jù)模塊包括市政工程管理，通過在地圖上圈定區(qū)域并填寫相應(yīng)的信息進行管理；

（8）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊包括站點管理和光纜管理；

（9）系統(tǒng)管理模塊包括權(quán)限管理、動作管理、角色管理、用戶管理、菜單管理和圖標(biāo)配置。

2.3 特性要求

基于保底電網(wǎng)的通信智能動態(tài)管理與動態(tài)仿真系統(tǒng)具有以下技術(shù)特性：

（1）系統(tǒng)架構(gòu)覆蓋保底通信網(wǎng)多維資源靜態(tài)數(shù)據(jù)、光纜層實時測量數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部環(huán)境氣象及輿情即時數(shù)據(jù)等多種類信息的自動采集；

（2）系統(tǒng)通過不同的接口適配器與外部系統(tǒng)進行對接，通過采集技術(shù)獲取保底通信網(wǎng)多維資源靜態(tài)數(shù)據(jù)、光纜層實時測量數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部環(huán)境氣象及輿情即時數(shù)據(jù)等多種類數(shù)據(jù)，再通過批處理、流式計算等技術(shù)整合和存儲獲取的數(shù)據(jù)；

（3）系統(tǒng)基于微服務(wù)技術(shù)對整合后的數(shù)據(jù)進行處理和應(yīng)用，為系統(tǒng)使用者提供數(shù)據(jù)服務(wù)能力，采用緩存、并發(fā)和異步調(diào)用等技術(shù)實現(xiàn)高并發(fā)下的快速系統(tǒng)響應(yīng)，通過平臺管理提供系統(tǒng)安全、系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控和微服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)管理；

（4）系統(tǒng)采用UI組件技術(shù)提供數(shù)據(jù)可視化，為系統(tǒng)使用者提供直觀的數(shù)據(jù)可視化實體；

（5）系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，支持在Windows、Linux、Mac等客戶終端運行。

3 結(jié)語

廣東電網(wǎng)通信專業(yè)通過開展基于保底電網(wǎng)的通信網(wǎng)風(fēng)險誘因分析，提出了一種保底電力通信網(wǎng)故障和誘因間關(guān)聯(lián)分析方法，研發(fā)了保底電網(wǎng)通信智能管理與動態(tài)仿真系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了綜合展示模塊、保底通信息網(wǎng)模塊、網(wǎng)架可靠性評價模塊、風(fēng)險與應(yīng)急管理模塊、光纜在線監(jiān)測模塊、環(huán)境氣象仿真模塊、市政工程數(shù)據(jù)模塊以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊等功能，實現(xiàn)了保底電力通信網(wǎng)運行風(fēng)險實時智能分析和動態(tài)精準(zhǔn)控制，為廣東電網(wǎng)智能電網(wǎng)特性研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。