用電信息雙向互動的可靠通道配置算法

劉 宣，徐英輝，趙 睿，楊 挺（.中國電力科學研究院，北京 009；.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 30007）

用電信息雙向互動的可靠通道配置算法

劉 宣1，徐英輝1，趙 睿2，楊 挺2
（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

摘要：用電信息系統構建起電網與用戶間的雙向智能互動。隨著對電力用戶信息需求的增長，可靠通信成為實現雙向互動功能的核心技術。基于用電信息特征分析和傳輸性能測度計算，建立用電信息雙向互動傳輸模型，并提出一種可承載多類型用電信息的復合量度可靠通道配置算法。通過對某城區配用電通信網實例仿真，驗證算法在多約束電網中可實現保證多種類型信息的可靠傳輸，有效提升了用電信息采集系統的雙向互動性。

關鍵詞：雙向互動；用電信息；服務質量；鏈路配置

用電信息采集系統是實現電能計量、電力負荷控制和電力營銷的一體化電力大數據平臺，其需要可靠高效的通信網絡實現系統主站和現場終端間的數據通信。隨著智能電網的發展，雙向智能互動成為用電信息采集系統的實現目標，需要更細粒度、多類型用電信息。與此同時，快速增長的數據量和變得復雜的信息采集網絡結構都對電力通信的可靠性提出了相當高的要求［1-4］。

光傳輸技術以其高帶寬和抗干擾能力成為實現用電信息采集系統的通信支撐，但雙向智能互動的新需求則要求電力通信網絡同時承載A～E 5類用電信息業務，各業務對于通信的傳輸要求也不盡相同，因此對電力光纖傳輸的帶寬、時延等傳輸服務質量QoS（quality of service）提出了多級別的限定需求。因此，通信可靠性對于整個系統實現安全運行、準確符合控制和高效電力營銷管理具有極其重要的意義［5］。

目前，國內外學者對電力通信網可靠性進行了探索研究［6-9］。文獻［6］將效能模型引入到電力通信網絡，通過對電力通信網網元及網絡的效能模擬，獲取效能與可靠性之間的數學關系，利用所建模型中網絡效能的實時變化來間接地反映網絡的可靠度變化。文獻［7］采用復雜網絡理論研究網絡拓撲模型，修改網絡脆弱性目標測度，進行電力通信網可靠性研究。文獻［8］基于業務分析，從網絡風險值和網絡風險均衡度這兩項風險評價指標值開展研究。文獻［9］將脆弱性作為電力通信網絡可靠性的另一種有效測度，在業務層上建立電力通信網網絡模型。綜上所述，現有文獻多從網絡結構層面研究電力通信網絡可靠性。較少研究將通信電路全程可靠性與承載業務QoS傳輸需求相結合，從業務傳輸層面求解信息物理系統CPS（cyber physical system）可靠通信路徑，以提升網絡承載能力。

本文通過分析光傳輸可靠性測度和用電信息特征，并與業務傳輸QoS復合量度結合，建立電力光通信鏈路配置數學模型，并提出一種新型φ路配置方法。φ條路由提升了傳輸通道的可靠性，實現了多QoS需求傳輸。

1 電力光纖通信鏈路測度分析

1.1 傳輸可靠性的測度分析

電力通信網可靠性是指實際連續運行過程中完成用戶與主站間正常通信需求的能力。在電力光纖通信電路層面上可用有效性測度R表征光纖和傳輸設備的可靠性。R既能表征電路的可靠性，又能表征電路的可維修性。

1.1.1 電力通信網有效性測度

電力通信網有效性R指電網通信系統按可接受的通信QoS標準和業務需求，不間斷地向電力系統提供通信連接能力的測度，其計算式為

式中：h（t）為系統在時間t內完成維修任務的概率密度函數；λ（t）為部件或系統的失效率，其物理含義表示為單位時間內部件或系統失效的次數。電力通信設備采用FIT（failure in time）作為失效率單位，1 FIT表示設備或單元在109h中出現一次故障。若設備的失效率為λ，單位為FIT，那么設備的平均故障間隔時間為109/λh。

