電力系統光通信網絡質量提升關鍵技術研究

摘要：目前光通信網已經成為電力通信系統尤其是配用電通信的主要形式。但光通信設備的脆弱性以及光通信組網方式的復雜性給電力通信網絡的通信質量帶來了巨大挑戰。此外，配用電光通信網絡中數據模型不統一、數據信息難以實時獲取的問題，也影響了電力通信網絡的運維效率。為此，有必要在配用電光通信網絡中建立統一的信息模型和接口，并對光通信網絡質量進行分析，以提升光通信網絡質量。本文提出了統一的光通信網絡信息模型，該模型規范了配置模型和性能數據模型，并實現了標準接口。同時，還建立了光通信網絡質量分析指標模型，并闡述了利用該模型進行質量分析的原理。

關鍵詞：光通信；質量分析；信息模型；標準接口

作為整個電力網絡的核心，配用電網在電力網中扮演著調度的關鍵角色，因此配用電網通信的質量至關重要。但迄今為止，配用電網絡在通信方面仍未形成規范化的統一接口標準，并且電力生產接入網設備使用的接口技術和數據模型也存在著不一致的情況[1]。傳統的配用電通信網絡主要使用雙絞線作為傳輸介質，但該方式受到空間距離限制和各種外界干擾的影響。為解決這些問題，光通信網絡被廣泛應用于配用電網絡中，它能夠克服雙絞線的限制和環境干擾的問題。

然而，光通信設備的脆弱性以及光通信組網方式的復雜性給電力通信網絡的通信質量帶來了巨大挑戰，這也成為優化配用電光通信網絡質量的核心要求。為了實現這一目標，需要建立統一的信息管理模型，以提高光通信網絡質量。這個信息管理模型能夠統一監控和管理配用電光通信網絡中的各種通信和業務資源，并支持端到端業務質量的管理。

一、光通信網絡信息模型及接口

（一）光通信網絡信息模型

配用電光通信網絡的結構包括集成網管系統（Integrated Network Management System， INMS）、網元管理系統（Element Management System， EMS）、子網管理系統（Sub-Network Management System， SNMS）和多個配用點光通信子系統。它們共同完成對配用電光通信網絡的管理和監控工作。在配用電光通信網絡中，主要資源是各種網絡實體設備和在這些設備之間傳輸的數據信息。因此，光通信網絡的信息模型可以分為兩個主要組成部分[2]：配置模型和性能數據模型。

配置模型抽象描述了光通信網絡資源的活動信息。在運行過程中，配置模型會保存一些性能參數，以便分析光通信網絡的整體質量和性能。這些保存的性能參數被稱為性能數據。

配用電光通信網絡的架構決定了其配置模型，包括機架模型、子架模型、卡槽模型、單元盤模型和端口模型等[3]。配置模型的過程是統一光通信網絡中傳輸數據的標準過程。為了簡化設計，可以先設計一個通用的配置模型抽象類，然后具體的配置模型如機架模型繼承此抽象類，并在抽象類的基礎上增加各自特有的屬性。以機架模型為例，可以用它來查詢和配置機架信息。機架模型的基本配置屬性包括機架名稱、機架制造廠商、機架類型和機架版本等。

和機架模型類似，子架模型的配置項包括子架名稱、子架設備制造商、子架類型和子架版本；卡槽模型的配置項包括卡槽名稱、卡槽設備制造商、卡槽可接受的單元盤類型和已安裝的單元盤名稱；單元盤模型的配置項包括單元盤名稱、單元盤類型、提供的端口類型和數量，以及單元盤的使用狀態等。

性能數據模型定義了一系列必要的性能參數，包括光物理接口數據模型、以太網端口性能數據模型和組播性能數據模型等[4]。以光物理接口數據模型為例，其定義的性能參數主要包括發送功率、接收功率和偏置電流等。

（二）光通信網絡標準接口

在配用電光通信網絡中，各網絡設備和資源實體通過管理接口進行交互。只有接口標準統一，才能有效、快速地傳遞數據。

為了提高接口的準確性和高效性，配用電光通信網絡的接口是基于TL1（Transaction Language 1）接口規范完成的。標準接口實現的功能包括對光通信網絡的性能監控、故障監控、配置監控和安全監控。

