一種基于P圈的資源保護方法在電力通信網中的應用研究

尹曉華，劉 林，偏瑞琪，潘德東，曹 智

(1.國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206)

1 概述

隨著電力業務的日益豐富，電力通信網帶寬資源緊張的局面也越發明顯，考慮到經濟性以及電力業務的特殊性，無法對現有通信進行大規模改造，如何實現電力通信網平滑升級成為工程應用中亟待解決的問題。現有關于電力通信網的研究主要集中于可靠性[1-2]和風險評估[3]方面，對于電力通信網資源利用率的研究相對較少，文獻[4]從宏觀的角度對電力通信網的優化問題進行了探討，文獻[5]設計了一種鏈路容量調整機制來解決大數據通信網建設中的帶寬緊張的問題，而本文將理論與實踐相結合，從節省電力通信網保護資源的角度為電力通信網帶寬資源緊張問題提供一種解決思路。現有的電力通信網主要采用1∶1或1+1的保護方案，保護資源的利用率較低，本文研究一種新型保護方法(P圈)應用在電力通信網中，試圖通過改進保護資源的配置方案，提高資源利用率來達到緩解電力通信網資源緊張的目的。現有電力通信網以光纖復合架空地線(OPGW)為主，輔以全介質自承光纜(ADSS),主要采用12/24/36/48芯的G.652或G.655光纖。此外，根據電力十三五規劃，光纜的成環率將進一步提高，格狀網化趨勢逐步增強，網絡可靠性將得到增強。

P圈(Preconfigure Cycle)是1998年由加拿大的Grover教授提出的一種應用于格狀光網絡中的資源保護方法，因為其能同時達到環網的保護速度和網狀網的資源利用率，近年來受到相關專家的廣泛關注：中國科學技術大學的朱祖勍教授對故障獨立路徑保護P圈(FIPP)應用于彈性光網絡中的服務分級保護技術進行了研究[6]，法國Avignond大學的Min Ju博士對P圈應用于彈性光網絡中的頻譜共享和碎片整理問題進行了研究[7]。文獻[8]對P圈的研究方法進行了初步梳理，P圈保護的算法主要分為2類：啟發式算法和最優化算法(整數線性規劃算法，Integer Linear Programing，簡稱ILP)，而啟發式算法的性能無法得到保障，因此本文側重于ILP算法。P圈保護步驟分2步：首先是生成P圈，典型的P圈生成方法有SLA算法和GROW算法，然后配置P圈，典型的P圈配置方法有ER單位圈算法和CIDA算法等。本文采用基于列生成技術(Column Generation)的ILP算法來生成配置P圈對電力通信網進行網絡保護，列生成技術是一種大型線性規劃問題的求解技術，屬于運籌學研究范圍，其詳細介紹可以參考文獻[9]。

2 P圈模型構建

2.1 P圈基礎理論

P圈的保護原理如圖 1所示，它能夠為圈上鏈路提供1條保護路徑，為跨接鏈路提供2條保護路徑。其中S1-S6分別為6個支持P圈保護的站點，S1-S5-S3-S6-S2-S1形成一個完整的P圈。如圖 1(a)所示，保護圈內的通信鏈路(S1，S6)發生故障時，經過S1、S6站點的本地倒換，可將S1-S6間的2倍工作容量分別倒換到路徑S1-S2-S6和路徑S1-S5-S3-S6。如圖 1(b)所示，保護圈外側的跨接鏈路(S2，S3)發生故障時，在S2、S3處分別執行倒換操作，可以將S2-S3上的業務倒換到路徑S2-S6-S3和路徑S2-S1-S5-S3。如圖 1(c)所示，保護圈的圈上鏈路(S1，S2)發生故障時，業務流可以通過路徑S2-S6-S3-S5-S1傳輸。在不損失保護速度的同時，提高了保護資源的利用率。

(a) (b)(c)圖1 P圈工作原理示意圖

2.2 列生成法構建P圈

列生成技術是被公認解決大規模線性規劃問題的有效算法，其主要思想是將問題轉換為一個可以處理的等價問題，轉化的目的一是將問題轉化為具體某種特殊結構的又有現成方法求解的問題；二是將問題化為規模較小的子問題。應用列生成技術成敗的關鍵在于將原問題劃分為主問題(main problem)和子問題(sub problem)。如何將原問題巧妙地構造列向量，并將原始約束劃分到這2組約束是利用列生成技術的關鍵。本文采用列生成技術來生成并配置P圈，主問題側重于解決P圈配置問題，子問題側重于解決高質量P圈的生成問題，以下對主問題和子問題的算法詳細描述。

