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0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)承載的業(yè)務類型更加多樣化。因此需要將有限的網絡資源合理地分配給不同的通信業(yè)務[1-2]，因此，電力通信網絡QoS問題應運而生。目前針對電力通信業(yè)務擁塞問題主要從兩個方面進行研究分析：

1)算法研究現狀；現有技術采用了擁塞規(guī)避機制，篩選沒有擁塞的路徑，進行擁塞規(guī)避，分別采用了擁塞應答螞蟻方法，以及信息素引導的懲罰獎勵模式，以及以業(yè)務優(yōu)先級為基礎的擁塞規(guī)避算法。這些研究都集中在算法的角度，對整個通信網絡資源進行擁塞規(guī)避。但是就實際工程應用而言，由于路由的局部視角性，并不能完全掌握整個通信網絡的狀況，同時過多的智能算法的使用在一些情況下，不能在實際工程應用中顯著地帶來網絡擁塞的緩解[3-4]。

2)從實際工程應用中進行相關研究來看；問題主要集中在QoS配置，目前很少有文章結合電力業(yè)務特點進行QoS配置，尤其是在進行流行為到流策略的配置，這需要考慮到電力通信網絡結構層次的多樣性和廣泛性[5-6]。

因此，提出了基于電力通信網絡的QoS配置方案，通過劃分電力通信業(yè)務模型獲得電力通信業(yè)務優(yōu)先級，并據此得到基于電力通信業(yè)務的流分類及流行為配置方法，得到基于到電力通信業(yè)務的數據流調度策略。使得在電力通信網絡產生擁塞的情況下，通過配置QoS可以有效地保證電力通信業(yè)務的正常運行，可靠地保障了電力系統(tǒng)安全運行。存在多種電力網絡質量的數據信息，比如網絡結構的數據源多元化結構、數據異構、同步運行數據等，智能電網網絡中的復雜拓撲結構以及運行過程中的負荷劇增、猛增等都會對智能電網的正常運行產生極大的影響[7-8]。電力網絡本身也容易受到大量網絡非線性負荷的影響,使得分布式電源與惡性負荷耦合并網將加劇電能質量惡化，嚴重影響電力網絡的供電質量和可靠性，容易造成設備損壞、經濟效益損失等后果[9-10]。

針對上述狀況，設計出的電力網絡質量檢測方法能夠實時監(jiān)控電力系統(tǒng)中，獲取影響電力網絡質量的因素的數據，根據從電力網絡中輸出的宏觀數據，分析影響電力網絡中的各種數據信息，繼而分析出影響電力網絡質量因素，一邊做出預防，下面將詳細描述。

1 電力通信業(yè)務網絡質量需求模型分析

目前的電力通信業(yè)務包括語音業(yè)務，視頻業(yè)務以及各種電力數據的數據流交互業(yè)務。雖然電力通信業(yè)務種類繁多，但是不同業(yè)務對于電力通信網絡的通信質量需求關鍵標準并不多，主要集中于帶寬，延遲，抖動，數據丟包率[11-12]。因此，可以根據不同的通信業(yè)務種類分析，將具備同一網絡質量需求的的業(yè)務流合并為一類。根據電力通信業(yè)務的統(tǒng)計分析，將電力通信業(yè)務根據時延分為實時性，準實時性，非實時性，以及其他類別。根據帶寬需求，將電力通信業(yè)務分為寬帶和窄帶業(yè)務。根據可靠性需求，分為高可靠和低可靠類業(yè)務。并且能夠根據時延劃分出不同電力通信業(yè)務的優(yōu)先級，整個電力通信業(yè)務的優(yōu)先級劃分如表1所示。

