考慮天氣對無線接入網(wǎng)影響的配電信息物理系統(tǒng)可靠性評估

劉 洪，王 瓊，徐正陽，2

（1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室（天津大學(xué)），天津 300072；2. 天津大學(xué)佐治亞理工深圳學(xué)院，深圳 518052）

配電信息物理系統(tǒng)CPDS（cyber physical distribution system）通過先進(jìn)的信息技術(shù)加強(qiáng)對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備控制，實(shí)時掌控CPDS 狀態(tài)、快速動作，以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。CPDS 是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)深度耦合、實(shí)時交互，信息系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)失效[1]可能擴(kuò)大用戶停電規(guī)模、增加用戶停電時間。因此，準(zhǔn)確評估CPDS的可靠性，對未來配電系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對CPDS可靠性評估方法開展了研究。文獻(xiàn)[2]建立了信息系統(tǒng)連通、延時、誤碼可靠性模型，并提出了利用混合模擬法對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評估；文獻(xiàn)[3]分析了智能電子設(shè)備在遙信、遙測、遙控過程中的不同工作狀態(tài)及特性，建立了通信鏈路可靠性模型，可結(jié)合蒙特卡羅模擬法計算可靠性；文獻(xiàn)[4]對饋線自動化條件下CPDS 的故障情景進(jìn)行了狀態(tài)建模，并提出了相應(yīng)的系統(tǒng)可靠性評估方法；文獻(xiàn)[5]分析了不同類型信息干擾對CPDS 可靠性的影響，建立了系統(tǒng)可靠性模型，結(jié)合模擬法制定了可靠性評估流程；文獻(xiàn)[6]通過對通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)延時的分析討論，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可靠性評估；文獻(xiàn)[7]分別建立了靜態(tài)、動態(tài)信息系統(tǒng)可靠性模型，并通過蒙特卡羅模擬實(shí)現(xiàn)了可靠性指標(biāo)評估；文獻(xiàn)[8]采用解析法對信息傳輸延時建模，通過時/頻轉(zhuǎn)換提高了求解速度，并通過最小路與網(wǎng)絡(luò)等值法相結(jié)合求解系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。上述文獻(xiàn)均以有線接入網(wǎng)為研究對象，提出了CPDS可靠性評估方法，然而以工業(yè)以太網(wǎng)為代表的有線接入網(wǎng)存在著覆蓋難度大、建設(shè)周期長、投資成本高、對海量分布式電源DG（distributed generation）適應(yīng)性較差等問題。以5G等先進(jìn)無線通信方式所構(gòu)建的接入網(wǎng)能有效克服上述問題，可以更好地服務(wù)于用戶。

在無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性方面，許多學(xué)者展開了相關(guān)研究工作。文獻(xiàn)[9]對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行了分析，提出了無線發(fā)射功率模型預(yù)測控制方法，優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率；文獻(xiàn)[10]通過對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過程的分析，確立了系統(tǒng)可靠性區(qū)間預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)了可靠性置信區(qū)間上下界的確定；文獻(xiàn)[11]提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信可靠性受限條件下主動配電網(wǎng)能源共享策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)成本最低。上述文獻(xiàn)均考慮無線網(wǎng)絡(luò)自身延時、誤碼等特性建立可靠性模型，但無線通信質(zhì)量易受到天氣影響，有必要結(jié)合天氣變化對無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行建模。

針對以上問題，本文首先以信噪比SNR（signal noise ratio）作為衡量天氣對無線接入網(wǎng)通信質(zhì)量影響的指標(biāo)，并結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)連通、延時、誤碼等特性建立信息鏈路有效性模型；其次，針對無線模式下信息系統(tǒng)傳輸失效對故障自愈過程的影響，基于饋線分區(qū)的概念對物理系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域劃分，并采用故障模式影響分析法量化故障后果，構(gòu)建故障模式影響分析表；最后，結(jié)合無線接入網(wǎng)模式下信息系統(tǒng)失效對孤島形成及運(yùn)行的影響，提出基于蒙特卡羅模擬的CPDS 可靠性評估方法。本文對改進(jìn)后的IEEE RBTS BUS6 F4 進(jìn)行仿真，算例結(jié)果驗證了所提方法的有效性。