2.2.1 主問題

主問題關注容量約束，也就是潛在P圈的工作容量和備用容量約束。如參考文獻[10]，本文采用被保護的工作鏈路信道數最大為目標，因此目標函數表示如下：

(1)

約束如下：

(2)

(3)

(4)

ws,zc∈Z+

(5)

2.2.2 子問題

與節點v相鄰的鏈路集：

ε(v)={sj∶sj={v,vi}∈S}

鏈路s的端節點集：

γ(s)={vi,vj∶s={vi,vj}}

N的上循環，一個端節點屬于N而另外一個端節點不屬于N的鏈路集合：

ε(N)={s∶s={vi,vj}∶vi∈N,vj∈VN}子問題的目標函數，也就是降低成本的最大化可以寫成：

(6)

(7)

子問題主要是為了構造P圈，其約束可以寫成如下的形式：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

約束集和保證所有屬于一個給定圈的節點都需要在這個圈中有2條相關聯的鏈路；約束保證如果1條鏈路跨接1個圈，那么它的端節點也是2條圈上鏈路的端節點；約束保證如果1條鏈路跨接1個圈，那么它的端節點都屬于這同一個圈。實際上約束共同保證1條跨接鏈路不能跨接2個P圈。

3 試驗仿真

使用某地的變電站通信網絡作為拓撲，如圖 2所示，任意2個站點之間的光纜采用36芯的光纖，每根光纖中取40個波長用于承載和保護電力管理信息大區的電力業務，考慮到生產大區的電力業務(如繼保、安穩等)對時延、可靠性等要求極為特殊，因此本文中研究的新型資源保護方法定位于管理信息大區的業務保護，業務請求以波長為單位。

圖2 變電站通信網絡

為了突出說明本文提出的新型保護方法的優勢，使用圖 2的變電站拓撲，將本文的算法(ILP-CG)與P圈保護的典型算法(SLA-ER和GROW-CIDA)進行了對比。對比主要從2個方面展開，一是冗余度，二是業務阻塞率。冗余度反映了電力通信網保護資源的利用率，業務阻塞率反映了在該種保護資源配置方法下，此電力通信網所能容納的業務情況。圖 3展示了采用不同的P圈計算方法進行電力通信網資源配置的冗余度對比，可以看到本文的ILP-CG方法明顯優于典型的P圈算法SLA-ER和GROW-CIDA，隨著業務量的增長，資源保護的冗余度逐漸下降，并且下降速度放緩。這與實際情況是相符的，業務請求越多，P圈被復用的概率就越大，因此導致冗余度下降，ILP-CG算法的冗余度最終穩定在接近0.5，略高于0.5，SLA-ER算法的冗余度穩定在0.7左右，GROW-CIDA算法的冗余度最終穩定在0.8左右，這是因為P圈保護算法的冗余度極限是0.5。值得注意的是圖中并未將新提出的P圈保護算法與經典的1∶1和1+1保護方法進行對比，這是因為1∶1和1+1保護方法的冗余度最小為1，顯然本文的ILP-CG算法在提高保護資源利用率上更優，若將傳統電力通信網資源保護算法的冗余度記為1，則本文提出的ILP-CG P圈配置算法，可將冗余度降低30%以上。

圖3 不同方法的資源冗余度對比

圖4對采用不同P圈計算方法配置電力通信網保護資源情況下的業務阻塞率進行了對比，在業務量較小時，3種方法都沒有出現業務阻塞，隨著業務請求數的增多，逐漸出現了阻塞，其中SLA-ER算法計算P圈時，當業務請求數大于4 000開始出現阻塞；使用GROW-CIDA算法，業務量大于5 000開始出現阻塞；當使用本文的ILLP-CG算法計算P圈，業務量大于6 000開始出現阻塞。可見本文提出的ILP-CG方法更優，在該電力通信網業務請求數低于6 000的情況下，均可以使用本文的ILP-CG方法來產生P圈保護電力通信網，基于前文所述的原因，同樣沒有將本文的P圈算法與1∶1和1+1保護方法進行對比。

圖4 不同方法的業務阻塞對比

4 結束語

P圈作為一種新型保護資源配置方法，本文提出將ILP-CG算法用于在變電站通信網中產生P圈配置保護資源，經過理論分析和仿真驗證，充分說明了ILP-CG算法在提高通信網資源利用率(即降低冗余度)方面的優勢，在本文的變電站通信網絡保護資源配置仿真中，資源冗余度可降低30%以上。雖然理論上本算法可以有效地提高電力通信網的保護資源利用率，但是未來如果要應用于實際工程，還需進行大量的分析和測試。

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