1.1.2 電力光通信鏈路有效性模型

電力光通信鏈路是指采用光纖通信實現的數據通信路徑，它包括信號從源節點開始到目的節點結束所經過的所有路徑和設施。因此一條通信路徑是由多個基本網絡單元互連的系統［10-12］。圖1給出3種典型光通信模式，其中TE表示終端采集設備，DF表示配線架，PCM（pulse code modulation）表示脈沖編碼調制設備，OT表示光端機，FE表示中間轉發設備，SE表示切換設備，OC表示光纜，EC代表電纜，E1表示接口類型。

模式（a）端分別經過2個配線架和2臺PCM設備實現通信互聯，則鏈路的有效性表達式為

式中：RSP表示路徑上復用設備的有效性；RADM表示路徑上光端機設備的有效性；RREG表示路徑上中繼設備的有效性；s、n分別為通信鏈路的SDH設備數量和光纖長度。

圖1 典型光纖通信模式Fig.1 Typical fiber optic communication modes

模式（b）缺省PCM設備，鏈路有效性表達式為

模式（c）采用主備用傳輸方式，提升通信可靠性。該方式必須保證主備用鏈路全程無共享路由，即兩條鏈路的組成單元完全相互獨立，其有效性表達式為

式中：s1、n1分別為主用鏈路的SDH設備數量和光纖長度；s2、n2分別為備用鏈路的SDH設備數量和光纖長度；R表示通信雙端切換設備的有效性；R表示模式（c）主備用鏈路的有效性。其他參數與模式（a）相同。

1.1.3 傳輸衰耗

電力光通信以傳輸衰耗作為物理層光纜傳輸質量測度［13］。與光端機等交換設備相比，光纜分散度高，常包含“T”接、“π”接等接頭。傳輸過程中的衰耗為各段鏈路衰耗之和加上所有接頭衰耗，即

式中：A（l）為路徑p上鏈路l的衰耗，A（l）=αlLl，αl為光纖衰耗系數，dB/km，Ll為鏈路長度，km；n為光纖接頭個數；αS為光纖平均接頭損耗，dB。

由于光纜工作環境復雜且惡劣，多種因素都會致使光衰增加，光信號傳輸誤碼率上升，當全程光衰大于上限時，即A（p）＞Aˉ，則無法正常接收，造成傳輸信號中斷。因此，光衰是計算光傳輸可靠性的重要指標之一。

1.2 基于業務傳輸性能的測度分析

1）帶寬需求

帶寬表示電力通信網絡可通過的最高數據率，反映通信網絡中的數據傳輸能力，單位為bps。通信路徑的傳輸能力等于路徑中最小鏈路帶寬，即

式中BW（l）為路徑p上的鏈路l的瓶頸帶寬。

2）端到端時延

時延是電氣信號對承載網絡要求的最小端到端傳輸時間。在用電信息采集系統中，不同種類的業務對時延要求也不同。如提供給電力負荷控制的用電信息則對通信通道有嚴格的要求。而對于營銷管理和費率計算類業務時延要求則低一些，信息傳輸時延在幾秒內即可。

對于一條傳輸路徑上的時延表達式為

式中D（l）為路徑p上的鏈路l傳輸時延。

3）傳輸丟包率

當網絡存在異常時，如光衰增加，鏈路擁塞時，傳輸的數據包將有丟失概率，則到達目的端的信息不完整。以丟包率衡量數據傳輸完整性，計算公式為

式中LR（l）為路徑p上的鏈路l的丟包率。

4）通信成本

電力通信網的成本為網絡中所有設備所耗費的總費用。對于傳輸路徑，在材質和型號相同的情況下，一般采用鏈路長度衡量。成本計算公式為

式中C（l）為路徑p上的鏈路l的成本。

本文在鏈路配置過程中，綜合考慮上述QoS參量和通信可靠性測度。

2 電力光通信網絡可靠鏈路配置算法

2.1 電力光通信網絡數學模型

將通信網中的交換設備和光纖等效為無向加權圖G（V，E），其中V=｛v1，v2，…，vn｝表示節點集合，E=｛e1，e2，…，em｝表示鏈路集合，即鏈路e為實際電力光纜l的數學抽象。根據第1節分析影響通信網絡路由配置的相關參數，對鏈路ei設置多權值｛R（ei），C（ei），D（ei），LR（ei），BW（ei），A（ei）｝，分別表示鏈路ei的有效性、成本、時延、丟包率、帶寬和光纖衰耗測度。因此G為多重賦權圖，則配置路徑即為從源到目的節點的一條滿足業務多項需求的無環通路（節點和鏈路的集合），數學模型定義如下。