1 考慮天氣影響的信息鏈路有效性模型

信息鏈路有效性模型包括連通性、延時、誤碼3方面。其中，連通性、延時與信息鏈路內(nèi)部因素相關(guān)，誤碼則受內(nèi)部因素與外部天氣因素的共同影響。

1.1 無線接入網(wǎng)連通性模型

無線接入網(wǎng)的連通性是指通信基站、智能終端處于可用狀態(tài)[12]。智能終端在與通信基站進(jìn)行信息傳輸時，會根據(jù)接收到的通信基站信號強(qiáng)度選擇通信質(zhì)量最好的基站進(jìn)行通信，形成通信路徑。考慮到配電智能終端位置相對固定，因此智能終端能附著在相對固定的通信基站上。

智能終端附著通信基站的原則[13]有兩個方面：①智能終端到基站的距離d要小于基站所能覆蓋的半徑r；②智能終端與該基站間的通信質(zhì)量要最好。本文中通信質(zhì)量用SNR指標(biāo)來評判，若無線通信網(wǎng)絡(luò)的SNR高，則更容易滿足智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枨?；反之，則難以滿足可靠性需求。根據(jù)智能終端選擇通信基站的原則，建立通信路徑選擇模型，即

式中：SNRi為信噪比；d為通信基站到智能終端的距離；r為通信基站信號所能覆蓋的半徑。信噪比可表示為

式中：Wi為智能終端連接通信基站i時所接收到的功率，其與基站i的發(fā)射功率、路徑傳播損耗有關(guān)；Wn為智能終端受到基站n的干擾功率；為其他基站對智能終端干擾功率之和；N0為熱噪聲；WE,i為通信基站i發(fā)射功率；pl為路徑傳輸損耗倍數(shù)；h和g為不同場景對應(yīng)的路徑損耗模型的系數(shù)，一般為固定值；B為無線傳輸收發(fā)器的信道帶寬；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為開爾文溫度。

無線接入網(wǎng)的通信基站、智能終端均采用兩狀態(tài)馬爾科夫建模。無線接入網(wǎng)連通性模型可表示為

式中：S（m，t）表示t時刻無線接入網(wǎng)的連通可靠性；s(mi,t) 表示t時刻設(shè)備的可靠性，i= 1,2 ；m1表示通信基站；m2表示智能終端。

以無線接入網(wǎng)的連通性為基礎(chǔ)，可建立基于無線接入網(wǎng)的配電信息物理系統(tǒng)連通性模型，即

式中：C(xi,t) 表示t時刻路徑xi的連通狀態(tài)；S(m,t)表示t時刻無線接入網(wǎng)的連通可靠性；S(n,t) 表示t時刻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、電力核心網(wǎng)的連通可靠性。

1.2 無線接入網(wǎng)延時模型

無線通信網(wǎng)絡(luò)端對端的傳輸延時[14-15]包括智能終端和客戶前置終端設(shè)備CPE（customer premise equipment）間的傳輸時延t1、空口時延t2、通信基站到電力核心網(wǎng)傳輸時延t33部分。基于無線接入網(wǎng)的CPDS傳輸延時示意如圖1所示。

圖1 基于無線接入網(wǎng)的CPDS 傳輸延時示意Fig.1 Schematic of CPDS transmission delay based on wireless access networks

CPE 到通信基站的空口時延[9，16-17]包括信道獲取時間和數(shù)據(jù)傳輸時間。同一基站所覆蓋的智能終端通過同一信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)某一智能終端需要向通信基站傳輸數(shù)據(jù)時，首先需要判斷信道狀態(tài)，若信道空閑，則占用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則需要等待信道空閑后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合馬爾科夫鏈對智能終端到通信基站的數(shù)據(jù)發(fā)送過程，建立如下數(shù)學(xué)模型：

