劉 宣,徐英輝,趙 睿,楊 挺(.中國電力科學(xué)研究院,北京 009;.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,天津 30007)
用電信息雙向互動的可靠通道配置算法
劉 宣1,徐英輝1,趙 睿2,楊 挺2
(1.中國電力科學(xué)研究院,北京 100192;2.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072)
摘要:用電信息系統(tǒng)構(gòu)建起電網(wǎng)與用戶間的雙向智能互動。隨著對電力用戶信息需求的增長,可靠通信成為實(shí)現(xiàn)雙向互動功能的核心技術(shù)?;谟秒娦畔⑻卣鞣治龊蛡鬏斝阅軠y度計算,建立用電信息雙向互動傳輸模型,并提出一種可承載多類型用電信息的復(fù)合量度可靠通道配置算法。通過對某城區(qū)配用電通信網(wǎng)實(shí)例仿真,驗證算法在多約束電網(wǎng)中可實(shí)現(xiàn)保證多種類型信息的可靠傳輸,有效提升了用電信息采集系統(tǒng)的雙向互動性。
關(guān)鍵詞:雙向互動;用電信息;服務(wù)質(zhì)量;鏈路配置
用電信息采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電能計量、電力負(fù)荷控制和電力營銷的一體化電力大數(shù)據(jù)平臺,其需要可靠高效的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主站和現(xiàn)場終端間的數(shù)據(jù)通信。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,雙向智能互動成為用電信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo),需要更細(xì)粒度、多類型用電信息。與此同時,快速增長的數(shù)據(jù)量和變得復(fù)雜的信息采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都對電力通信的可靠性提出了相當(dāng)高的要求[1-4]。
光傳輸技術(shù)以其高帶寬和抗干擾能力成為實(shí)現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)的通信支撐,但雙向智能互動的新需求則要求電力通信網(wǎng)絡(luò)同時承載A~E 5類用電信息業(yè)務(wù),各業(yè)務(wù)對于通信的傳輸要求也不盡相同,因此對電力光纖傳輸?shù)膸挕r延等傳輸服務(wù)質(zhì)量QoS(quality of service)提出了多級別的限定需求。因此,通信可靠性對于整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行、準(zhǔn)確符合控制和高效電力營銷管理具有極其重要的意義[5]。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對電力通信網(wǎng)可靠性進(jìn)行了探索研究[6-9]。文獻(xiàn)[6]將效能模型引入到電力通信網(wǎng)絡(luò),通過對電力通信網(wǎng)網(wǎng)元及網(wǎng)絡(luò)的效能模擬,獲取效能與可靠性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,利用所建模型中網(wǎng)絡(luò)效能的實(shí)時變化來間接地反映網(wǎng)絡(luò)的可靠度變化。文獻(xiàn)[7]采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠P停薷木W(wǎng)絡(luò)脆弱性目標(biāo)測度,進(jìn)行電力通信網(wǎng)可靠性研究。文獻(xiàn)[8]基于業(yè)務(wù)分析,從網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險值和網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險均衡度這兩項風(fēng)險評價指標(biāo)值開展研究。文獻(xiàn)[9]將脆弱性作為電力通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的另一種有效測度,在業(yè)務(wù)層上建立電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型。綜上所述,現(xiàn)有文獻(xiàn)多從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層面研究電力通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。較少研究將通信電路全程可靠性與承載業(yè)務(wù)QoS傳輸需求相結(jié)合,從業(yè)務(wù)傳輸層面求解信息物理系統(tǒng)CPS(cyber physical system)可靠通信路徑,以提升網(wǎng)絡(luò)承載能力。
