董金良，劉小偉，李海江

（新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)哈密市 839000）

0 引言

變電站通信網(wǎng)絡中信息流的執(zhí)行、傳輸、處理和采集等操作容易大大加快電力系統(tǒng)的動態(tài)過程，提高了變電站對信息決策和信息反饋的依賴程度[1-2]。由于變電站設備智能化和網(wǎng)絡化的普及，負荷信息過載容易引起物理網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡之間出現(xiàn)連鎖故障[3，4]，甚至造成電力系統(tǒng)癱瘓[5]，對變電站通信網(wǎng)絡提出了更高的要求。因此，負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法成為目前研究的熱點。甄巖等[6]在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)層和控制層解耦中引入無線傳感網(wǎng)絡，通過調(diào)度策略完成多個負荷信息分散任務，但該方法調(diào)度后的系統(tǒng)運行時間較長。葉偉偉等[7]衡量用戶的滿意度和系統(tǒng)的服務能力，通過遺傳算法結合系統(tǒng)負載平衡實現(xiàn)負荷信息分散的協(xié)調(diào)調(diào)度，但該方法存在鏈路利用率低的問題。徐冉等[8]構建整數(shù)線性規(guī)劃模型，利用貪婪的啟發(fā)式算法對整數(shù)線性規(guī)劃模型進行求解，但該方法存在系統(tǒng)運行效率低的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出基于蟻群優(yōu)化的通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法。

1 負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度模型

最大化鏈路利用率通常是變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度的目標[9]。在上述優(yōu)化目標的基礎上構建變電站通信網(wǎng)絡的一般化流量模型。

設G=（N，E）代表的是有向圖，存在于變電站通信網(wǎng)絡中，其中，E描述的是邊組合而成的集合；N描述的是變電站通信網(wǎng)絡中存在的節(jié)點組合而成的集合。W描述的是兩個節(jié)點即每條邊間存在的直連鏈路構成的權重集合；C代表的是容量集合；wij、cij代表的是節(jié)點i與節(jié)點j之間存在的直線鏈路。如果節(jié)點i與節(jié)點j在變電站通信網(wǎng)絡中存在的直連鏈路為e，可以將其表示為ce、we。

下一跳集合NHi即為節(jié)點i對應的直連節(jié)點，設ye代表的是節(jié)點i與節(jié)點j在變電站通信網(wǎng)絡中存在的直連鏈路e上對應的流量，其主要目的是在單位時間內(nèi)對節(jié)點i與節(jié)點j之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量進行衡量[10-11]，存在下式：

式（1）為變電站通信網(wǎng)絡的鏈路容量條件。

設s代表的是源節(jié)點；t代表的是目的節(jié)點；集合S是由所有流的源節(jié)點構成的；集合Ts是源節(jié)點s在變電站通信網(wǎng)絡中對應的目的節(jié)點t構成的集合，通過上述分析可知，集合S和集合Ts都存在于集合N中，是N的子集。

設dij代表的是任意節(jié)點i、j在變電站通信網(wǎng)絡中存在的流量需求；集合Ti是由節(jié)點i在變電站通信網(wǎng)絡中對應的目的節(jié)點構成的，如果集合S中不存在節(jié)點i，此時集合Ti為空集，存在下式：

通過上述公式可知，去除節(jié)點s、t，在變電站通信網(wǎng)絡中其余節(jié)點之間不存在流量需求[12-13]。所以，不對環(huán)路進行考慮，設Traffic描述的是滿足變電站通信網(wǎng)絡所有流量需求的網(wǎng)絡總流量，其計算公式如下：

為了滿足負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度的需求，需要建立完整的變電站通信網(wǎng)絡流量模型，并列出流量平衡約束條件[14]。

設xp代表的是從s到t的路徑p在變電站通信網(wǎng)絡中分擔的流量需求，邊e在變電站通信網(wǎng)絡中對應的編號為l，路徑p在變電站通信網(wǎng)絡中對應的元素值為p[l]，p[l]的值為0或為1，存在下式：

可以通過xp的定義獲得式（5），s和t之間存在的流量需求可通過式（6）得到滿足，式（7）描述的是鏈路e在滿足所有流量需求時對應的流量。

設λe代表的是鏈路利用率；θ代表的是變電站通信網(wǎng)絡中存在的最大鏈路利用率，在區(qū)間[0，1]內(nèi)取值，其計算公式分別如下：

根據(jù)上述公式對式（1）進行轉變，獲得下式：

針對變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度問題的流量模型而言，最大化θ最大鏈路利用率和最小化網(wǎng)絡總流量Traffic是主要的優(yōu)化目標，構建負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度模型：