性能監控能夠采集光通信網絡內的所有性能數據，并將其上傳到中控。故障監控可以實時監測光通信網絡內電力設備的運行情況，并及時上報故障定位信息。配置監控可以查詢光網絡終端和光網絡單元的設備配置信息，并支持配置信息的同步。安全監控能夠控制訪問權限，并檢測與接口安全性相關的漏洞。

光通信網絡的標準接口主要由三個組成部分組成：輸入命令模塊、消息處理模塊和響應輸出模塊。標準接口通過命令操控網元，網元根據輸入命令執行相應的動作，然后返回輸出命令。每條輸入命令消息都以Action Code開始，用于說明網元應采取的動作。Staging Block是命令消息的標識塊，其中TID用于標識目標網元，AID用于標記要訪問的實體（例如槽位、端口等），CTAG用于關聯響應消息和對應的輸入命令。消息處理模塊是標準接口的核心，它在接收到輸入命令后完成具體的業務操作。該模塊的工作包括解析輸入命令消息、處理命令、輸出消息以及向用戶反饋命令執行結果等。

響應消息的格式與輸入命令消息類似，在生成響應消息后將輸入命令的執行結果返回給用戶。響應消息包括響應頭（Response Header）、響應消息標識（Response ID）、響應塊（Response Block）和結束標記。響應頭標記著響應消息的開始，響應消息標識唯一標識一條響應消息，與其他響應消息進行區分；響應塊顯示響應消息中的信息，是光終端設備與用戶之間交互的內容；結束標記表示響應消息的結束。

三、光通信網絡質量分析

（一）光通信網絡質量分析指標

在配用電光通信網絡中，質量分析問題實質上是一個多指標評價模型。在建立此模型時，需要對配電網內常用的參數和指標進行篩選和分析。

配用電光通信網絡的通信資源包括光終端設備、光纖傳輸網和運行環境等。因此，為了全面衡量光通信網絡的通信質量，需要選擇覆蓋光通信網中所有資源實體的指標。此外，為了提高質量分析結果的客觀性和準確性，還應對指標進行量化處理，以便獲得反映光通信網絡質量的定量分析結果。

配用電光通信網的質量分析指標模型具有多層次、多角度的特點。根據光通信網絡的運行結構和特點，可以將質量分析指標分為資源使用類指標、通信可靠性類指標、網絡運行類指標和業務支撐類指標。

資源使用類指標用于衡量光通信網中各種光終端設備的資源使用率，例如CPU使用率、內存使用率和存儲使用率等。這些指標直接反映光通信網絡的傳輸容量、對電力業務的承載能力和擴展能力。通信可靠性類指標分析光通信網內的通信可靠度，判斷網絡是否存在丟包、網絡包的錯誤率以及光通信設備的在線率等。網絡運行類指標確認光通信網絡內各類光終端設備的運行情況，包括是否存在故障以及故障次數等；業務支撐類指標用于判斷業務是否發生中斷、業務中斷的持續時間和業務恢復的概率等。

可以采用效度系數法對配用電光通信網絡質量分析指標模型進行有效性驗證。假設上述指標模型為T={t1， t2， …， tn}，參與對此指標模型進行評價的評委數量為s，如果評委j對每個指標的評分Xj={x1j， x2j， …， xnj}，那么某指標的效度系數βi可以計算為：

其中q是指標Ti的評分中的最優值；

指標體系的效度系數β可以表示為公式2：

由于效度系數法考慮了在對指標進行評價分析時不同專家評價的偏離程度，因此效度系數值越小越能反映指標的有效性。

（二）光通信網絡質量分析原理

在光通信網絡質量分析中，考慮到多個指標可能導致計算量巨大和復雜度高的問題，可以采用主成分分析方法進行降維處理。主成分分析的實質是將原有的多個指標重新組合，通過一定的數學計算保證各主成份間互不相關，同時能夠保留原有指標中的大部分信息。這樣，在光通信網絡質量分析指標模型中，就可以將大量指標轉換成較少數量的主成分指標，而這幾個保留的指標就稱為主成分指標。

