電力通信系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

孔令飛

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著電力通信系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，其可靠性和穩(wěn)定性越來越受到關(guān)注，需要對電力通信系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行研究，探索影響電力通信系統(tǒng)可靠性的因素、可靠性評估方法和技術(shù)、組件選型和配置設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)和驗(yàn)證等方面的內(nèi)容，以期為電力通信系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和維護(hù)提供一些有益的參考與指導(dǎo)。

1 電力通信系統(tǒng)的可靠性分析

1.1 可靠性概念和指標(biāo)

可靠性是指系統(tǒng)或組件在規(guī)定的使用環(huán)境和使用時間內(nèi)，能夠保持正常運(yùn)行狀態(tài)的能力。在電力通信系統(tǒng)中，可靠性是衡量系統(tǒng)能夠在運(yùn)行過程中保持正常工作狀態(tài)的指標(biāo)[1]。

可靠性指標(biāo)中，故障率指在單位時間內(nèi)出現(xiàn)故障的概率，是衡量系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，也是預(yù)測系統(tǒng)故障的關(guān)鍵參數(shù)?？捎眯允侵赶到y(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)正常運(yùn)行的時間占總時間的比例，為衡量系統(tǒng)正常運(yùn)行時間的指標(biāo)。平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）為系統(tǒng)或設(shè)備平均無故障運(yùn)行的時間，是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)。平均修復(fù)時間（Mean Time To Repair，MTTR）是指系統(tǒng)或設(shè)備在故障后修復(fù)的平均時間，為衡量系統(tǒng)可維護(hù)性的重要指標(biāo)之一?？苫謴?fù)性是指系統(tǒng)或設(shè)備在出現(xiàn)故障后，能夠在規(guī)定時間內(nèi)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的能力。容錯性為系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，能夠繼續(xù)正常運(yùn)行的能力，也稱為故障容忍度[2]。

在研究電力通信系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和維護(hù)時，需要對這些指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，從而提高系統(tǒng)的可靠性，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2 電力通信系統(tǒng)的可靠性影響因素分析

電力通信系統(tǒng)可靠性會受到多種因素的影響，其經(jīng)常運(yùn)行在高溫、低溫、高濕度、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境中，上述環(huán)境因素可能導(dǎo)致系統(tǒng)元器件老化、損壞或失效。電力通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量也是影響其可靠性的關(guān)鍵因素，不合理的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、部件選型不當(dāng)、散熱不良等問題，直接影響著系統(tǒng)的可靠性。同時，運(yùn)行時的操作、維護(hù)、檢修等也可能會影響系統(tǒng)的可靠性。維護(hù)因素也會對電力通信系統(tǒng)可靠性帶來影響，若維護(hù)不當(dāng)則會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題，影響系統(tǒng)的可靠性[3]。技術(shù)因素對電力通信系統(tǒng)可靠性的影響比較大，選用的可靠性技術(shù)和器件會進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性，避免由于技術(shù)缺陷和元器件故障產(chǎn)生通信中斷。

1.3 可靠性評估方法與技術(shù)

電力通信系統(tǒng)的可靠性評估是對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定量和定性分析，旨在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)營和維護(hù)提供可靠性保障。故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種分析系統(tǒng)故障的方法，通過對故障發(fā)生的可能性、概率以及影響進(jìn)行分析，找出故障產(chǎn)生的根本原因，從而提高系統(tǒng)的可靠性。事件樹分析（Event Tree Analysis，ETA）為一種分析系統(tǒng)可靠性的方法，通過對系統(tǒng)故障和失效的可能性、概率以及影響進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)運(yùn)行中可能發(fā)生的事件和故障模式，從而提高系統(tǒng)的可靠性?？煽啃栽囼?yàn)是通過對系統(tǒng)或部件進(jìn)行實(shí)際的測試和觀察，評估系統(tǒng)或部件的可靠性水平，這種方法能夠直接反映系統(tǒng)的可靠性水平，是一種可靠性評估的重要手段。失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）是一種通過對系統(tǒng)或部件進(jìn)行分析和評估，確定故障產(chǎn)生的原因和可能的影響，從而提高系統(tǒng)可靠性與安全性的方法?？煽啃栽鲩L分析（Reliability Growth Analysis，RGA）是一種通過對系統(tǒng)故障和失效進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)故障率的變化趨勢，從而預(yù)測系統(tǒng)未來可靠性水平的方法。

