高會生，王 娟，曹旺斌

(華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

0 引言

隨著電網規(guī)模的逐漸龐大，電力通信網作為支撐電網安全穩(wěn)定運行的第二張網絡，其復雜程度也隨之增大。2021年新版《國家電網公司安全事故調查規(guī)程》對通信六級事件(事故)發(fā)生的條件做了修訂，定義了單條光纜或單臺設備承載重要生產業(yè)務時重載的概念[1]，開展光纜承載力分析，明確光纜負載情況，已經成為支撐電網安全穩(wěn)定運行的重點工作之一。

在電力通信網鏈路負載量化方法研究方面，部分學者以物理拓撲為依據，采用復雜網絡理論確定鏈路權重[2-4]，以此來間接反映鏈路的負載狀況。這種方法在識別電力通信網絡關鍵鏈路方面具有效果，但忽略了網絡中實際的業(yè)務信息和業(yè)務流向，因此并不能準確地量化鏈路負載。部分文獻以業(yè)務特征為出發(fā)點，從業(yè)務數量、業(yè)務重要度[5-8]和業(yè)務帶寬[9-11]等角度評估了鏈路的負載水平。這些方法相對客觀地描述了鏈路的負載情況，但在進行負載比較時忽略了鏈路特征，不能真實可靠地反映鏈路間負載的區(qū)別。考慮到鏈路自身的特征，文獻[12-15]采用鏈路容量占用率指標描述了鏈路的負載狀態(tài)。這種方法只將鏈路特征作為判斷負載的條件，忽略了業(yè)務特征這一重要因素，不能有效地進行負載度量。此外，還有學者將上述2種或3種評價指標相結合，提出了一種復合鏈路權值模型。文獻[16]基于物理層重要性指標，結合業(yè)務重要度和業(yè)務流量特征給出了鏈路的復合權重。文獻[17]綜合鏈路容量、風險和剩余保護容量3個指標評價了鏈路的性能優(yōu)劣。然而，這些方法不以研究鏈路負載為主要目的，所給出的鏈路權值無法反映鏈路的真實負載狀況。

由上述分析可知，目前對鏈路負載的研究已經取得了顯著的成果，但是，現有研究或是基于業(yè)務特征，或是基于鏈路特征，很少對二者同時考慮。此外，還有研究以找到鏈路權值為目的，但這個權值并不能真實反映鏈路負載情況。針對電力光纜負載量化方法的研究現狀，本文綜合考慮了會對鏈路負載造成影響的多種因素，提出了一種基于業(yè)務和光纜特征的電力通信光纜負載量化評估模型。首先，從業(yè)務傳輸可靠性的角度出發(fā)，分析了業(yè)務對光纜的依賴程度，建立了“業(yè)務-光纜”依賴關系函數；然后，結合鏈路可靠性指標給出了能反映鏈路負載水平的量化模型。經過算例驗證，本文模型可以應用于實際電力通信網中，并且能夠有效地對鏈路負載進行度量。

1 光纜負載影響因素分析

1.1 業(yè)務因素

(1) 業(yè)務部署要求

與傳統(tǒng)電信網業(yè)務不同，電力通信網業(yè)務需要根據特征、功能和重要程度來部署相應的傳輸通道。對于會對電網運行產生重大影響的繼電保護、安全穩(wěn)定控制類業(yè)務，為了提高傳輸的可靠性，通常會配置2條(或以上)相互獨立的傳輸通道，在資源允許的條件下，2條(或以上)通道都會采用專用纖芯方式，在不滿足條件時，也可以采用2M復用通道的方式。

調度電話業(yè)務分布在受控站與調度中心之間，對可靠性要求極高，一般會部署2條獨立通道，并且主要通過同步數字體系 (Synchronous Digital Hierarchy,SDH)來承載。調度數據網通常設計為AB雙平面的形式，每個平面有不同的匯聚中心，匯聚中心的數量由通信網規(guī)模決定。匯聚中心之間相互連接，互為備份，大大提高了調度數據網業(yè)務傳輸的可靠性。綜合數據網業(yè)務一般對帶寬要求較大，對可靠性的要求并不高，因此大多數綜合數據網業(yè)務只需要部署一條傳輸通道。

(2) 傳輸可靠性

業(yè)務傳輸可靠性與業(yè)務的部署方式和承載方式密切相關。一般來說，重要度越高的業(yè)務，所需要的傳輸可靠性會越高。對于分布于s,d節(jié)點之間的同一條通信業(yè)務S，傳輸通道數目越多，S的可靠性要求會越高。

(3) 業(yè)務重要度

關于業(yè)務重要度的研究已經較為成熟[6-8]，由已有的研究可知，業(yè)務重要度主要由業(yè)務對傳輸的要求以及對電網的影響所決定。本文基于已有的研究成果，按照承載方式將業(yè)務分為5類，并僅針對與電網生產運行密切相關的業(yè)務進行研究。為了將業(yè)務重要度與業(yè)務類型一一對應，本文選取每個類型中業(yè)務重要度的最大值代表業(yè)務類型重要度。具體業(yè)務屬性如表1所示。

表1 重要生產業(yè)務屬性Tab.1 Important production service attributes

1.2 鏈路因素

(1) 鏈路容量

由于光纜的敷設時間、制作工藝等因素有所不同，每條光纜含有的纖芯數目不盡相同。在電力通信網中，光纜多為16/24/36/48芯。根據業(yè)務的不同需求，纖芯兩端會使用不同的傳輸設備，例如繼電保護、安全穩(wěn)定控制2類業(yè)務應用點對點的通信方式，對實時性、安全性和可靠性要求極高，因此會采用專用纖芯通道進行業(yè)務傳輸，即將2根光纖(一收一發(fā))直接連到保護/安控裝置兩端，中間不通過其他傳輸設備。

