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(wǎng)是支撐電網(wǎng)的重要網(wǎng)絡，也是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的保障。電力系統(tǒng)通信保護直接影響電力通信網(wǎng)絡和智能電網(wǎng)設備的穩(wěn)定運行。電力系統(tǒng)可以在一個電氣組件出現(xiàn)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(tǒng)通信自動保護主要是在電力通信網(wǎng)絡搭建信息保護模型，從而確保電力系統(tǒng)裝置之間的正常通信[2]。因此，電力系統(tǒng)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(wǎng)絡的重要問題[3-5]。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性的基礎。

1 電力系統(tǒng)通信自動保護方法設計

1.1 配置電力系統(tǒng)通信場景

電力通信網(wǎng)絡標準要求業(yè)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(wǎng)服務路由計劃中需要考慮的重要指標[6-8]。電力通信網(wǎng)絡中執(zhí)行的業(yè)務數(shù)量龐大，不同類型的業(yè)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(wǎng)保護業(yè)務的延時要求非常嚴格，因為通信網(wǎng)保護業(yè)務在電網(wǎng)中的主要職責是通過控制電路對異常設備進行監(jiān)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(wǎng)使用Point連接到通信設備，其服務路由對延遲參數(shù)非常敏感，因此與其他約束相比，通信網(wǎng)保護服務的路由計劃旨在優(yōu)化鏈路延遲。

在電力通信網(wǎng)絡中，時延包括光纜的時延和現(xiàn)場設備收發(fā)信號時產(chǎn)生的設備時延，其擴展性是一個常數(shù)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(yōu)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(yōu)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(yè)務場景指的是同時為多個通信網(wǎng)保護業(yè)務進行路由規(guī)劃的場景[9]。在電力通信網(wǎng)中，連接的鏈路和節(jié)點承載著不同的負載，這是因為鏈路和節(jié)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(shù)要求和資源占比，所以在多業(yè)務場景下需要同時進行部署。由于本文設計的環(huán)境較復雜，使用單業(yè)務場景處理會導致鏈路延遲，增加事故發(fā)生的概率，因此本文選用多業(yè)務場景處理[10]。

1.2 規(guī)劃電力系統(tǒng)通信保護路徑

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

本文選擇遺傳算法進行規(guī)劃，將空間中的數(shù)據(jù)編碼成二進制字符串或浮點數(shù)數(shù)組，以適應選擇算法的處理過程。但是，在業(yè)務路徑規(guī)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(yè)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(yōu)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(guī)劃函數(shù)為：

式中，Z代表大數(shù)，f(s)必須隨時保證正值。此時需要對產(chǎn)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(xiàn)自然選擇，同時保證優(yōu)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(shù)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(jié)點重疊，應圍繞該節(jié)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(jié)點后求解空間中存在的新的實數(shù)序列，因此，可以將插入節(jié)點后的路徑保存為當前的最優(yōu)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(wǎng)絡模型的基礎技術，本文設計的電力系統(tǒng)保護方法是基于OTN網(wǎng)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(yōu)化光層鏈路占用的最小標準差來建立的最優(yōu)路由均衡規(guī)劃模型，實現(xiàn)網(wǎng)絡服務負載均衡。鏈路占用的平均值反映業(yè)務流量，鏈路占用的標準差反映平衡程度，業(yè)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(jié)點占用率，ReP.J代表電層節(jié)點占用率，NOP.J代表光路徑中繼節(jié)點次數(shù)，COP.J代表光層節(jié)點容量，τOP代表光節(jié)點占用率上限，NeP.J代表電層中繼節(jié)點次數(shù)，CeP.J代表電層節(jié)點容量，τeP代表電層節(jié)點占用率上限。

在為通信保護業(yè)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(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(jié)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(yè)務占用率越高，規(guī)劃順序越高，業(yè)務拒絕的可能性越大，因此需要先找出每個業(yè)務起始和結束節(jié)點的最短路徑，然后統(tǒng)計這些鏈路的數(shù)量，最后根據(jù)鏈路數(shù)，對所有業(yè)務重新規(guī)劃順序，先規(guī)劃鏈路最少的業(yè)務。

當鏈路占用或節(jié)點占用達到上限時，可以刪除鏈路或節(jié)點，形成新的網(wǎng)絡拓撲。通過設置鏈路占用上限和節(jié)點占用上限，可以避免部分節(jié)點鏈路過度擁塞。通過調(diào)整鏈路占用上限和節(jié)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(huán)境與實驗設置

以某區(qū)域的電力系統(tǒng)保護OTN通信網(wǎng)為例，與傳統(tǒng)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(qū)域電力系統(tǒng)保護的OTN通信網(wǎng)網(wǎng)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(yè)務增加邏輯鏈路逐漸建立，此時的OTN通信網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)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(yè)務，業(yè)務起止點已知共有30個節(jié)點，業(yè)務數(shù)量為600。對于這600個業(yè)務，本文按照提出的加載順序優(yōu)化方法為它們重新排序，一次加載一個業(yè)務。

實際業(yè)務傳輸時通常會考慮轉換過程的時延和可靠性，單次業(yè)務加載完畢后需要計算業(yè)務傳輸時延、業(yè)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(jié)點占用率上限值對網(wǎng)絡平衡度的影響。

2.2 應用效果與討論

根據(jù)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(xù)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(tǒng)通信保護方法對維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定，保證電力系統(tǒng)通信網(wǎng)安全來說有重要意義，本文通過規(guī)劃路徑、建立通信保護模型設計了一個新的電力系統(tǒng)通信自動保護方法，經(jīng)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。