表1 電力通信業(yè)務的優(yōu)先級劃分

在進行流分析時，首先將整個電力通信業(yè)務流分為3大類：分別是語音流、業(yè)務數據流、視頻流。考慮到電力通信網絡大部分傳輸的是業(yè)務數據流，因此需要根據業(yè)務數據流進行更加具體的分析?？紤]到具體的QoS配置，將電力通信網絡的質量需求指標集中于帶寬和時延兩種。因此依據此種方案，將整個電力通信業(yè)務依次分為寬帶實時性業(yè)務，窄帶實時性業(yè)務，寬帶準實時性業(yè)務，窄帶準實時性業(yè)務，以及寬帶非實時業(yè)務和窄帶非實時業(yè)務，最終得到整個電力通信業(yè)務分類[13-14]。通過表1，用戶能夠以典型的6種電力通信業(yè)務作為實例具體進行優(yōu)先級劃分,根據時延以及業(yè)務重要性為依據，完成電力通信業(yè)務的優(yōu)先級劃分，在進一步的劃分中，如圖1所示，其中序號越大對應業(yè)務越重要。

圖1 電力通信業(yè)務網絡質量需求模型

劃分時，用戶要按照時延，丟包率，抖動時間量作為優(yōu)先級分類標準，使得用戶能能夠根據電力通信業(yè)務質量需求情況根據電力通信優(yōu)先級進行分類，圖2是構建出的電力通信業(yè)務網絡質量需求模型，按照該模型，通過優(yōu)先級分類，實現數據流的智能調度，基于上述說明，下面介紹數據流調度的方法。

2 基于電力通信業(yè)務質量特征的數據流調度策略

基于電力通信業(yè)務的數據流的智能調度策略整個流程如圖2所示。

圖2 智能調度策略流程示意圖

首先進行電力通信業(yè)務質量分析，然后依據電力通信業(yè)務對時延帶寬需求進行優(yōu)先級分類。針對不同的電力通信業(yè)務優(yōu)先級，確定滿足其業(yè)務需求的服務等級。再針對不同的電力通信業(yè)務進行基于五元組的流分類，至此可以對每條電力通信業(yè)務數據流進行業(yè)務識別。根據得到的電力通信業(yè)務優(yōu)先級，利用服務等級映射表通過寫入DSCP值，具體的保證每一個電力通信業(yè)務流都可以獲得滿足其電力通信業(yè)務需求的服務等級[15-16]。最后再采用PQ+WFQ的混合調度策略，以及WRED的擁塞避免方法，保證電力通信業(yè)務的穩(wěn)定運行。由于不同的設備廠家其設備類型各不相同，采用的命令語言差異較大，因此，利用以上基于電力通信業(yè)務的流策略生成方式，針對不同廠家的設備，生成符合電力通信業(yè)務質量的流策略命令，滿足當下不同電力業(yè)務的網絡質量需求，下面對其關鍵技術進行研究。

2.1 流分類

電力通信業(yè)務的流分類的分類方式有很多。其中有基于虛擬局域網的外層VLAN ID的業(yè)務流的劃分方式，基于VLAN報文的802.1p優(yōu)先級分類等等。

在具體選擇流分類方法時，考慮到后續(xù)需要使用WFQ隊列調度機制，因此利用五元組來分類某種電力業(yè)務，其中以源/目IP、源/目端口號、協議類型，共同標志一個業(yè)務流[17-18]。

具體的流分類方案為：根據五元組將不同電力通信業(yè)務按照寬帶實時性方式進行統(tǒng)一分類，分成5種電力通信業(yè)務流分類，分別是高帶寬實時類業(yè)務、窄帶實時類業(yè)務，高帶寬準實時類業(yè)務、窄帶準實時類業(yè)務、以及非實時類業(yè)務。再根據五元組中的(源/目IP、源/目端口號、協議類型)，將符合其5大類別的電力通信業(yè)務劃歸到同一個流分類下。從而保證將所有的電力通信業(yè)務數據流按照(源/目的IP、源/目的端口號/協議類型)分門別類的匹配相應的流分類中。例如對于智能變電站的數據流進行流分類，按照五元組的格式可以通過(11.69.192.1 11.69.192.3 310 320 0X88f7)標定特定的智能變電站某種業(yè)務的數據流。至此完成了利用五元組方法對電力通信業(yè)務流的識別工作[19-20]。