式中：i為退避階段；j為退避計數(shù)器狀態(tài)；πidle為終端為空狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率；Pidle為終端為空狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率；α為信道忙的概率；Hi為第i退避階段的終端狀態(tài)數(shù)，其中H0為初始退避階段終端狀態(tài)數(shù)；π(i,j)為終端狀態(tài)（i，j）的穩(wěn)態(tài)概率。

執(zhí)行一次退避階段的時間Tbi和信道獲取所需時間Tser可表示為

式中，ts為從狀態(tài)（i，j+1）轉(zhuǎn)移到狀態(tài)（i，j）所用的時間。

數(shù)據(jù)包獲取信道后的傳輸時間Ttx為

式中，b為無線傳輸速率。

CPE到通信基站的空口時延t2為

考慮到基站到電力核心網(wǎng)的傳輸時延t3為光纖線路通信所產(chǎn)生的延時，則通信基站到電力核心網(wǎng)的傳輸時延t3可表示為

式中：L1為通信網(wǎng)絡(luò)所用光纖長度；N為站點(diǎn)個數(shù)；τt為節(jié)點(diǎn)設(shè)備延時；c為光傳播速度。

因此，建立CPDS延時可靠性模型為

式中：D(xi) 為延時是否可靠，1 表示延時可靠，0 表示發(fā)生延時；τ0為通信業(yè)務(wù)對應(yīng)的傳輸延時閾值。

1.3 考慮天氣影響的無線接入網(wǎng)誤碼模型

無線接入網(wǎng)中智能終端與通信基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時會受到相鄰基站發(fā)射功率干擾[15]，使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生誤碼。無線接入網(wǎng)誤碼可靠性可表示為

式中：δi為通信路徑i信息準(zhǔn)確傳輸?shù)母怕?；Ei為數(shù)據(jù)傳輸誤碼率；l為數(shù)據(jù)包長度；Q（）為標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的積分尾函數(shù)；R為數(shù)據(jù)傳遞速度。

同時，誤碼概率很大程度上取決于天氣條件。具體來說，無線信號在空氣中傳播時，由于雨、雪、霧中微粒的阻礙作用，導(dǎo)致無線信號發(fā)生散射、吸收和消光等復(fù)雜過程，使得無線信號傳輸功率損耗增大，增加了無線信號的誤碼概率。

以SNR作為衡量天氣對無線通信影響的指標(biāo)，建立計及天氣影響[18]的無線接入網(wǎng)誤碼可靠性模型為

式中：Wair為受天氣影響的衰減功率；Aair為不同天氣情況下電磁波的衰減系數(shù)。

考慮到在實(shí)際中通信基站與電力核心網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時光纖通信延時很難超過誤碼閾值，因此基于無線接入網(wǎng)的配電信息物理系統(tǒng)誤碼可靠性模型即為無線接入網(wǎng)誤碼可靠性模型，可表示為

式中：Φ(xi) 表示誤碼是否可靠，1 表示誤碼可靠，0表示發(fā)生誤碼；δrequire為電力業(yè)務(wù)所規(guī)定的誤碼可靠性閾值。

基于無線接入網(wǎng)的CPDS 同時滿足連通可靠、延時可靠、誤碼可靠，信息通信鏈路才有效，才能有效控制物理元件動作。因此，信息鏈路有效性模型可表示為

式中，A(xi) 表示信息鏈路是否有效，1 表示有效，0表示無效。

2 信息失效對物理系統(tǒng)可靠性的影響分析

無線模式下，CPDS 的信息鏈路失效對物理系統(tǒng)的影響主要集中在系統(tǒng)自愈控制過程[19]，會導(dǎo)致故障定位不準(zhǔn)確、故障隔離不成功及故障恢復(fù)失敗。本文采用故障模式影響分析法對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行量化分析。設(shè)置如圖2 所示的配電物理系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并結(jié)合饋線分區(qū)的概念對物理網(wǎng)架進(jìn)行饋線區(qū)域劃分，區(qū)域S4、S6、S9、S14、S16中DG含有儲能，其他區(qū)域不含儲能。CPDS 中物理系統(tǒng)某一饋線區(qū)發(fā)生故障存在兩種故障場景：①物理系統(tǒng)故障且信息系統(tǒng)有效控制；②物理系統(tǒng)故障且信息系統(tǒng)控制失效。其中，第1種故障場景與傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障分析過程一致，可參考文獻(xiàn)[2]。本文主要對物理系統(tǒng)故障且信息系統(tǒng)控制失效的故障場景進(jìn)行分析。