1）目標函數

本文引入鏈路帶寬利用率構建電力光通信網絡配置目標函數，其計算公式為

式中：δf（ei）為鏈路ei上已占用帶寬；φf為通信控制報文預留帶寬。

當選擇帶寬使用率最小的路徑作為最佳配置路徑，則可均衡網絡負載，消除網絡擁塞概率，提升網絡承載能力。

2）約束條件

不等式約束中RTH、CTH、DTH、LRTH、BWTH、ATH表示有效性、成本、時延、丟包率、帶寬、光纖衰耗測度的約束閾值。

2.2 復合量度B路徑配置算法

隨著電力光纖網絡的建設和規劃擴充，通信站間存在多條可達路徑。為提升通信可靠性，需要確定最優路徑并配備次優路徑作為備用通路。本文提出一種復合量度B路徑配置算法。該算法可在一次計算過程中完成B條滿足多QoS約束的路徑配置方案，并給出優化排序。算法流程如下。

步驟1 根據路徑配置需求，依照約束條件公式（11）～（16）確定｛RTH，CTH，DTH，LRTH，BWTH，ATH｝。

步驟2 去除不滿足式（15）的鏈路，即BW（ei）＜BWTH的鏈路。

步驟3 在h重加權圖G中，執行如下操作尋找無環B最短路徑集Pij（φ），其表示節點i到節點j的B條路徑集。

（1）采用Dijkstra算法求出i-j節點對最短路p0，并把p0放入最短路路徑集合Pij，即初始時Pij=｛p0｝。

（2）標記p0w=1，表示Pij中待處理路徑。

（3）對于Pij中某條待處理的路徑p=｛a1，a2，…，ax｝共x條鏈路構成。依次截斷鏈路au（u=1，2，…，x），獲得圖G*=G-au。計算G*中i-j最短路，最終獲得y（y≤x）條新路徑集Qij。

（4）進行路徑集Pij與Qij的合并加法運算Pij（M）=Pij?Qij，并且標記新加入路徑為未處理。若||Pij（M）||＜φ，則在Pij中尋找未處理的路徑并標記為當前需處理路徑，轉（2）。

步驟4 對路徑集Pij（φ）中的所有路徑計算復合權值，進行選優排序。其具體數學描述如下：

（1）計算?pk∈Pij（φ）的｛R（pk），C（pk），D（pk），LR（pk），A（pk）｝；

（2）驗證是否滿足約束條件式（11）～式（16）：若不滿足，則Pij（φ-1）=Pij（φ）-pk，即去掉該不滿足約束條件的路徑；若滿足約束，則計算下一條路徑，pk∈Pij（φ），k=k+1＜φ；直至k=φ，轉（3）；

（3）將Pij（B）中路徑按帶寬利用率Utilization（p）從低到高排序，選擇min Utilization（p）的鏈路pu作為路徑配置的主用路徑pprm，并選擇pu∩pprm=?，即與主用路徑無共享鏈路的剩余路徑集中次min Utilization（p）鏈路pstb作為備用傳輸路徑。

3 路由配置方法仿真與性能評估

以某城區實際電力光纜拓撲結構為算例進行仿真實驗。網絡中各站點之間采用不同型號的光纜進行通信，如圖2所示。

圖2 電力光纜示意Fig.2 Schemetic of power cables

根據光纜的有效性、成本、時延、丟包率、帶寬、光纖衰耗測度不同，建立電力光纜的6重加權圖［14-16］，權值集合為W（ei）=｛R（ei），C（ei），D（ei），LR （ei），BW（ei），A（ei）｝，根據式（1）～式（9）計算各權值，其鏈路權重如表1所示。

表1 鏈路權值數據Tab.1 Weights of link

依據《電力系統通信業務導則》（GB/T 17246）設定約束條件為Rt=99.999%，Ct=20萬元，Dt=5 ms，LRt=6×10-2，BWt=2 M，At=8 dB。計算站點A到站點J的路由配置。根據復合量度B路由配置算法，求出B=10條最短路，構成的最短路集PAJ（10）=｛（A，E，J），（A，B，E，J），（A，D，F，J），（A，D，I，J），（A，E，I，J），（A，C，D，F，J），（A，B，E，I，J），（A，C，D，I，J），（A，C，G，H，F，J），（A，D，G，H，F，J）｝，對路徑集合PAJ（10）中各路徑的測度分析如下。