2.2 流行為

根據配置好的電力通信業(yè)務流分類，可以進行符合電力業(yè)務特征的流行為配置。在進行流行為配置的過程中，只是對電力通信網絡邊界的接入層邊緣節(jié)點進行流行為的配置，而在匯聚網和核心網中不再進行流行為的配置，因此可以利用網絡中默認服務等級對應的DSCP值來保證相應的流在骨干網和核心網提供基于流特征的相一致的服務等級。

考慮到電力通信業(yè)務特點，其網絡質量需求集中在帶寬，時延，丟包率等指標上。因此篩選出以下4種流行為配置以滿足電力通信網絡需求，包括：1)優(yōu)先級映射配置；2)流量整形；3)擁塞避免；4)擁塞管理。

2.2.1 基于電力通信業(yè)務優(yōu)先級的優(yōu)先級映射流行為配置

優(yōu)先級映射主要完成從電力通信業(yè)務優(yōu)先級到基于每跳行為PHB(PHB-Per Hop behavior)映射。根據劃分的電力通信業(yè)務幾種優(yōu)先級業(yè)務，來提供不同質量需求的QoS策略。在區(qū)分服務(DiffServe)中，為了給同一類型電力通信業(yè)務的業(yè)務流提供符合其業(yè)務質量特征的服務，需要利用優(yōu)先級映射的流行為配置方案。因此根據電力通信業(yè)務網絡質量需求，分析得到不同電力通信業(yè)務流的PHB類別，如圖3所示。

圖3 優(yōu)先級映射配置示意圖

其中，電網通信中的信令交互業(yè)務，屬于最高優(yōu)先級的業(yè)務，因此需要安排到優(yōu)先級等級最高的CS隊列中，而電網語音業(yè)務，考慮到語音業(yè)務的特殊性，為保證穩(wěn)定的語音質量，因此將電網語音業(yè)務放到EF隊列中，接下來進行AF隊列的分配。按照上述電力通信業(yè)務優(yōu)先級的劃分，首先安排的是寬帶實時性業(yè)務，其包括調度自動化系統(tǒng)主站互聯業(yè)務等，由于該類業(yè)務對時延要求苛刻，因此安排到AF4隊列中，保證其隊列調度優(yōu)先性。對于窄帶實時類業(yè)務，比如功角測量業(yè)務，保護信息管理業(yè)務(遠方投運)等，將其分配至AF3隊列中。對于寬帶準實時類業(yè)務，例如未來調度數據業(yè)務，其對時延的要求相對較低，時延范圍在毫秒級到秒級，因此將其安排到AF2隊列中，其調度時間相對靠后。對于窄帶準實時類業(yè)務，例如電能計量遙測業(yè)務等，其對時延的要求為秒級，因此將其劃分到AF1隊列。最后對于一些如電網信息管理業(yè)務以及其他一些未知的業(yè)務，安排到BE隊列中。在完成電力通信業(yè)務到服務等級的一一對應之后，需要通過寫入DSCP值來具體的完成從電力通信業(yè)務優(yōu)先級到服務等級的一一對應。為了得到具體的優(yōu)先級映射方案，以獲得相應的DSCP值，需要利用映射關系表。例如，對于功角測量業(yè)務其對應的隊列為AF3，對功角測量業(yè)務的報文DSCP值寫入26、28或者30，即可保證功角測量業(yè)務數據流在后續(xù)處理中可以順利的進入到AF3隊列中。

2.2.2 基于電力通信業(yè)務的流量整形

考慮到不同的電力通信業(yè)務的帶寬值不同，因此為了減少電力通信業(yè)務的帶寬抖動，保證各種電力通信業(yè)務的帶寬需求，需要配置基于端口的流量整形和基于電力通信業(yè)務的隊列整形。在進行基于端口的流量整形配置過程中，考慮具體路由器接口的速率上限值，一般將此數值設置為端口的速率上限值。在進行QoS的流量整形設置時采用華為NQA的自適應模板進行流量的整形，并進行流量速率的調整，如圖4所示。