對光通信網的運行數據進行采樣，假設數量為P的樣本其指標數量是Q，并構造P*Q的樣本矩陣：

假設Xi表示矩陣X的第i個向量，可以將q個指標向量進行線性組合，得到主成份：

Fi= r1iX1+r2iX2+ … + rni Xn （4）

系數向量ri=（r1i， r2i， ...， rni）T的不同線性組合得到不同的主成分Fi，而且主成分間是不相關的。主成分間的地位是不同的，F1是所有指標向量線性組合中方差最大的一個，因此它包含的信息量最多，在所有主成分中起到最關鍵的作用；F2是其他和F1不相關的所有指標向量線性組合中方差最大的，以此類推就能夠得到其他所有的主成分。

各個指標的數據可能存在較大的差異，如果直接對原始數據進行標準化歸一處理可能會使某些指標丟失部分信息。為了減少信息丟失情況，可以對各指標的元素數據進行均值化處理，即用原始數據除以指標均值，這一操作并不會改變指標間的相關性系數，因此不會產生信息丟失。

四、系統功能實現

光通信網絡質量分析功能可以按照前文描述的算法對收集得到的各項指標進行分析，根據不同指標的權重（主成分分析的結果）得到光通信網絡的運行質量，完成對指標的管理、指標數據的管理、算法管理以及質量分析。

指標管理是光通信網質量分析的基礎模塊，能夠查詢參與光通信網質量分析的指標信息，例如指標名稱和內容等。當光通信網的運行環境變化時，可能會對參與質量分析的指標有不同要求。因此，還可以動態添加指標，從而使整個指標模型可以隨光通信網運行環境的變化而動態調整。當然，也可以刪除無效指標。指標數據管理功能維護數據采集模塊采集到的數據，并以時間維度展示某指標的相關數據。還能對數據進行預處理，比如歸一化操作，以方便后續的主成分分析。算法管理的功能是對質量分析采用的算法進行管理及優化，比如修改主成分分析的向量系數等。

光通信質量分析采用“瀏覽器/服務器”架構，邏輯上分成表示層、應用層和持久層。表示層負責在瀏覽器前端頁面展示分析結果，并為用戶提供光通信質量分析接口，接受用戶的輸入指令。應用層完成具體的業務邏輯、質量分析操作，并通過持久層獲取數據進行處理。持久層借助前文描述的標準接口從設備采集信息，并保存到數據庫中，為應用層提供數據支持。

在系統實現過程中，為使前端界面保持良好的界面友好性和高安全性，選擇使用Flex及ActionScript進行開發。應用邏輯代碼使用Java實現，客戶端及服務端的信息傳遞由Remote Object實現，ibatis負責完成數據持久化。系統邏輯結構如圖1所示。

圖1 光通信網絡質量分析邏輯結構圖

在光通信網質量分析系統中，分析結果可以通過客觀評分的方式得出。這些評分是根據指標的權重和算法計算得出的，用于評估光通信網的運行質量。客觀評分可以幫助用戶快速了解網絡的整體性能。此外，光通信網質量分析系統還提供了自定義質量等級的功能，用戶可以根據自己的需求進行設定。

五、結束語

本文對配用電光通信網質量提升的關鍵技術進行了研究。為了提高光通信網的運行質量，文章首先確定了一個統一的信息管理模型和標準接口。并在此基礎上建立了光通信網質量分析的指標模型，并介紹了進行質量分析的原理。此外，文章還詳細說明了可靠質量分析系統應具備的功能和邏輯結構。這樣的系統對提高光通信網絡質量非常有幫助。它不僅能夠統一監控和管理配用電光通信網絡中的各種通信和業務資源，還能夠支撐光通信網絡端到端的業務質量。

作者單位：許東蛟 河南省電力公司

參考文獻

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許東蛟（1975.01.13-），男，河南鄭州，本科，高級工程師，研究方向：通信和視訊。