圖2 物理系統(tǒng)故障、信息系統(tǒng)控制開關(guān)D4 失效Fig.2 Physical system failure and information system control switch D4 failure

首先說明有效孤島的概念，即含DG 的饋線區(qū)域入口開關(guān)為自動開關(guān)，具有獨(dú)立的運(yùn)行能力。根據(jù)有效孤島的定義，并結(jié)合物理系統(tǒng)發(fā)生故障后不同區(qū)域位置所產(chǎn)生的不同影響結(jié)果，可將饋線區(qū)域劃分為9類區(qū)域，如表1所示。

表1 各個區(qū)域在不同時段所處狀態(tài)Tab.1 State of each region at different time stages

當(dāng)物理系統(tǒng)區(qū)域S8發(fā)生故障時，信息系統(tǒng)控制失效可分為3種情況：D4、D5、D6對應(yīng)信息鏈路失效導(dǎo)致控制失效。在這里以D4對應(yīng)的信息鏈路控制失效為例展開分析。

物理開關(guān)不可控僅考慮單一元件故障，即認(rèn)為信息系統(tǒng)控制的開關(guān)僅有1個會發(fā)生控制失效，其他控制開關(guān)仍能可靠動作，例如D4失效，D4的后備開關(guān)D2、D5和D6都能可靠動作來隔離故障，分析結(jié)果如表1 所示。通過對每個饋線區(qū)里物理元件故障進(jìn)行分析，可建立完整的失效模式和效果分析FMEA（failure mode and effects analysis）表。在表1中，A1表示區(qū)域失電，A2表示正常供電，A3表示孤島運(yùn)行，A4表示下游聯(lián)絡(luò)供電。

3 基于無線接入網(wǎng)的CPDS 可靠性評估

3.1 可靠性指標(biāo)

評估CPDS 可靠性的指標(biāo)有很多，這里選取系統(tǒng)平均停電時間SAIDI（system average interruption duration index）和期望缺供電量EENS（expected energy not supplied）作為評價指標(biāo)，兩者的計算公式分別為

式中：S為系統(tǒng)所有狀態(tài)的集合；ρi為系統(tǒng)在狀態(tài)i的概率；Ci為系統(tǒng)在狀態(tài)i的負(fù)荷削減量；Ti為用戶在狀態(tài)i的斷電時間；Ni為系統(tǒng)在狀態(tài)i的斷電用戶數(shù)；Nall為系統(tǒng)總用戶數(shù)。

3.2 基于混合模擬法的CPDS 可靠性評估過程

3.2.1 整體評估流程

CPDS 整體的可靠性評估流程分為初始化、狀態(tài)抽樣、狀態(tài)分析和指標(biāo)計算4 部分，如圖3 所示。具體步驟如下。

圖3 CPDS 整體可靠性評估流程Fig.3 Flow chart of overall reliability evaluation on CPDS

步驟1輸入物理元件及關(guān)聯(lián)關(guān)系、信息元件、連接關(guān)系和天氣數(shù)據(jù)，建立CPDS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到8 760 h的天氣數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)初始化。

步驟2利用序貫?zāi)M法對配電物理系統(tǒng)元件進(jìn)行抽樣，確定配電物理故障元件及系統(tǒng)狀態(tài)。同時，對信息系統(tǒng)元件狀態(tài)進(jìn)行非序貫抽樣，對無線接入網(wǎng)的負(fù)載率進(jìn)行抽樣，確定信息系統(tǒng)的狀態(tài)。利用序貫?zāi)M法對天氣狀態(tài)進(jìn)行抽樣，得到天氣狀態(tài)集，完成對系統(tǒng)的狀態(tài)抽樣。

