基于设备状态的通信业务可靠性分析及路由优化技术研究

广泽晶，樊秀娟，唐 佳，张 宁，郭小溪，李成巍，崇祝磊



基于设备状态的通信业务可靠性分析及路由优化技术研究

广泽晶1，樊秀娟1，唐 佳1，张 宁1，郭小溪1，李成巍1，崇祝磊2

（1. 国家电网公司信息通信分公司，北京 100761；2. 国网江苏省电力有限公司信息通信分公司，江苏 210000）

电力通信业务包括电网调度通信业务和企业经营业务，保证电网安全和企业高效运转。随着电力通信网的快速发展，业务通道的数量和种类也快速增加，相应运行方式也日趋复杂。为了保障电力通信业务安全稳定运行，通道路由的可靠有效尤为重要。本文从生产实际出发，通过对在网运行设备的状态评价、风险分析、智能决策等手段开展业务通道路由分析，为新增业务提供承载通道和调整已有业务的承载通道路由。

设备状态；可靠性分析；路由优化

0 引言

电力通信网作为电力系统的专用网络，其承载的通信业务主要是与电力生产、运行相关的通信业务，包括继电保护业务、安全自动装置业务、自动化业务等，这些业务对通道路由可靠性有特殊要求，通道路由是否可靠会直接影响电力系统的安全稳定运行。因此，针对电力通信业务的可靠性分析及优化研究是十分必要的。

对通信业务的可靠性分析，已经取得了较多的研究成果[1-4]，分别从脆弱性分析、网络拓扑结构和保护机制进行了讨论。文献[5-6]给出了SDH传输系统低时延优化与设计方法。文献[7]在实验室和现场环境中对E1业务通道时延特性进行了测试，得出了线路/光路中断以及设备停复机对通道时延的影响较小（一般小于10ms），SDH同步解列对时延的影响较大（约20ms），所以利用SDH传递时间应严格要求SDH通信系统同步。在SDH网络的缺陷分析研究[8]也给出了一些结论。

上述的研究方向及研究工作主要主要针对网络本身固有的可靠性测算方法，没有结合设备状态对路由进行分析研究。本文基于电力通信网的设备状态进行业务分析，通过对在网运行设备的状态评价、风险分析、智能决策等手段，开展业务通道路由分析，为新增业务提供承载通道和调整已有业务的承载通道路由。

1 业务现状分析

传统的资源调配和方式管理模式是在受理业务申请之后，由专职人员利用静态的表格、图形资料，根据自己对通信网络的掌握和认知设计通道路由，手工编写方式方案、绘制路由图，完成方式单的编制，而后由现场实施人员按照方式设计方案完成网络资源的连接或配置。这种工作模式存在网络资源信息数据相对分散，难以全面、快速查询掌握网络现状；完全依赖人工进行方案设计，难以快速、准确、优化的设计调度方案；现场施工与调度方案间误差难以追踪，为业务保障留下隐患；对方式编制人员的专业技能要求高，资源调配的水平完全依赖于编制人员的专业水平等一系列问题。

通信管理系统可辅助方式专责规划业务路由、分配通道路径，但在编制方式方案时，主备用通道拆分为不同的业务录入系统，缺少对设备状态的考虑，系统无法自动识别业务的主备通道，需要人为判断通道的可靠性，对方式编制人员熟悉网络信息的要求比较高，方式编制方案的质量受人为因素影响比较大。随着通信网络的扩建、业务数量的增长，通信网络中业务分布不均衡、通道路由分配不合理的情况会逐渐增多。如不及时对现网运行业务及网络进行优化、调整，通信业务的稳定运行会受到影响。目前在通信网络及业务管理工作过程中存在以下几个问题：

（1）继电保护、安全自动装置等业务在编制方式方案时，主备用通道拆分为不同的业务录入系统，系统无法自动识别业务的主备通道，需人工将主备用通道合并为一条业务。

（2）由问题1导致，系统无法自动识别业务主备通道是否存在同缆同站的情况；在编制备用通道时，系统无法与主用通道路径区分，智能化辅助编制功能无法排除同缆同站的路由，需人工干预判断。方式方案编制的质量受人为因素影响比较大。

（3）因业务开通时间要求，在通信网络资源无法完全满足要求的情况下开通业务通道，业务通道不完全满足N-1规范要求、业务通道分布在业务负载较重的设备节点。

2 业务现状分析

2.1 设备状态研究对象

设备状态的研究对象主要包括各类光缆和设备、板卡、端口、电源模块运行状态、链路状态、动力环境变量等。

SDH（含MSTP）对象主要包括:运行环境、光接口运行情况、电接口运行情况、设备时钟情况、电源电压五个方面。其中运行环境包括设备温度、温度变化率；光接口运行情况包括发送光功率、接收光功率、光功率变化率、光误码率；电接口运行情况包括电接口误码率；设备时钟情况包括时钟的精度等级；电源电压包括电压范围接近度、电压变化率[9]。