本文通過分析光傳輸可靠性測度和用電信息特征,并與業(yè)務(wù)傳輸QoS復(fù)合量度結(jié)合,建立電力光通信鏈路配置數(shù)學(xué)模型,并提出一種新型φ路配置方法。φ條路由提升了傳輸通道的可靠性,實(shí)現(xiàn)了多QoS需求傳輸。
1.1 傳輸可靠性的測度分析
電力通信網(wǎng)可靠性是指實(shí)際連續(xù)運(yùn)行過程中完成用戶與主站間正常通信需求的能力。在電力光纖通信電路層面上可用有效性測度R表征光纖和傳輸設(shè)備的可靠性。R既能表征電路的可靠性,又能表征電路的可維修性。
1.1.1 電力通信網(wǎng)有效性測度
電力通信網(wǎng)有效性R指電網(wǎng)通信系統(tǒng)按可接受的通信QoS標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)需求,不間斷地向電力系統(tǒng)提供通信連接能力的測度,其計算式為
式中:h(t)為系統(tǒng)在時間t內(nèi)完成維修任務(wù)的概率密度函數(shù);λ(t)為部件或系統(tǒng)的失效率,其物理含義表示為單位時間內(nèi)部件或系統(tǒng)失效的次數(shù)。電力通信設(shè)備采用FIT(failure in time)作為失效率單位,1 FIT表示設(shè)備或單元在109h中出現(xiàn)一次故障。若設(shè)備的失效率為λ,單位為FIT,那么設(shè)備的平均故障間隔時間為109/λh。
1.1.2 電力光通信鏈路有效性模型
電力光通信鏈路是指采用光纖通信實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信路徑,它包括信號從源節(jié)點(diǎn)開始到目的節(jié)點(diǎn)結(jié)束所經(jīng)過的所有路徑和設(shè)施。因此一條通信路徑是由多個基本網(wǎng)絡(luò)單元互連的系統(tǒng)[10-12]。圖1給出3種典型光通信模式,其中TE表示終端采集設(shè)備,DF表示配線架,PCM(pulse code modulation)表示脈沖編碼調(diào)制設(shè)備,OT表示光端機(jī),F(xiàn)E表示中間轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,SE表示切換設(shè)備,OC表示光纜,EC代表電纜,E1表示接口類型。
模式(a)端分別經(jīng)過2個配線架和2臺PCM設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信互聯(lián),則鏈路的有效性表達(dá)式為
式中:RSP表示路徑上復(fù)用設(shè)備的有效性;RADM表示路徑上光端機(jī)設(shè)備的有效性;RREG表示路徑上中繼設(shè)備的有效性;s、n分別為通信鏈路的SDH設(shè)備數(shù)量和光纖長度。
圖1 典型光纖通信模式Fig.1 Typical fiber optic communication modes
模式(b)缺省PCM設(shè)備,鏈路有效性表達(dá)式為
模式(c)采用主備用傳輸方式,提升通信可靠性。該方式必須保證主備用鏈路全程無共享路由,即兩條鏈路的組成單元完全相互獨(dú)立,其有效性表達(dá)式為
式中:s1、n1分別為主用鏈路的SDH設(shè)備數(shù)量和光纖長度;s2、n2分別為備用鏈路的SDH設(shè)備數(shù)量和光纖長度;R表示通信雙端切換設(shè)備的有效性;R表示模式(c)主備用鏈路的有效性。其他參數(shù)與模式(a)相同。
1.1.3 傳輸衰耗
電力光通信以傳輸衰耗作為物理層光纜傳輸質(zhì)量測度[13]。與光端機(jī)等交換設(shè)備相比,光纜分散度高,常包含“T”接、“π”接等接頭。傳輸過程中的衰耗為各段鏈路衰耗之和加上所有接頭衰耗,即
式中:A(l)為路徑p上鏈路l的衰耗,A(l)=αlLl,αl為光纖衰耗系數(shù),dB/km,Ll為鏈路長度,km;n為光纖接頭個數(shù);αS為光纖平均接頭損耗,dB。
由于光纜工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣,多種因素都會致使光衰增加,光信號傳輸誤碼率上升,當(dāng)全程光衰大于上限時,即A(p)>Aˉ,則無法正常接收,造成傳輸信號中斷。因此,光衰是計算光傳輸可靠性的重要指標(biāo)之一。
1.2 基于業(yè)務(wù)傳輸性能的測度分析
1)帶寬需求
帶寬表示電力通信網(wǎng)絡(luò)可通過的最高數(shù)據(jù)率,反映通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸能力,單位為bps。通信路徑的傳輸能力等于路徑中最小鏈路帶寬,即
式中BW(l)為路徑p上的鏈路l的瓶頸帶寬。
2)端到端時延
時延是電氣信號對承載網(wǎng)絡(luò)要求的最小端到端傳輸時間。在用電信息采集系統(tǒng)中,不同種類的業(yè)務(wù)對時延要求也不同。如提供給電力負(fù)荷控制的用電信息則對通信通道有嚴(yán)格的要求。而對于營銷管理和費(fèi)率計算類業(yè)務(wù)時延要求則低一些,信息傳輸時延在幾秒內(nèi)即可。
對于一條傳輸路徑上的時延表達(dá)式為
式中D(l)為路徑p上的鏈路l傳輸時延。
3)傳輸丟包率