步驟3通過對CPDS狀態(tài)進(jìn)行分析，確定信息系統(tǒng)信息鏈路的有效性，并采用故障模型影響分析法對CPDS故障情況進(jìn)行分析，建立FMEA表，完成對CPDS故障后果的評估。

步驟4判斷是否滿足仿真終止條件，若不滿足，則返回到步驟2 進(jìn)行新一輪的狀態(tài)抽樣，直至滿足條件，計算得出系統(tǒng)指標(biāo)。

3.2.2 信息系統(tǒng)通信鏈路狀態(tài)評估過程

基于無線接入網(wǎng)的配電信息系統(tǒng)通信鏈路狀態(tài)評估是分析物理域系統(tǒng)狀態(tài)的基礎(chǔ)。無線模式下信息系統(tǒng)端對端信息鏈路狀態(tài)評估流程如圖4所示。具體流程如下。

圖4 信息系統(tǒng)通信鏈路狀態(tài)評估Fig.4 Evaluation on information system communication link state

步驟1讀入某一采樣時刻信息元件狀態(tài)信息、電力核心網(wǎng)到智能終端信息鏈路連通信息和天氣狀態(tài)信息。

步驟2判斷數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、電力核心網(wǎng)設(shè)備是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障，則信息域路徑連通性失效，直接轉(zhuǎn)至步驟7；否則執(zhí)行步驟3。

步驟3判斷無線接入網(wǎng)通信基站是否發(fā)生故障，若基站發(fā)生故障，則依據(jù)智能終端與通信基站選擇原則，重新為終端選擇新的基站，進(jìn)而形成新的通信路徑，轉(zhuǎn)至步驟4；若基站正常，則直接進(jìn)行步驟4。

步驟4根據(jù)式（3）計算信息鏈路連通可靠性，若信息鏈路可達(dá)，則執(zhí)行步驟5；否則信息鏈路失效，轉(zhuǎn)至步驟7。

步驟5根據(jù)式（7）和式（8）分別計算信息通信網(wǎng)絡(luò)各組成部分的傳輸延時，根據(jù)式（10）計算通信鏈路總的延時。根據(jù)式（9）判斷延時可靠性：若滿足延時可靠性要求，則進(jìn)行步驟6；否則信息鏈路失效，轉(zhuǎn)至步驟7。

步驟6根據(jù)式（11）～（17）計算誤碼可靠性，與式（18）中業(yè)務(wù)誤碼可靠性閾值進(jìn)行比較，若滿足要求，則通信鏈路狀態(tài)有效；否則信息鏈路失效，轉(zhuǎn)至步驟7。

步驟7輸出配電信息系統(tǒng)通信鏈路狀態(tài)。

3.2.3 物理系統(tǒng)狀態(tài)評估過程

配電物理系統(tǒng)狀態(tài)評估需要對系統(tǒng)自愈過程中開關(guān)是否能可靠動作進(jìn)行分析，先劃分饋線區(qū)域，確定故障影響后果，進(jìn)而評估物理系統(tǒng)狀態(tài)。在物理系統(tǒng)發(fā)生故障后，含DG的支路會成為孤島，孤島的形成與運(yùn)行不僅與DG 的容量配置、運(yùn)行策略有關(guān)，還與信息系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。因此，在進(jìn)行物理系統(tǒng)狀態(tài)評估時，孤島區(qū)域需分析公共連接點(diǎn)開關(guān)對應(yīng)的信息鏈路狀態(tài)，物理系統(tǒng)狀態(tài)評估可參考文獻(xiàn)[2]。