OTN对象主要包括：电源、板卡、光路、监控四个方面状态量；其中电源状态量报告电源电压，主控板电池电量；板卡状态量包括风扇状态、单板工作状态、总线状态、单板间通信情况、工作温度；光路状态量报告光路光功率，单波长光功率，光路误码率，单波长误码率，激光器光功率，光路光功率变化情况，单波长光功率变化情况，光路误码率变化情况，单波长误码率变化情况，激光器光功率变化情况；监控状态量包括网管和网关网元或本网元和网关网元连接通道误码率以及误码率变化情况。

光缆对象主要包括：纤芯衰耗、衰耗变化。

2.2 设备状态分级

为明确、量化的划分传输网设备状态的级别[10]，通过对性能越限率、性能重要性以及设备重要性的综合计算得出，作为分级的量化标准。设性能预警指标为Α、性能越限率为Τ、性能重要性为Ν、设备重要性为Β，具体计算公式如下：

Α=(1+Τ)∙Ν∙Β （1）

其中性能越限率Τ根据性能阈值和实际值的偏差计算得出，性能重要性Ν根据厂家和设备定义在性能规则管理中人工设定，设备重要性Β则根据如下公式计算得出：

Β=(δ∙η)/g^2∙m¢/m（2）

其中γ为设备总带宽、δ为占用总带宽、η为高阶通道总带宽，μ为承载业务数量、μ¢为承载重要业务数量。

根据以上公式进行计算得出性能预警指标，对设备状态进行分级，可以分为正常、异常、告警三种状态。

正常状态：自动采集数据的数值没有超过设置的异常状态和告警状态门限值，数值变化稳定，不存在运行安全隐患。

异常状态：自动采集数据的数值超过设置的异常状态门限值，但没有超过设置的告警状态门限值，通信设施的性能指标虽受一定的影响，但变化趋势尚不会影响通信设施的安全运行。

告警状态：自动采集数据的数值超过设置的告警状态门限值，已影响通信设施的性能指标, 设施只能短期运行，无法承载业务。

2.3 最短路径算法-Dijkstra算法

最短路径算法是计算指定两个节点间的最短路径，输入参数是起止节点，输出结果是两个节点间的最短路径。

Dijkstra算法是典型最短路算法。Dijkstra算法特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法的计算过程采用两个集合或两个表方式表述，以T1，T2表方式为例介绍计算过程，首先创建两个表：T1，T2。T1表保存所有已生成而未考察的节点，T2表中记录已访问过的节点。计算过程如下：

（1）从起始点开始，查询通信网中里与起始点直接相连的点，把起始点放在T2表中，把与起始点相连的节点放入T1表中等待检查，同时记录各节点距起始点的距离。

（2）从T1表中找出距起始点最近的点，找出这个点的所有子节点，判断子节点是否是目标点，如果不是目标点则把这个点放到T2表中，并记录该节点到起始点经过的节点；遍历考察放入T2表中节点的子节点。求出这些子节点距起始点的距离值，把子节点到T1表中。

（3）重复2步。直到T1表为空，或找到目标点。

由于Dijkstra算法遍历计算的节点很多，效率比较低。对Dijkstra算法做改善，有一些新的算法产生，例如A*（A-Star）算法，公式表示为：

f(n)=g(n)+h(n) （3）

其中：

f(n)是节点n从初始点到目标点的估价函数；

g(n)是在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价；

h(n)是从n到目标节点最佳路径的估计代价。

2.4 网络结构

北向接口是设备网管系统提供的与上层通信管理系统进行数据交互的接口。系统通过该接口实现对通信网络的动态监视及性能参数的获取。系统通过规范设备网管北向接口、定义数据格式与通信协议，实现设备网管与综合网管之间数据交互的标准化。目前主流的北向接口主要分为通用标准接口和专用私有协议接口。

通用标准接口：指国际公认的网管系统之间的数据接口规范，交互内容包括配置、故障、性能数据，交互方式包括查询和推送。主流的接口规范包括：MTNM标准规范（基于CORBA接口）、SNMP、IPNM、CMIP、MTOSI标准（XML北向接口）等。

专用私有协议接口：通信设备厂家自定义实现的北向接口，标准化程度低、种类繁多，主要包括TCP、UDP、telnet、文件服务、SYSLOG、数据库直接访问等方式，数据的交互过程由各厂家网管自行规定。

