用电信息双向互动的可靠通道配置算法

刘 宣，徐英辉，赵 睿，杨 挺（.中国电力科学研究院，北京 009；.天津大学电气与自动化工程学院，天津 30007）

用电信息双向互动的可靠通道配置算法

刘 宣1，徐英辉1，赵 睿2，杨 挺2
（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

摘要：用电信息系统构建起电网与用户间的双向智能互动。随着对电力用户信息需求的增长，可靠通信成为实现双向互动功能的核心技术。基于用电信息特征分析和传输性能测度计算，建立用电信息双向互动传输模型，并提出一种可承载多类型用电信息的复合量度可靠通道配置算法。通过对某城区配用电通信网实例仿真，验证算法在多约束电网中可实现保证多种类型信息的可靠传输，有效提升了用电信息采集系统的双向互动性。

关键词：双向互动；用电信息；服务质量；链路配置

用电信息采集系统是实现电能计量、电力负荷控制和电力营销的一体化电力大数据平台，其需要可靠高效的通信网络实现系统主站和现场终端间的数据通信。随着智能电网的发展，双向智能互动成为用电信息采集系统的实现目标，需要更细粒度、多类型用电信息。与此同时，快速增长的数据量和变得复杂的信息采集网络结构都对电力通信的可靠性提出了相当高的要求［1-4］。

光传输技术以其高带宽和抗干扰能力成为实现用电信息采集系统的通信支撑，但双向智能互动的新需求则要求电力通信网络同时承载A～E 5类用电信息业务，各业务对于通信的传输要求也不尽相同，因此对电力光纤传输的带宽、时延等传输服务质量QoS（quality of service）提出了多级别的限定需求。因此，通信可靠性对于整个系统实现安全运行、准确符合控制和高效电力营销管理具有极其重要的意义［5］。

目前，国内外学者对电力通信网可靠性进行了探索研究［6-9］。文献［6］将效能模型引入到电力通信网络，通过对电力通信网网元及网络的效能模拟，获取效能与可靠性之间的数学关系，利用所建模型中网络效能的实时变化来间接地反映网络的可靠度变化。文献［7］采用复杂网络理论研究网络拓扑模型，修改网络脆弱性目标测度，进行电力通信网可靠性研究。文献［8］基于业务分析，从网络风险值和网络风险均衡度这两项风险评价指标值开展研究。文献［9］将脆弱性作为电力通信网络可靠性的另一种有效测度，在业务层上建立电力通信网网络模型。综上所述，现有文献多从网络结构层面研究电力通信网络可靠性。较少研究将通信电路全程可靠性与承载业务QoS传输需求相结合，从业务传输层面求解信息物理系统CPS（cyber physical system）可靠通信路径，以提升网络承载能力。

本文通过分析光传输可靠性测度和用电信息特征，并与业务传输QoS复合量度结合，建立电力光通信链路配置数学模型，并提出一种新型φ路配置方法。φ条路由提升了传输通道的可靠性，实现了多QoS需求传输。

1 电力光纤通信链路测度分析

1.1 传输可靠性的测度分析

电力通信网可靠性是指实际连续运行过程中完成用户与主站间正常通信需求的能力。在电力光纤通信电路层面上可用有效性测度R表征光纤和传输设备的可靠性。R既能表征电路的可靠性，又能表征电路的可维修性。

1.1.1 电力通信网有效性测度

电力通信网有效性R指电网通信系统按可接受的通信QoS标准和业务需求，不间断地向电力系统提供通信连接能力的测度，其计算式为

式中：h（t）为系统在时间t内完成维修任务的概率密度函数；λ（t）为部件或系统的失效率，其物理含义表示为单位时间内部件或系统失效的次数。电力通信设备采用FIT（failure in time）作为失效率单位，1 FIT表示设备或单元在109h中出现一次故障。若设备的失效率为λ，单位为FIT，那么设备的平均故障间隔时间为109/λh。

1.1.2 电力光通信链路有效性模型

电力光通信链路是指采用光纤通信实现的数据通信路径，它包括信号从源节点开始到目的节点结束所经过的所有路径和设施。因此一条通信路径是由多个基本网络单元互连的系统［10-12］。图1给出3种典型光通信模式，其中TE表示终端采集设备，DF表示配线架，PCM（pulse code modulation）表示脉冲编码调制设备，OT表示光端机，FE表示中间转发设备，SE表示切换设备，OC表示光缆，EC代表电缆，E1表示接口类型。

模式（a）端分别经过2个配线架和2台PCM设备实现通信互联，则链路的有效性表达式为

式中：RSP表示路径上复用设备的有效性；RADM表示路径上光端机设备的有效性；RREG表示路径上中继设备的有效性；s、n分别为通信链路的SDH设备数量和光纤长度。