3.1 各路徑業務傳輸性能測度分析

以時延、丟包率和成本為測度計算各路徑業務傳輸性能，結果如圖3所示。由于路徑時延大于約束條件DTH=5 ms，因此排除路徑p6、p8、p9和p10。由于丟包率大于約束條件LRTH=6×10-2，因此去除路徑p2和p7。由于成本大于成本約束Ct=20萬元，因此排除路徑p9和p10。

圖3 各路徑傳輸性能測度Fig.3 Evaluation of transmission performance for different paths

綜上分析結果，選擇p1、p3、p4和p54條路徑作為路由配置的路徑集，根據帶寬使用率從小到大排序為BW（p1）＞BW（p3）=BW（p4）＞BW（p5）。確定p1為主用路徑。由于次優路徑p3和p4的帶寬利用率相同，故需要計算電路可靠性測度判優。

3.2 各路徑電路可靠性測度分析

1）有效性分析

假設站點有效性均為99.999 9%，根據式（2）可計算出各光通路路徑有效性數值，如圖4所示。

圖4 各路徑有效性分析Fig.4 Effectiveness analysis for different paths

在備選路徑中，max｛R（p）｝=R（p1）=99.999 3%，min［R（p）］=R（p10）=99.998 57%，根據RTH=99.999%，則排除不滿足有效性約束的路徑p6、p7、p9、p10。考慮主備用路徑保護，選取p4為備用路徑，根據式（4）計算主-備用的電路有效性為

此處，R14＞max｛R（φ）｝，表明采用主備用路徑能進一步提升光路由可靠性。

2）光路衰耗分析

考慮路徑中光纜及接頭衰耗，計算各路徑衰耗，如圖5所示。由圖5可知只有路徑p9和p10的衰耗高于約束ATH=8 dB，其余路徑滿足光信號傳輸需求

圖5 各路徑衰耗分析Fig.5 Attenuation analysis for different paths

在滿足各約束條件下，選用最可靠通信路徑，并采用主-備策略，確定A-J站間主通信路徑為p1，備用路徑為p4，其具有更好的通信可靠性。

4 結語

本文針對智能電網對用電信息采集系統提出的雙向智能互動新需求，研究承載多類用電信息業務傳輸的電力光通信鏈路配置方法，綜合考慮了通信鏈路可靠性和各類業務傳輸QoS影響因素。并提出一種滿足通信電路全程可靠性和傳輸QoS需求的φ條最優路徑配置算法，實現了主-備路徑保護以及多路徑流量分擔，有效提高路由配置的效率和可靠性。

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劉 宣（1978—），男，碩士，工程師，從事電力系統自動化、智能用電技術、用電信息采集技術研究。Email：liuxu?an@epri.sgcc.com.cn

徐英輝（1972—），男，博士，高級工程師，從事電氣測量方面研究。Email：xuyinghui101@163.com

趙 睿（1991—），男，碩士研究生，從事智能配用電、電力需求側管理研究。Email：ruizhao@tju.edu.cn

中圖分類號：TN915

文獻標志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）07-0101-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.019

作者簡介：

收稿日期：2015-03-18；修回日期：2015-12-26

Reliable Channel Configuration Algorithm for Two-way Interaction of Electricity Consumption Information

LIU Xuan1，XU Yinghui1，ZHAO Rui2，YANG Ting2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：The electricity consumption information acquisition system establishes the relationship between the power network and users.With the increasing demand of user information，reliable communication has become one important technique to realise the two-way interaction.Based on the characteristics of electricity consumption information and the evaluation of transmission performance，a transmission model for the two-way interaction of electricity consumption in?formation is established and a reliable channel configuration algorithm with composite measures is proposed for various types of user information.Through the simulation on the communication of a real urban power distribution network，it is shown that the proposed algorithm can ensure the reliable transmission of information of various types in a power net?work with multi-constraint，and improve the two-way interaction of electricity consumption information acquisition sys?tem.

Key words：two-way interaction；electricity consumption information；quality of service（QoS）；channel configuration