3 业务现状分析

3.1 针对通道路径搜索算法的设计

路径分析应能够根据多个参数综合分析出若干条两端网元设备间可达的传输路径供设计人员选择，设计人员也可以人工调整路径。分析参数包括：线路等级要求（例如220 kV以上）、光缆类型（如OPGW）、覆盖传输系统（允许多个系统综合分析）等。对分析出的路径，应能够按照：最小节点、最短长度、最低衰耗、最低隐患等因素排序显示。路径应包含每一节点的详细信息，并能够与光缆逻辑图联动，图形化的现实线路的走向。

3.2 针对网络调整影响业务算法的设计

调整影响业务跟进调整点分析出影响到的业务信息，运维人员可选择业务调整该业务路由，在路由调整过程中，系统根据调整点向运维人员推荐可调整至的路径。系统根据调整点分析出影响到的物理资源，包括设备、板卡和端口，由物理资源分析影响的通道和业务。

当网络发生调整时，需要对网络调整点相关的业务进行停闭和重新开通。但这种停闭和开通业务，往往很多新开业务的路由需要利用旧业务停闭路由的一部分。

业务局向为A-F和A-M的原路由为蓝色和红色路由。网络调整后，业务F端和M端不发生变化，但需要将落地点A端开到G点。新开业务利用了红色路由，只是新开了绿色路由。

对于该类业务，本项目将通过网络调整影响业务分析功能，计算出影响的业务和业务调整后可用路径。

图1 业务通道路由选择示意图

3.3 针对网络调整影响业务算法的设计

方式编制功能和网络调整流程是资源调度模块的两个功能项。资源调度方式管理的核心工作是响应电网各专业部门对通信通道的需求，应用通信专业知识和数据信息，编制通信资源调配使用方案，并通过流程化的校核、审批、执行，完成通信通道的开通、变更、退出。

其业务需求主要来自新业务开通和已有业务保障两方面。如下图所示：

图2 新业务通道开通示意图

电网各专业部门（如继电保护、安稳控制、自动化等）的生产运行需要通信部门提供通信通道，这包括开通新的业务通道和保障已有的业务通道两方面。

新业务开通方面，根据不同部门的应用需要，通信部门应通过资源的调度分配，提供包括光缆、专用光纤、传输通道等不同类型的通信通道。

业务保障方面，包括业务故障修复和网络/线路优化两类。业务故障修复是在业务通道出现受损甚至中断的情况下，应进行临时的资源调度，快速回复业务运行；网络/线路优化是为了提高业务通道服务质量而进行的资源调配使用的调优。

4 结论

综合电网各专业部门对通信通道的需求和业务保障的相关要求，可通过对在网运行设备的状态评价、风险分析、智能决策等手段开展业务通道路由分析，为新增业务提供承载通道，并对已有业务的承载通道路由进行优化调整。

[1] 王瑞雪. 电力通信网通道隐患点分析模块的设计与实现[D]. 北京邮电大学, 2016.

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[10] 张书晨. 电力通信网运行可靠性分析系统的设计与实现[D].

Research on Reliability Analysis and Routing Optimization of Communication Services Based on Device State

GUANG Ze-jing1, FAN Xiu-juan1, TANG Jia1, ZHANG Ning1, GUO Xiao-xi1, LI Cheng-wei1, CHONG Zhu-lei2

(1. State Grid Information & Telecommunication Branch, BeiJing 100761, China; 2. State Grid Jiangsu electric Power Company, Nanjing 210000, China;)

The power communication business includes power dispatching communication business and business operation to ensure the safety of power grid and efficient operation of the enterprise. With the rapid development of power communication network, the number and type of business channels have increased rapidly, and the corresponding operation mode has become increasingly complex. In order to ensure the safe and stable operation of power communication business, the reliability and efficiency of channel routing is particularly important. Starting from the actual production, this paper carries out the business channel routing analysis by means of state evaluation, risk analysis and intelligent decision making on the network running equipment, providing the load channel for the new services and adjusting the load channel routing of the existing service.

Protein; Quantitativedetermination; Spectrophotometer method; Fluorescent method

TN915.853

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.022

广泽晶(1986-)，女，工程师，主要研究方向：电力系统通信技术研究工作；樊秀娟(1978-)，女，工程师，主要研究方向：电力系统通信技术研究工作；唐佳(1985-)，女，工程师，主要研究方向：电力系统通信技术研究工作。

本文著录格式：广泽晶，樊秀娟，唐佳，等. 基于设备状态的通信业务可靠性分析及路由优化技术研究[J]. 软件，2018，39（9）：109-112