图1 典型光纤通信模式Fig.1 Typical fiber optic communication modes

模式（b）缺省PCM设备，链路有效性表达式为

模式（c）采用主备用传输方式，提升通信可靠性。该方式必须保证主备用链路全程无共享路由，即两条链路的组成单元完全相互独立，其有效性表达式为

式中：s1、n1分别为主用链路的SDH设备数量和光纤长度；s2、n2分别为备用链路的SDH设备数量和光纤长度；R表示通信双端切换设备的有效性；R表示模式（c）主备用链路的有效性。其他参数与模式（a）相同。

1.1.3 传输衰耗

电力光通信以传输衰耗作为物理层光缆传输质量测度［13］。与光端机等交换设备相比，光缆分散度高，常包含“T”接、“π”接等接头。传输过程中的衰耗为各段链路衰耗之和加上所有接头衰耗，即

式中：A（l）为路径p上链路l的衰耗，A（l）=αlLl，αl为光纤衰耗系数，dB/km，Ll为链路长度，km；n为光纤接头个数；αS为光纤平均接头损耗，dB。

由于光缆工作环境复杂且恶劣，多种因素都会致使光衰增加，光信号传输误码率上升，当全程光衰大于上限时，即A（p）＞A¯，则无法正常接收，造成传输信号中断。因此，光衰是计算光传输可靠性的重要指标之一。

1.2 基于业务传输性能的测度分析

1）带宽需求

带宽表示电力通信网络可通过的最高数据率，反映通信网络中的数据传输能力，单位为bps。通信路径的传输能力等于路径中最小链路带宽，即

式中BW（l）为路径p上的链路l的瓶颈带宽。

2）端到端时延

时延是电气信号对承载网络要求的最小端到端传输时间。在用电信息采集系统中，不同种类的业务对时延要求也不同。如提供给电力负荷控制的用电信息则对通信通道有严格的要求。而对于营销管理和费率计算类业务时延要求则低一些，信息传输时延在几秒内即可。

对于一条传输路径上的时延表达式为

式中D（l）为路径p上的链路l传输时延。

3）传输丢包率

当网络存在异常时，如光衰增加，链路拥塞时，传输的数据包将有丢失概率，则到达目的端的信息不完整。以丢包率衡量数据传输完整性，计算公式为

式中LR（l）为路径p上的链路l的丢包率。

4）通信成本

电力通信网的成本为网络中所有设备所耗费的总费用。对于传输路径，在材质和型号相同的情况下，一般采用链路长度衡量。成本计算公式为

式中C（l）为路径p上的链路l的成本。

本文在链路配置过程中，综合考虑上述QoS参量和通信可靠性测度。

2 电力光通信网络可靠链路配置算法

2.1 电力光通信网络数学模型

将通信网中的交换设备和光纤等效为无向加权图G（V，E），其中V=｛v1，v2，…，vn｝表示节点集合，E=｛e1，e2，…，em｝表示链路集合，即链路e为实际电力光缆l的数学抽象。根据第1节分析影响通信网络路由配置的相关参数，对链路ei设置多权值｛R（ei），C（ei），D（ei），LR（ei），BW（ei），A（ei）｝，分别表示链路ei的有效性、成本、时延、丢包率、带宽和光纤衰耗测度。因此G为多重赋权图，则配置路径即为从源到目的节点的一条满足业务多项需求的无环通路（节点和链路的集合），数学模型定义如下。

1）目标函数

本文引入链路带宽利用率构建电力光通信网络配置目标函数，其计算公式为

式中：δf（ei）为链路ei上已占用带宽；φf为通信控制报文预留带宽。

当选择带宽使用率最小的路径作为最佳配置路径，则可均衡网络负载，消除网络拥塞概率，提升网络承载能力。

2）约束条件

不等式约束中RTH、CTH、DTH、LRTH、BWTH、ATH表示有效性、成本、时延、丢包率、带宽、光纤衰耗测度的约束阈值。

2.2 复合量度B路径配置算法

随着电力光纤网络的建设和规划扩充，通信站间存在多条可达路径。为提升通信可靠性，需要确定最优路径并配备次优路径作为备用通路。本文提出一种复合量度B路径配置算法。该算法可在一次计算过程中完成B条满足多QoS约束的路径配置方案，并给出优化排序。算法流程如下。

步骤1 根据路径配置需求，依照约束条件公式（11）～（16）确定｛RTH，CTH，DTH，LRTH，BWTH，ATH｝。

步骤2 去除不满足式（15）的链路，即BW（ei）＜BWTH的链路。

步骤3 在h重加权图G中，执行如下操作寻找无环B最短路径集Pij（φ），其表示节点i到节点j的B条路径集。

（1）采用Dijkstra算法求出i-j节点对最短路p0，并把p0放入最短路路径集合Pij，即初始时Pij=｛p0｝。

（2）标记p0w=1，表示Pij中待处理路径。

（3）对于Pij中某条待处理的路径p=｛a1，a2，…，ax｝共x条链路构成。依次截断链路au（u=1，2，…，x），获得图G*=G-au。计算G*中i-j最短路，最终获得y（y≤x）条新路径集Qij。