4 算例分析

4.1 算例概況

本文算例中配電系統(tǒng)采用改進(jìn)的IEEE RBTS BUS6 F4，系統(tǒng)中同時包含了光伏、風(fēng)機(jī)、儲能等設(shè)備，配電物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。接入網(wǎng)采用無線通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)采用有線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，共包括5 個基站，每個基站所能覆蓋的范圍已在圖5（a）中劃分，配電信息系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示。CPDS 的傳輸延時閾值和誤碼率閾值詳見文獻(xiàn)[20]。

圖5 算例示意Fig.5 Schematic of example

4.2 信息系統(tǒng)元件故障對系統(tǒng)可靠性的影響分析

為了研究信息設(shè)備故障率變化對系統(tǒng)可靠性的影響，本文將信息設(shè)備故障率以10%的變化步長進(jìn)行仿真，并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了系統(tǒng)可靠性變化趨勢，如圖6所示。

圖6 不同信息設(shè)備故障率下系統(tǒng)可靠性變化情況Fig.6 Changes in system reliability with different failure rates of information equipment

由圖6 可知，信息設(shè)備的故障率變化對CPDS可靠性影響程度不同，由大到小依次為通信基站、同步數(shù)字體系SDH（synchronous digital hierarchy）光纖線路、SDH 交換機(jī)、智能終端、服務(wù)器。因此，在實(shí)際的規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)過程中，通信基站要受到重點(diǎn)關(guān)注。

4.3 無線接入網(wǎng)性能對系統(tǒng)可靠性的影響分析

4.3.1 無線接入網(wǎng)信息傳輸延時對可靠性的影響

無線接入網(wǎng)負(fù)載率按照步長為0.1%從0 增到100%，可以得到可靠性指標(biāo)EENS 和SAIDI 變化趨勢如圖7所示，從而分析無線接入網(wǎng)負(fù)載率變化對CPDS可靠性的影響。

圖7 無線接入網(wǎng)負(fù)載率變化對可靠性指標(biāo)的影響Fig.7 Influence of changes in load rate of wireless access networks on reliability indexes

由圖7 可知，隨著無線接入網(wǎng)平均負(fù)載率的增大，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)在升高。當(dāng)無線接入網(wǎng)平均負(fù)載率小于25%時，期望缺供電量數(shù)值約為0.082、系統(tǒng)平均停電時間數(shù)值約為0.061；當(dāng)無線接入網(wǎng)平均負(fù)載率大于75%時，期望缺供電量數(shù)值約為0.092、系統(tǒng)平均停電時間數(shù)值約為0.073?？梢?，無線接入網(wǎng)平均負(fù)載率增大會增加檢測無線信道是否為空閑的退避次數(shù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r間延長，增加了信息傳輸時延，使得信息失效概率增大，影響了配電信息物理系統(tǒng)自愈過程，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。

4.3.2 無線接入網(wǎng)信噪比對系統(tǒng)可靠性的影響

為了分析不同SNR 對數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生誤碼的影響，設(shè)置5種場景進(jìn)行對比。場景1：無線發(fā)射功率P0為250 dB、頻率f為230 MHz；場景2：無線發(fā)射功率P0為250 dB、頻率f為2.6 GHz；場景3：無線發(fā)射功率P0為250 dB、頻率f為4.9 GHz；場景4：無線發(fā)射功率P0為230 dB、頻率f為4.9 GHz；場景5：無線發(fā)射功率P0為200 dB、頻率f為4.9 GHz。不同噪聲功率下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)變化情況如圖8所示。

圖8 不同噪聲功率下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)變化情況Fig.8 Changes in system reliability indexes at different values of noise power