2 電力通信系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要先進(jìn)行功能模塊劃分，根據(jù)電力通信系統(tǒng)的功能，將其劃分為若干個功能模塊，每個模塊負(fù)責(zé)一個或多個特定的功能?？梢詫㈦娏νㄐ畔到y(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊等，這種模塊化設(shè)計(jì)能夠提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。在確定了功能模塊后對系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的功能和數(shù)據(jù)流向，將系統(tǒng)分為若干層次，如物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層[4]。分層設(shè)計(jì)能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

冗余設(shè)計(jì)是確保電力通信系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，要能應(yīng)對主要元素失效的情況，對此可以設(shè)計(jì)雙機(jī)熱備、多機(jī)冷備、雙電源供電等冗余方案，以提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。一方面，電力通信系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性，以滿足未來的需求，可以采用分布式設(shè)計(jì)、異構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方案，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可升級性。另一方面，電力通信系統(tǒng)要具備高度的安全性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時采取安全性設(shè)計(jì)方案，如采用加密傳輸、身份驗(yàn)證、訪問控制等技術(shù)，以提高系統(tǒng)的安全性。

2.2 組件選型和配置設(shè)計(jì)

在對電力通信系統(tǒng)進(jìn)行組件選型和配置設(shè)計(jì)時，要根據(jù)系統(tǒng)的功能與性能要求選擇適合的硬件組件，可以選擇高速處理器、大容量存儲器、高速網(wǎng)絡(luò)接口卡等組件，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。在軟件選型方面，要根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能要求，選擇適合的軟件組件，可以選擇高效的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、優(yōu)秀的通信協(xié)議、高度可靠的操作系統(tǒng)等，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。開展配置設(shè)計(jì)時，需要根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能要求，合理配置系統(tǒng)組件，可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況，調(diào)整服務(wù)器集群的數(shù)量和配置；針對數(shù)據(jù)庫的讀寫比例，調(diào)整存儲系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)等，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。對系統(tǒng)進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì)，要確保電力通信系統(tǒng)需要具備較好的兼容性，可以選擇通用的數(shù)據(jù)格式，遵循標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，以提高系統(tǒng)的兼容性和互操作性。維護(hù)性設(shè)計(jì)需要考慮到系統(tǒng)的維護(hù)成本和難度，可以選擇易于維護(hù)的硬件和軟件組件，設(shè)計(jì)易于維護(hù)的系統(tǒng)架構(gòu)等，以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性[5]。

2.3 系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)與驗(yàn)證

電力通信系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)和驗(yàn)證是評估系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以對系統(tǒng)的性能、可靠性、穩(wěn)定性以及安全性進(jìn)行全面的評估，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。測試方案設(shè)計(jì)是可靠性試驗(yàn)和驗(yàn)證的第一步，需要制定詳細(xì)的測試方案，包括測試的目標(biāo)、測試的內(nèi)容、測試的方法、測試的步驟等，以確保測試的全面性和準(zhǔn)確性。測試環(huán)境的搭建是可靠性試驗(yàn)和驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，搭建逼近實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的測試環(huán)境，并對環(huán)境進(jìn)行充分的測試和驗(yàn)證，以確保測試結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。測試數(shù)據(jù)的收集和分析是可靠性試驗(yàn)與驗(yàn)證的必要條件，需要對測試過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲以及分析，以得出有意義的測試結(jié)果和結(jié)論。此外，根據(jù)測試結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及安全性。