（4）进行路径集Pij与Qij的合并加法运算Pij（M）=Pij⋃Qij，并且标记新加入路径为未处理。若||Pij（M）||＜φ，则在Pij中寻找未处理的路径并标记为当前需处理路径，转（2）。

步骤4 对路径集Pij（φ）中的所有路径计算复合权值，进行选优排序。其具体数学描述如下：

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

（2）验证是否满足约束条件式（11）～式（16）：若不满足，则Pij（φ-1）=Pij（φ）-pk，即去掉该不满足约束条件的路径；若满足约束，则计算下一条路径，pk∈Pij（φ），k=k+1＜φ；直至k=φ，转（3）；

（3）将Pij（B）中路径按带宽利用率Utilization（p）从低到高排序，选择min Utilization（p）的链路pu作为路径配置的主用路径pprm，并选择pu∩pprm=Ø，即与主用路径无共享链路的剩余路径集中次min Utilization（p）链路pstb作为备用传输路径。

3 路由配置方法仿真与性能评估

以某城区实际电力光缆拓扑结构为算例进行仿真实验。网络中各站点之间采用不同型号的光缆进行通信，如图2所示。

图2 电力光缆示意Fig.2 Schemetic of power cables

根据光缆的有效性、成本、时延、丢包率、带宽、光纤衰耗测度不同，建立电力光缆的6重加权图［14-16］，权值集合为W（ei）=｛R（ei），C（ei），D（ei），LR （ei），BW（ei），A（ei）｝，根据式（1）～式（9）计算各权值，其链路权重如表1所示。

表1 链路权值数据Tab.1 Weights of link

依据《电力系统通信业务导则》（GB/T 17246）设定约束条件为Rt=99.999%，Ct=20万元，Dt=5 ms，LRt=6×10-2，BWt=2 M，At=8 dB。计算站点A到站点J的路由配置。根据复合量度B路由配置算法，求出B=10条最短路，构成的最短路集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）｝，对路径集合PAJ（10）中各路径的测度分析如下。

3.1 各路径业务传输性能测度分析

以时延、丢包率和成本为测度计算各路径业务传输性能，结果如图3所示。由于路径时延大于约束条件DTH=5 ms，因此排除路径p6、p8、p9和p10。由于丢包率大于约束条件LRTH=6×10-2，因此去除路径p2和p7。由于成本大于成本约束Ct=20万元，因此排除路径p9和p10。

图3 各路径传输性能测度Fig.3 Evaluation of transmission performance for different paths

综上分析结果，选择p1、p3、p4和p54条路径作为路由配置的路径集，根据带宽使用率从小到大排序为BW（p1）＞BW（p3）=BW（p4）＞BW（p5）。确定p1为主用路径。由于次优路径p3和p4的带宽利用率相同，故需要计算电路可靠性测度判优。

3.2 各路径电路可靠性测度分析

1）有效性分析

假设站点有效性均为99.999 9%，根据式（2）可计算出各光通路路径有效性数值，如图4所示。

图4 各路径有效性分析Fig.4 Effectiveness analysis for different paths

在备选路径中，max｛R（p）｝=R（p1）=99.999 3%，min［R（p）］=R（p10）=99.998 57%，根据RTH=99.999%，则排除不满足有效性约束的路径p6、p7、p9、p10。考虑主备用路径保护，选取p4为备用路径，根据式（4）计算主-备用的电路有效性为

此处，R14＞max｛R（φ）｝，表明采用主备用路径能进一步提升光路由可靠性。

2）光路衰耗分析

考虑路径中光缆及接头衰耗，计算各路径衰耗，如图5所示。由图5可知只有路径p9和p10的衰耗高于约束ATH=8 dB，其余路径满足光信号传输需求

图5 各路径衰耗分析Fig.5 Attenuation analysis for different paths

在满足各约束条件下，选用最可靠通信路径，并采用主-备策略，确定A-J站间主通信路径为p1，备用路径为p4，其具有更好的通信可靠性。

4 结语

本文针对智能电网对用电信息采集系统提出的双向智能互动新需求，研究承载多类用电信息业务传输的电力光通信链路配置方法，综合考虑了通信链路可靠性和各类业务传输QoS影响因素。并提出一种满足通信电路全程可靠性和传输QoS需求的φ条最优路径配置算法，实现了主-备路径保护以及多路径流量分担，有效提高路由配置的效率和可靠性。

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刘 宣（1978—），男，硕士，工程师，从事电力系统自动化、智能用电技术、用电信息采集技术研究。Email：liuxu⁃an@epri.sgcc.com.cn

徐英辉（1972—），男，博士，高级工程师，从事电气测量方面研究。Email：xuyinghui101@163.com

赵 睿（1991—），男，硕士研究生，从事智能配用电、电力需求侧管理研究。Email：ruizhao@tju.edu.cn

中图分类号：TN915

文献标志码：A

文章编号：1003-8930（2016）07-0101-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.019

作者简介：

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