圖4 流量整形示意圖

2.2.3 擁塞管理

考慮到電力通信業(yè)務種類繁多，其業(yè)務流大致分為語音流業(yè)務、視頻流業(yè)務、交互數據流業(yè)務。其中語音流為各種電網語音業(yè)務，在電力通信業(yè)務中視頻類業(yè)務大部分集中在各種視頻監(jiān)控業(yè)務，例如智能變電站視頻監(jiān)控業(yè)務。交互數據流業(yè)務則集中了大多數的電力通信業(yè)務。因此在進行隊列調度過程中，采用PQ與WFQ混合調度策略。首先對AF1～AF4及BE隊列進行WFQ隊列調度，通過分配權值，給予不同隊列不同的帶寬值，WFQ算法表達如下：在考慮系統(tǒng)的工作時期，

其虛擬時間的定義如下所示:

V(0)=0

(1)

(2)

τ≤tj-tj-1,j=2,3,....

(3)

同時定義兩個虛擬時間函數：

(4)

(5)

最終一個數據包的轉發(fā)順序是由虛擬服務時間計算結果來決定。時間越短的數據包則優(yōu)先發(fā)送。同時考慮到WFQ可以根據不同的電力通信業(yè)務量進行帶寬分配，因此考慮根據不同的電力通信業(yè)務帶寬需求，分別進行帶寬滿足。根據一段時間的電力通信網流量統(tǒng)計，可以看到大部分的數據業(yè)務流量比較穩(wěn)定，因此只需要根據下式(最大帶寬分配算法)進行網絡流量帶寬估算，得到相應的WFQ的比值。由于電力通信網絡業(yè)務繁多，因此在后續(xù)實驗中，只考慮到幾種典型的電力通信業(yè)務。

對于調度自動化系統(tǒng)主站互聯業(yè)務、保護信息管理業(yè)務的遠方修改定值、攻角測量業(yè)務采用WFQ的調度方式。在WFQ調度基礎上再進行PQ調度，使得電力通信業(yè)務中的EF以及可能的CS隊列中的電力業(yè)務能夠得到最優(yōu)先的保證。這樣可以很好地滿足各類型電力通信業(yè)務的時延和帶寬需求，實現基于電力通信業(yè)務的差分服務。

2.2.4 擁塞避免

當電力通信業(yè)務數據流發(fā)生擁塞時，或者擁塞加劇時，此時可以利用擁塞避免的方法。設置丟棄機制時，采用WRED(weight RED)加權隨機早期監(jiān)測，通過設置隊列的最小和最大閾值來控制整個丟棄?？紤]到電力通信業(yè)務優(yōu)先級差異較大，因此需要針對不同的電力通信業(yè)務，基于其優(yōu)先級特點，具體的設置不同電力通信業(yè)務的丟棄區(qū)間和丟棄概率。利用WRED算法進行概率丟棄?？紤]到WRED算法有8種丟棄優(yōu)先級，因此其丟棄概率按照隊列優(yōu)先級分別設置相應的丟棄概率：

Qmin=Qmin+(Qmax-Qmin)×IP-Pre/7

(6)

PQ=0(Qavg

(7)

PQ=Pmax×(Qavg-Qmin)/(Qmax-Qmin)(Qmin

(8)

PQ=1(Qavg>Qmax)

(9)

因此考慮到電力通信業(yè)務差異性，對于不同的電力通信業(yè)務根據式設置不同的丟棄隊列長度，再根據實際的隊列長度，進行相應的概率丟棄，其結構如圖5所示。

圖5 概率丟棄結構示意圖

根據以上算法具體設置基于電力通信業(yè)務的丟棄概率，即具體的設置不同隊列的Qmin分別如圖6所示。

圖6 概率丟棄結構示意圖

3 仿真試驗與分析

為了驗證基于電力通信業(yè)務質量特征進行數據流的智能調度策略方案，使用華為eSNP模擬器作為實驗平臺，搭建一個MPLS的典型電力通信網絡，通過利用相應的模擬報文模擬相關的電力通信業(yè)務的數據流特征，驗證其QoS配置所帶來的效果，通過對比配置數據流調度策略與沒有配置數據流調度策略，通過時延率，丟包率等指標，分析本配置方案所帶來的效果。該研究搭建了一個 MPLS網絡，如圖7所示。其由兩個PC，兩個邊界路由器，以及骨干網絡構成。其中PC1到GE1帶寬設置為100 M，GE1到PE1設置為50 M，骨干網絡中均采用采用50M，PE2到GE2帶寬采用50 M，PC2到GE2設置為100 M。