以場景5 為例展開分析，當(dāng)基站收到的噪聲功率小于20 dB 時，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)隨著噪聲功率的增大而保持不變，這是因為在這一階段系統(tǒng)誤碼率未超過閾值，信息鏈路有效且物理系統(tǒng)可控設(shè)備依舊受到信息系統(tǒng)可靠控制；當(dāng)噪聲功率大于20 dB且小于45 dB時，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)隨之增大，此時信息數(shù)據(jù)在傳輸過程中誤碼已經(jīng)超過了系統(tǒng)可控范圍，導(dǎo)致信息鏈路失效且物理系統(tǒng)可控設(shè)備不受控制；當(dāng)噪聲功率大于45 dB時，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)不再變化，這是因為物理系統(tǒng)發(fā)生故障時可控動作開關(guān)對應(yīng)的信息鏈路均失效，只能通過人工來修復(fù)故障。對比5 個場景可知，場景1 可靠性指標(biāo)增大所需的噪聲功率最高，數(shù)據(jù)傳輸誤碼發(fā)生的概率最低。系統(tǒng)發(fā)射功率高就要求設(shè)備質(zhì)量要好，工作頻率低可承載的信息量就少，因此在實(shí)際中需要在保證數(shù)據(jù)傳輸無誤的前提下，合理設(shè)置系統(tǒng)發(fā)射功率及頻率，這樣有利于節(jié)約成本。

為了研究無線模式下天氣對系統(tǒng)可靠性的影響，本文選擇無線發(fā)射功率為250 dB、頻率為2.6 GHz，設(shè)置晴天、雨天、雪天、霧天4 種天氣進(jìn)行分析。不同天氣情況下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)變化情況如圖9所示。

圖9 不同天氣情況下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)變化情況Fig.9 Changes in system reliability indexes under different weather conditions

由圖9 可知，在惡劣天氣下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)比晴天大，這是因為在惡劣天氣下無線信號在空氣中傳播時更容易散射、衍射、吸收，削減了信號強(qiáng)度，使得信號接收端的功率降低，進(jìn)而降低SNR，增加了系統(tǒng)的誤碼率，影響了無線通信的質(zhì)量及系統(tǒng)可靠性。同時，以晴天條件下系統(tǒng)的缺供電量為基準(zhǔn)值，雨天、雪天、霧天條件下的缺供電量除以基準(zhǔn)值便可得到不同天氣類型對系統(tǒng)可靠性的影響程度，即晴天、霧天、雪天、雨天對可靠性的影響程度依次為1.00、1.11、1.18、1.23。

4.4 接入DG 容量變化對CPDS 可靠性的影響

考慮到接入DG 容量變化會對CPDS 可靠性產(chǎn)生影響，本文將接入的DG 容量從0 開始以步長為0.2 p.u. 進(jìn)行增長，以第4.1節(jié)的算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中DG接入容量記為基準(zhǔn)值。接入DG容量變化對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響如圖10所示。

圖10 接入DG 容量變化對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響Fig.10 Influence of changes in connected DG capacity on system reliability indexes

當(dāng)接入DG容量為0～1.0 p.u.時，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)下降迅速；當(dāng)接入DG容量為1.0～1.4 p.u.時，可靠性指標(biāo)下降緩慢；當(dāng)接入DG容量為1.4～2.0 p.u.時，可靠性指標(biāo)基本不變?？梢姡?dāng)接入DG容量為1.0 p.u.時，已經(jīng)滿足孤島區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷需求，繼續(xù)增加DG容量對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響不大。

5 結(jié) 論

本文考慮天氣對無線通信的影響，首先建立了信息鏈路有效性模型及FMEA表，采用故障模型影響分析法分析了無線系統(tǒng)故障對物理系統(tǒng)自愈過程的影響；然后提出了基于無線接入網(wǎng)的CPDS 可靠性評估方法，并制定了評估流程；最后，通過仿真分析驗證了所提方法的有效性。主要結(jié)論如下。

（1）信息系統(tǒng)元件中，通信基站的故障率變化對CPDS可靠性影響最大。

（2）隨著無線接入網(wǎng)平均負(fù)載率增大，信道檢測的退避次數(shù)增大，信息傳輸時延增加，信息鏈路失效概率變大，CPDS可靠性降低。

（3）受天氣因素影響，無線接入網(wǎng)的信號強(qiáng)度可能減弱，信號接收端的功率降低，系統(tǒng)誤碼率增加，CPDS可靠性降低。

（4）隨著DG容量的增加，DG對CPDS可靠性的提升作用逐漸減弱。