基于VPN技術的電力系統通信自動保護方法

陳 輝，高 健

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

通信網是支撐電網的重要網絡，也是電網安全穩定運行的保障。電力系統通信保護直接影響電力通信網絡和智能電網設備的穩定運行。電力系統可以在一個電氣組件出現故障或行為異常時進行故障處理，保證其他非故障組件的正常運行[1]。電力系統通信自動保護主要是在電力通信網絡搭建信息保護模型，從而確保電力系統裝置之間的正常通信[2]。因此，電力系統的通信安全影響著核心設備的可靠性和方案的完備性，是電力通信網絡的重要問題[3-5]。傳統的電力系統通信保護方法會設置一個路由方案，該路由方案是通信保護的核心，也是保證電力系統穩定性的基礎。

1 電力系統通信自動保護方法設計

1.1 配置電力系統通信場景

電力通信網絡標準要求業務路由滿足時延、誤碼率、風險以及時延對稱性等重要指標。在眾多服務路由計劃約束指標中，時間延遲是電網服務路由計劃中需要考慮的重要指標[6-8]。電力通信網絡中執行的業務數量龐大，不同類型的業務有不同的時延要求，標準延遲應小于200 ms，會議等視頻服務的延遲應小于1 000 ms。可見，通信網保護業務的延時要求非常嚴格，因為通信網保護業務在電網中的主要職責是通過控制電路對異常設備進行監測和控制，所以在故障時間可能存在信息泄露的風險。由于通信網使用Point連接到通信設備，其服務路由對延遲參數非常敏感，因此與其他約束相比，通信網保護服務的路由計劃旨在優化鏈路延遲。

在電力通信網絡中，時延包括光纜的時延和現場設備收發信號時產生的設備時延，其擴展性是一個常數值。光纜的時延與長度成正比，可以簡單地通過光纖纖芯的折射率和光速來求解。因此，在單個服務路由計劃中使用最短路徑算法，以時延為優化目標，可以準確地求解出通信的關鍵路徑，求解出關鍵路徑后，可以使用優先搜索算法找到接近主路由的另一條路由，以獲取替代路由。多業務場景指的是同時為多個通信網保護業務進行路由規劃的場景[9]。在電力通信網中，連接的鏈路和節點承載著不同的負載，這是因為鏈路和節點承載的服務類型不一樣，不同類型的服務具有不同的參數要求和資源占比，所以在多業務場景下需要同時進行部署。由于本文設計的環境較復雜，使用單業務場景處理會導致鏈路延遲，增加事故發生的概率，因此本文選用多業務場景處理[10]。

1.2 規劃電力系統通信保護路徑

算法子模塊需要收集拓撲節點信息、鏈路信息、業務起點以及終點等信息，所有數據需要進行統一封裝，并通過單個路由計劃模塊傳輸。單業務路由模塊根據用戶的策略選擇合適的信息調用路由，實現通信網的通信。在進行通信傳輸時，將需要配置的業務類型、業務起點、業務終點、鄰接矩陣傳遞給算法，利用子模塊來計算業務路徑，再將路由計劃方案按照業務路徑返回給路由計劃模塊。最后，業務路由規劃模塊將與路由相關的數據和待配置業務同時進行數據更新，再由數據庫將更新后的數據返回給拓撲模擬顯示界面，從而將業務路由規劃的結果反饋給用戶，因此需要規劃這些過程的通信保護路徑。

本文選擇遺傳算法進行規劃，將空間中的數據編碼成二進制字符串或浮點數數組，以適應選擇算法的處理過程。但是，在業務路徑規劃問題中得到的路由值僅是一個序列，因此所有通過訓練形成的業務路由都不能用通用的編碼方法進行編碼，需要設計新的軌跡來進行編碼。新軌跡按照路由順序表示為一個獨立的實序列，可以進行編碼，得出此時的保護路徑。算法優化目標的增加率和抗體親和力的增加率一樣，設計的路徑規劃函數為：