3 案例分析

3.1 案例簡介

某供電公司通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并及時反饋給操作人員以確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全性。但系統(tǒng)存在多種故障和問題，導(dǎo)致其可靠性和穩(wěn)定性較差，無法滿足實(shí)際運(yùn)行需求。對此，需要針對系統(tǒng)的可靠性問題進(jìn)行全面的分析和研究，并提出相應(yīng)的解決方案。

3.2 系統(tǒng)可靠性分析

對該電力通信系統(tǒng)進(jìn)行了為期半年的故障統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 電力通信系統(tǒng)半年的故障統(tǒng)計(jì)

通過故障分析和故障率統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)軟件故障與電源故障是影響該電力通信系統(tǒng)可靠性的主要因素。因此對系統(tǒng)軟件進(jìn)行了升級和優(yōu)化，增強(qiáng)了其穩(wěn)定性和可靠性，增加了備用電源，以保證系統(tǒng)在主電源故障時能夠正常運(yùn)行，加強(qiáng)對線路的維護(hù)和保養(yǎng)，及時排除故障。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用和測試，上述措施取得了明顯的效果。半年時間內(nèi)，該電力通信系統(tǒng)未出現(xiàn)任何重大故障，穩(wěn)定性和可靠性得到了大幅提升。

對電力通信系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性與適用性。在不同溫度、濕度以及電磁干擾條件下對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，并記錄了系統(tǒng)的故障率和故障持續(xù)時間等指標(biāo)，結(jié)果如表2 所示。

表2 運(yùn)行環(huán)境及故障情況

由表2 中數(shù)據(jù)可知，在高溫高濕和存在干擾的情況下，系統(tǒng)的故障率明顯升高，故障持續(xù)時間也相應(yīng)延長。通過優(yōu)化系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的通風(fēng)口和散熱片數(shù)量，提高系統(tǒng)的散熱能力，以降低系統(tǒng)溫度。同時，在環(huán)境濕度較高的情況下，可以增加防潮措施，如在組件表面涂覆防潮漆或使用防潮劑等。采取合適的屏蔽措施，如使用屏蔽材料或屏蔽結(jié)構(gòu)，減少電磁干擾對系統(tǒng)的影響。在選用電子元器件時，可以優(yōu)先選擇抗干擾性能較好的元器件，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。優(yōu)化組件選型，選擇更加適合系統(tǒng)環(huán)境和工作條件的組件，如選擇更高品質(zhì)的電子元器件，選擇更加穩(wěn)定可靠的通信設(shè)備等，從而提高系統(tǒng)的可靠性和適用性。通過以上措施，可以不斷優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組件選型，提高系統(tǒng)的可靠性與適用性，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而滿足電力通信系統(tǒng)高可靠性的要求。

3.3 改進(jìn)后效果分析

改進(jìn)前后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 改進(jìn)前后的可靠性評價

通過對比分析可以看出，改進(jìn)后的系統(tǒng)可用性得到了顯著提高，故障頻次得到了大幅降低，平均修復(fù)時間也明顯縮短。表明改進(jìn)方案具有很好的效果，成功提高了系統(tǒng)的可靠性水平。同時，還進(jìn)行了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)在不同環(huán)境下均能正常運(yùn)行，并且在高溫、低溫和電磁干擾等惡劣環(huán)境下仍然保持了較高的可靠性水平。這說明了設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案不僅具有較高的可靠性水平，而且在不同環(huán)境下均能適用。

4 結(jié) 論

可靠性是電力通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。通過深入分析影響系統(tǒng)可靠性的各種因素，包括組件可靠性、運(yùn)行環(huán)境等，在實(shí)際案例分析中，對系統(tǒng)的故障率、故障模式、故障持續(xù)時間等指標(biāo)進(jìn)行分析，可以確定系統(tǒng)故障的原因和規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)組件選型。對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的分析也可以確定系統(tǒng)的適用范圍和環(huán)境條件，從而為系統(tǒng)的可靠性提供保障。綜上所述，電力通信系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和維護(hù)是一個復(fù)雜的工作，需要全面考慮各種因素。只有在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的各個方面都考慮到可靠性，才能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。