2 模型求解

變電站通信網(wǎng)絡的負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法利用蟻群優(yōu)化算法對1中構建的負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度模型進行求解，具體過程如下：

式中，τi,t描述的是螞蟻在t時刻選擇機組gi中存在的信息素；li,t/ri描述的負荷百分比，由信息素τi,t和li,t/ri構成運算因子μi,t[18-19]。α描述的是信息素的重要性，即信息啟發(fā)式因子，其他螞蟻反饋對螞蟻本身的影響隨信息啟發(fā)式因子α值的增大而增大；β描述的是能見度的重要性，即期望啟發(fā)式因子，通常用來強調(diào)初始啟發(fā)式信息對應的影響力；ηi,t代表的是啟發(fā)函數(shù)，其表達式如下：

對信息素做初始化處理τi=1/n，通過下式對信息素進行更新，滿足信息素在任何狀態(tài)下的和均為1：

式中，Dt代表的是負荷任務，設置終止條件：

當負荷任務Dt滿足上述公式時，停止迭代，輸出最優(yōu)值，實現(xiàn)負荷信息的分散協(xié)調(diào)調(diào)度[20]。

3 實驗與分析

為了驗證基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法的整體有效性，選用新疆維吾爾自治區(qū)哈密市某城區(qū)變電站進行測試，該變電站主要承擔哈密市行政區(qū)域內(nèi)35萬多個高低壓用電客戶的供電任務。采用基于NS-3的開源工具對變電站通信網(wǎng)絡的負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法進行ndnSIM仿真測試。

蟻群算法參數(shù)設置為：蟻群數(shù)量m＝40，信息素衰減因子p＝0.5，初始狀態(tài)下的信息素＝0.0001，最大迭代次數(shù)C＝6，總信息素量g＝200，用哈密市某城區(qū)的實際算例對基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法、文獻[6]方法和文獻[7]方法進行測試，各調(diào)度方法的初始參數(shù)設置相同，對比三種不同方法調(diào)度后系統(tǒng)的運行時間，測試結果如下：

分析圖1（a）可知，采用基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法實現(xiàn)調(diào)度后，在多次迭代中系統(tǒng)的運行時間均低于0.4s；分析圖1（b）和圖1（c）可知，采用文獻[6]方法和文獻[7]方法對變電站網(wǎng)絡中存在的負荷信息進行分散協(xié)調(diào)調(diào)度時，調(diào)度后系統(tǒng)的運行時間分別在第二次迭代和第四次迭代中高達1.0s、0.8s。對比基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法、文獻[6]方法和文獻[7]方法的測試結果可知，基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法實現(xiàn)調(diào)度后系統(tǒng)的運行時間較短，縮短了系統(tǒng)的反應時間，驗證基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法的系統(tǒng)運行效率高。

圖1 三種不同方法的系統(tǒng)運行時間Figure 1 System running time of three different methods

分別采用基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法、文獻[6]方法和文獻[7]方法進行測試，對比三種不同方法的網(wǎng)絡鏈路利用率，網(wǎng)絡鏈路利用率越高，表明方法的調(diào)度效果越好，三種不同方法的測試結果如下：

分析圖2可知，在多次迭代中基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法的網(wǎng)絡鏈路利用率均高于文獻[6]方法和文獻[7]方法的網(wǎng)絡鏈路利用率。因為基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法在構建負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度模型時，將網(wǎng)絡鏈路利用率作為優(yōu)化目標，并通過蟻群優(yōu)化算法對負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度模型進行求解，在變電站通信網(wǎng)絡中實現(xiàn)負荷信息的分散協(xié)調(diào)調(diào)度，提高了變電站通信網(wǎng)絡的負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法的網(wǎng)絡鏈路利用率。

圖2 三種不同方法的網(wǎng)絡鏈路利用率Figure 2 Network link utilization of three different methods

4 結束語

當前負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法存在系統(tǒng)運行效率低和網(wǎng)絡鏈路利用率低的問題。提出基于蟻群算法的變電站通信網(wǎng)絡負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度方法，通過構建的負荷信息分散協(xié)調(diào)調(diào)度模型完成變電站通信網(wǎng)絡中存在的負荷信息的分散協(xié)調(diào)調(diào)度，縮短了系統(tǒng)的運行時間，優(yōu)化了調(diào)度效果，為變電站通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定、安全運行提供了保障。