式中，Z代表大數，f(s)必須隨時保證正值。此時需要對產生的適應值進行預處理，保證傳遞給下一代染色體的存活概率，并實現自然選擇，同時保證優等染色體的選擇概率，從而確保計算后代的多樣性。本文選取幾個隨機數進行路徑軌跡判斷，如果此時的路徑軌跡滿足要求，則進行交叉；如果此時存在相同軌跡則意味著兩條路徑在該節點重疊，應圍繞該節點減少一半的交換路徑，以確保交叉后的真實序列仍在求解的空間中。插入節點后求解空間中存在的新的實數序列，因此，可以將插入節點后的路徑保存為當前的最優通信保護路徑。

1.3 基于VPN技術設計通信保護模型

VPN技術是構建通信網絡模型的基礎技術，本文設計的電力系統保護方法是基于OTN網絡的分層模型，以傳輸時延、可靠性、電層資源占用和光層資源占用為約束條件，以優化光層鏈路占用的最小標準差來建立的最優路由均衡規劃模型，實現網絡服務負載均衡。鏈路占用的平均值反映業務流量，鏈路占用的標準差反映平衡程度，業務傳輸時延反應比率，基于此設計的通信保護模型為：

式中，ROP.J代表光層節點占用率，ReP.J代表電層節點占用率，NOP.J代表光路徑中繼節點次數，COP.J代表光層節點容量，τOP代表光節點占用率上限，NeP.J代表電層中繼節點次數，CeP.J代表電層節點容量，τeP代表電層節點占用率上限。

在為通信保護業務構建兩條獨立的路徑方面，RF算法在某些情況下可能無法找到現有的備份路徑，因此備份路徑的解決方案應先檢查路徑是否存在，然后再找一個更優路徑替代，傳輸時延和可靠性也必須滿足傳輸要求，在此基礎上才可以優化備份路徑解決方案。由于使用k條最短路徑時存在鏈路占用上限和節點占用限制，因此加載順序較低的服務在選擇路由時對上限約束更敏感。鏈路越多的業務占用率越高，規劃順序越高，業務拒絕的可能性越大，因此需要先找出每個業務起始和結束節點的最短路徑，然后統計這些鏈路的數量，最后根據鏈路數，對所有業務重新規劃順序，先規劃鏈路最少的業務。

當鏈路占用或節點占用達到上限時，可以刪除鏈路或節點，形成新的網絡拓撲。通過設置鏈路占用上限和節點占用上限，可以避免部分節點鏈路過度擁塞。通過調整鏈路占用上限和節點占用上限，可以在滿足一定服務率的前提下減小鏈路占用的標準差。

2 實例分析

2.1 仿真環境與實驗設置

以某區域的電力系統保護OTN通信網為例，與傳統的路由通信自動保護方法相比較，驗證本文所提方法的有效性。該區域電力系統保護的OTN通信網網絡由30個變電站通信站點和38條光纜鏈路組成，初始階段的電層無邏輯鏈路，隨著業務增加邏輯鏈路逐漸建立，此時的OTN通信網絡拓撲如圖1所示。

圖1 通信網絡拓撲

由圖1可知，基于MATLAB2016b仿真平臺對本文方法的有效性進行驗證，本文假設每兩個通信站點之間有一組業務，業務起止點已知共有30個節點，業務數量為600。對于這600個業務，本文按照提出的加載順序優化方法為它們重新排序，一次加載一個業務。

實際業務傳輸時通常會考慮轉換過程的時延和可靠性，單次業務加載完畢后需要計算業務傳輸時延、業務可靠性、光層資源占用率以及光層鏈路占用率標準差。本文只考慮光層鏈路占用率上限值和光層節點占用率上限值對網絡平衡度的影響。

2.2 應用效果與討論

根據上文設計的通信保護模型，可以求出兩種方法的15條鏈路的占用值，應用效果如表1所示。

表1 應用效果

由表1可知，本文設計的方法在連續15條鏈路中的占用值差距較小，證明其鏈路占用率均衡，有安全保護效果。

3 結 論

設計完善的電力系統通信保護方法對維持電力系統穩定，保證電力系統通信網安全來說有重要意義，本文通過規劃路徑、建立通信保護模型設計了一個新的電力系統通信自動保護方法，經過實例分析證明，本文所設計保護方法的鏈路占用率均衡，安全保護效果好，具有一定的應用價值。