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在異常時,如光衰增加,鏈路擁塞時,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包將有丟失概率,則到達(dá)目的端的信息不完整。以丟包率衡量數(shù)據(jù)傳輸完整性,計算公式為
式中LR(l)為路徑p上的鏈路l的丟包率。
4)通信成本
電力通信網(wǎng)的成本為網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備所耗費(fèi)的總費(fèi)用。對于傳輸路徑,在材質(zhì)和型號相同的情況下,一般采用鏈路長度衡量。成本計算公式為
式中C(l)為路徑p上的鏈路l的成本。
本文在鏈路配置過程中,綜合考慮上述QoS參量和通信可靠性測度。
2.1 電力光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型
將通信網(wǎng)中的交換設(shè)備和光纖等效為無向加權(quán)圖G(V,E),其中V={v1,v2,…,vn}表示節(jié)點(diǎn)集合,E={e1,e2,…,em}表示鏈路集合,即鏈路e為實(shí)際電力光纜l的數(shù)學(xué)抽象。根據(jù)第1節(jié)分析影響通信網(wǎng)絡(luò)路由配置的相關(guān)參數(shù),對鏈路ei設(shè)置多權(quán)值{R(ei),C(ei),D(ei),LR(ei),BW(ei),A(ei)},分別表示鏈路ei的有效性、成本、時延、丟包率、帶寬和光纖衰耗測度。因此G為多重賦權(quán)圖,則配置路徑即為從源到目的節(jié)點(diǎn)的一條滿足業(yè)務(wù)多項需求的無環(huán)通路(節(jié)點(diǎn)和鏈路的集合),數(shù)學(xué)模型定義如下。
1)目標(biāo)函數(shù)
本文引入鏈路帶寬利用率構(gòu)建電力光通信網(wǎng)絡(luò)配置目標(biāo)函數(shù),其計算公式為
式中:δf(ei)為鏈路ei上已占用帶寬;φf為通信控制報文預(yù)留帶寬。
當(dāng)選擇帶寬使用率最小的路徑作為最佳配置路徑,則可均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,消除網(wǎng)絡(luò)擁塞概率,提升網(wǎng)絡(luò)承載能力。
2)約束條件
不等式約束中RTH、CTH、DTH、LRTH、BWTH、ATH表示有效性、成本、時延、丟包率、帶寬、光纖衰耗測度的約束閾值。
2.2 復(fù)合量度B路徑配置算法
隨著電力光纖網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和規(guī)劃擴(kuò)充,通信站間存在多條可達(dá)路徑。為提升通信可靠性,需要確定最優(yōu)路徑并配備次優(yōu)路徑作為備用通路。本文提出一種復(fù)合量度B路徑配置算法。該算法可在一次計算過程中完成B條滿足多QoS約束的路徑配置方案,并給出優(yōu)化排序。算法流程如下。
步驟1 根據(jù)路徑配置需求,依照約束條件公式(11)~(16)確定{RTH,CTH,DTH,LRTH,BWTH,ATH}。
步驟2 去除不滿足式(15)的鏈路,即BW(ei)<BWTH的鏈路。
步驟3 在h重加權(quán)圖G中,執(zhí)行如下操作尋找無環(huán)B最短路徑集Pij(φ),其表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的B條路徑集。
(1)采用Dijkstra算法求出i-j節(jié)點(diǎn)對最短路p0,并把p0放入最短路路徑集合Pij,即初始時Pij={p0}。
(2)標(biāo)記p0w=1,表示Pij中待處理路徑。
(3)對于Pij中某條待處理的路徑p={a1,a2,…,ax}共x條鏈路構(gòu)成。依次截斷鏈路au(u=1,2,…,x),獲得圖G*=G-au。計算G*中i-j最短路,最終獲得y(y≤x)條新路徑集Qij。
(4)進(jìn)行路徑集Pij與Qij的合并加法運(yùn)算Pij(M)=Pij?Qij,并且標(biāo)記新加入路徑為未處理。若||Pij(M)||<φ,則在Pij中尋找未處理的路徑并標(biāo)記為當(dāng)前需處理路徑,轉(zhuǎn)(2)。
步驟4 對路徑集Pij(φ)中的所有路徑計算復(fù)合權(quán)值,進(jìn)行選優(yōu)排序。其具體數(shù)學(xué)描述如下:
(1)計算?pk∈Pij(φ)的{R(pk),C(pk),D(pk),LR(pk),A(pk)};
(2)驗證是否滿足約束條件式(11)~式(16):若不滿足,則Pij(φ-1)=Pij(φ)-pk,即去掉該不滿足約束條件的路徑;若滿足約束,則計算下一條路徑,pk∈Pij(φ),k=k+1<φ;直至k=φ,轉(zhuǎn)(3);
(3)將Pij(B)中路徑按帶寬利用率Utilization(p)從低到高排序,選擇min Utilization(p)的鏈路pu作為路徑配置的主用路徑pprm,并選擇pu∩pprm=?,即與主用路徑無共享鏈路的剩余路徑集中次min Utilization(p)鏈路pstb作為備用傳輸路徑。
以某城區(qū)實(shí)際電力光纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為算例進(jìn)行仿真實(shí)驗。網(wǎng)絡(luò)中各站點(diǎn)之間采用不同型號的光纜進(jìn)行通信,如圖2所示。