圖7 MPLS網絡結構示意圖

該研究以通常的數據模擬電力通信業(yè)務，通過將不同的數據進行流分類，劃入到不同的隊列。其中模擬的數據流包括語音流，數據流，其中具體的仿真配置參數如表2所示。

表2 仿真配置

考慮上行業(yè)務下的QoS效果，即PC1發(fā)送PC2接收的過程。通過將其分別配置在GE1和GE2端口處，現在以GE1為例說明配置方案，在GE1的入口處配置優(yōu)先級映射，使得不同的流在進行分類后可以進入到不同的隊列中，在出口處配置擁塞管理和擁塞避免策略。其中擁塞管理采用PQ+WFQ的管理方式，對電網語音流業(yè)務，配置為PQ調度，對調度自動化系統(tǒng)主站互聯業(yè)務、調度自動化系統(tǒng)遠動業(yè)務、智能變電站視頻監(jiān)控業(yè)務、電能計量遙測業(yè)務采用WFQ的調度。在出口處配置擁塞避免策略，采用WRED丟棄策略進行擁塞避免。其中G2端口的設置類同，不再贅述。其中測試涉及到的網元的端口信息，六種業(yè)務源端設備均位于PC1，宿端設備均位于PC2。利用配置QoS與未配置QoS作為對比，討論在發(fā)生擁塞狀態(tài)配置QoS所帶來的業(yè)務保障性，從丟包率上來看，如圖8所示。

圖8 丟包率示意圖

從時延長上看，如圖9所示。

其中圖8、圖9為未發(fā)生擁塞、發(fā)生擁塞(未配置QoS)、發(fā)生擁塞(配置QoS)下的丟包率和時延結果圖。由圖可以看到，在未發(fā)生擁塞的情況下，其丟包率保持0的狀態(tài)，而且時延也符合業(yè)務特征，均保持在10 ms以內，在5 ms上下進行波動。通過向網絡中發(fā)送30 M的未知流量，使得網絡產生擁塞。在發(fā)生擁塞情況下，觀察其時延、丟包率。

在沒有配置QoS業(yè)務的情況下，數據類、語音業(yè)務，包括調度自動化系統(tǒng)主站互聯業(yè)務、調度自動化系統(tǒng)遠動業(yè)務、智能變電站視頻監(jiān)控業(yè)務、電能計量遙測業(yè)務均產生丟包率提高，而且幅度較大，其中出現某些業(yè)務連接中斷情況?？梢悦黠@的看到幾乎所有的業(yè)務，丟包率均達到20%，而且對于實時性業(yè)務，時延也大到已經達到了15 ms的，使得無法完成正常的通信業(yè)務功能。

在配置QoS之后：同樣條件下觀察時延和丟包率情況。在配置QoS的情況下，由于擁塞的產生，所有的電力通信業(yè)務均產生了丟包，但是丟包率不是特別高。而且隨著業(yè)務隊列優(yōu)先級的降低，丟包率產生緩慢提高，而BE類業(yè)務的丟包率達到最大，因為網絡未知流可能進入到BE隊列，會丟棄多余的包，導致丟包率很大。從時延中可以看到，由于擁塞的產生，絕大多數業(yè)務時延增加了，但也只是增加幾毫秒，仍舊可以支撐正常的通信業(yè)務。

4 結束語

該研究通過在網絡接入層的邊界處進行QoS配置可以很好的處理擁塞發(fā)生時業(yè)務流量調度，雖然產生了丟包，但

是仍舊可以保證電力通信業(yè)務的正常運行。利用QoS配置方法，將其應用在不同廠商的設備中，智能化的生成相應的QoS配置命令，從而形成基于電力通信業(yè)務的QoS命令模板的自動生成，使得不同的設備廠家可以根據網絡狀況靈活的形成QoS配置方案，從而有效提高網絡資源利用效率的同時，可以保證在電力通信業(yè)務在擁塞情況下的正常運行，保障電力系統(tǒng)的安全。