圖2 電力光纜示意Fig.2 Schemetic of power cables
根據(jù)光纜的有效性、成本、時延、丟包率、帶寬、光纖衰耗測度不同,建立電力光纜的6重加權(quán)圖[14-16],權(quán)值集合為W(ei)={R(ei),C(ei),D(ei),LR (ei),BW(ei),A(ei)},根據(jù)式(1)~式(9)計算各權(quán)值,其鏈路權(quán)重如表1所示。
表1 鏈路權(quán)值數(shù)據(jù)Tab.1 Weights of link
依據(jù)《電力系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)導(dǎo)則》(GB/T 17246)設(shè)定約束條件為Rt=99.999%,Ct=20萬元,Dt=5 ms,LRt=6×10-2,BWt=2 M,At=8 dB。計算站點(diǎn)A到站點(diǎn)J的路由配置。根據(jù)復(fù)合量度B路由配置算法,求出B=10條最短路,構(gòu)成的最短路集PAJ(10)={(A,E,J),(A,B,E,J),(A,D,F(xiàn),J),(A,D,I,J),(A,E,I,J),(A,C,D,F(xiàn),J),(A,B,E,I,J),(A,C,D,I,J),(A,C,G,H,F(xiàn),J),(A,D,G,H,F(xiàn),J)},對路徑集合PAJ(10)中各路徑的測度分析如下。
3.1 各路徑業(yè)務(wù)傳輸性能測度分析
以時延、丟包率和成本為測度計算各路徑業(yè)務(wù)傳輸性能,結(jié)果如圖3所示。由于路徑時延大于約束條件DTH=5 ms,因此排除路徑p6、p8、p9和p10。由于丟包率大于約束條件LRTH=6×10-2,因此去除路徑p2和p7。由于成本大于成本約束Ct=20萬元,因此排除路徑p9和p10。
圖3 各路徑傳輸性能測度Fig.3 Evaluation of transmission performance for different paths
綜上分析結(jié)果,選擇p1、p3、p4和p54條路徑作為路由配置的路徑集,根據(jù)帶寬使用率從小到大排序為BW(p1)>BW(p3)=BW(p4)>BW(p5)。確定p1為主用路徑。由于次優(yōu)路徑p3和p4的帶寬利用率相同,故需要計算電路可靠性測度判優(yōu)。
3.2 各路徑電路可靠性測度分析
1)有效性分析
假設(shè)站點(diǎn)有效性均為99.999 9%,根據(jù)式(2)可計算出各光通路路徑有效性數(shù)值,如圖4所示。
圖4 各路徑有效性分析Fig.4 Effectiveness analysis for different paths
在備選路徑中,max{R(p)}=R(p1)=99.999 3%,min[R(p)]=R(p10)=99.998 57%,根據(jù)RTH=99.999%,則排除不滿足有效性約束的路徑p6、p7、p9、p10??紤]主備用路徑保護(hù),選取p4為備用路徑,根據(jù)式(4)計算主-備用的電路有效性為
此處,R14>max{R(φ)},表明采用主備用路徑能進(jìn)一步提升光路由可靠性。
2)光路衰耗分析
考慮路徑中光纜及接頭衰耗,計算各路徑衰耗,如圖5所示。由圖5可知只有路徑p9和p10的衰耗高于約束ATH=8 dB,其余路徑滿足光信號傳輸需求
圖5 各路徑衰耗分析Fig.5 Attenuation analysis for different paths
在滿足各約束條件下,選用最可靠通信路徑,并采用主-備策略,確定A-J站間主通信路徑為p1,備用路徑為p4,其具有更好的通信可靠性。
本文針對智能電網(wǎng)對用電信息采集系統(tǒng)提出的雙向智能互動新需求,研究承載多類用電信息業(yè)務(wù)傳輸?shù)碾娏馔ㄐ沛溌放渲梅椒?,綜合考慮了通信鏈路可靠性和各類業(yè)務(wù)傳輸QoS影響因素。并提出一種滿足通信電路全程可靠性和傳輸QoS需求的φ條最優(yōu)路徑配置算法,實(shí)現(xiàn)了主-備路徑保護(hù)以及多路徑流量分擔(dān),有效提高路由配置的效率和可靠性。
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劉 宣(1978—),男,碩士,工程師,從事電力系統(tǒng)自動化、智能用電技術(shù)、用電信息采集技術(shù)研究。Email:liuxu?an@epri.sgcc.com.cn
徐英輝(1972—),男,博士,高級工程師,從事電氣測量方面研究。Email:xuyinghui101@163.com
趙 睿(1991—),男,碩士研究生,從事智能配用電、電力需求側(cè)管理研究。Email:ruizhao@tju.edu.cn
中圖分類號:TN915
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1003-8930(2016)07-0101-05
DOI:10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.019
作者簡介:
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