調度數據網業(yè)務對可靠性要求較高，大多通過SDH傳輸環(huán)網通信，光纖兩端接的是SDH設備。綜合數據網業(yè)務由于對帶寬要求比較大，因此會通過光傳輸網絡(Optical Transport Network,OTN)來傳輸業(yè)務。

用λ(eij)表示光纜eij的纖芯占用率，i和j表示鏈路兩端的節(jié)點，則：

(1)

(2) 鏈路可用性

一般來說，敷設時間較早的光纜多為電力通信網中的骨架光纜，但纖芯數目較少，承載的業(yè)務卻逐年增長，導致早期的光纜出現重載、可用性下降等問題。

目前，常見的用于骨干傳輸網的光纜有光纖復合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)光纜、全介質自承式光纜(All Dielectric Self-supporting Optical Cable,ADSS)和普通光纜。在同樣的工作環(huán)境下，單位長度OPGW光纜的可用性最高，ADSS次之，普通光纜最差[15]。此外，同一類型的光纜，電壓等級越高，單位長度可用性將會越高。

可以將整條光纜的可用性Reij看成一個底數為單位長度光纜可用性，指數為光纜長度的函數形式：

Reij=al(eij)，

(2)

式中，a∈(0,1)；l(eij)代表光纜eij的長度。由此可知，光纜的可用性隨光纜長度的增加而降低。

2 電力光纜負載量化模型

骨干傳輸網上承載的業(yè)務具有分布穩(wěn)定、突發(fā)性小的特點，業(yè)務一旦開通，除了線路檢修等特殊情況，傳輸通道基本不會發(fā)生改變。從業(yè)務傳輸的角度來看，電力業(yè)務能否順利服務于大電網取決于光纜能否正常和連續(xù)地工作。本文基于業(yè)務與光纜的關系，對光纜負載狀態(tài)進行了分析。

2.1 業(yè)務-光纜依賴關系

現有的文獻在負載度量時更多地從業(yè)務重要度和鏈路容量占用狀態(tài)角度出發(fā)，忽略了業(yè)務通道數量這一重要因素。業(yè)務通道數量由部署方式決定，由前面的分析可知，不同種類業(yè)務的傳輸通道數量有所區(qū)別。對于僅有一條傳輸通道的業(yè)務，一旦通道中的某條光纜中斷，這條業(yè)務也會隨之消失，而對于使用“1+1”或者更多條保護通道的業(yè)務，即使通道中某條光纜中斷也不會影響到業(yè)務的正常傳輸。

業(yè)務與光纜之間的這種交互，可以稱為依賴關系[18]。為了描述這種依賴關系，本文建立了“業(yè)務-光纜”依賴關系圖，基于業(yè)務傳輸通道數量和業(yè)務重要度定義了業(yè)務依賴度函數。圖1為骨干傳輸網中的一小部分，假設網絡中部署了S1,S2和S4三類業(yè)務。

圖1 某網絡狀態(tài)下業(yè)務分布示意Fig.1 Schematic diagram of service distribution in a certain network state

由圖1可以看出，鏈路eae與鏈路eed承載的業(yè)務為3條，其余鏈路承載的業(yè)務均為2條。根據網絡業(yè)務分布模型圖，可以建立“業(yè)務-光纜”依賴關系圖，以鏈路eae為例建立的依賴關系如圖2所示。

圖2 “業(yè)務-光纜”依賴關系示例Fig.2 Dependency relationship example of Service-Optical Cable

圖2中，Isi表示第i類業(yè)務對鏈路的依賴度，業(yè)務對鏈路的總依賴度可以表示為該鏈路承載的所有業(yè)務的依賴度之和的形式：

(3)

式中，n表示鏈路eij承載的業(yè)務類型的數量；Ni表示所承載的第i類業(yè)務的數量。

為了量化這種依賴度，本文利用業(yè)務重要度與業(yè)務通道數量2個參數給出了表示依賴度權值的公式，以度量業(yè)務與光纜之間的依賴關系。對于具有重要性值wsi和ksi條傳輸通道的業(yè)務si，其對每條鏈路的依賴度可以定義為業(yè)務重要性與傳輸通道數倒數的乘積：

(4)

(5)

式中，psi為業(yè)務si經過的所有鏈路的集合。

可以看出，當業(yè)務重要性不變時，業(yè)務傳輸通道數越多，業(yè)務對鏈路eij的依賴度越小；當業(yè)務傳輸數量一定時，業(yè)務重要度越高，對鏈路eij的依賴度將越高。

2.2 光纜可靠性分析

考慮到光纜間的差異性，需要進一步結合光纜特征來評價光纜的負載水平。光纜的可靠性與光纜的類型、年限、敷設方式、施工工藝、外部環(huán)境、歷史故障和屬地運維管理等多種因素相關。對于承載業(yè)務數量和類型都相同的2條光纜，光纜運行可靠性越高，對應的負載水平應該越低，也就是說可靠性高的光纜可以攜帶更多的電力業(yè)務。

已有文獻表明，光纜容量占用狀態(tài)與光纜可靠性有著密切的關系[15]，因此本文結合光纜容量和光纜可用性2個指標，給出了表示光纜可靠性的公式：

Aeij=Reijexp(-λ(eij))，

(6)

式中，λ(eij)為光纜纖芯占用率；Reij為光纜eij的可用性，由前面分析可知對于長度為l，單位可用性為a的光纜，其可用性可以定義為l個單位光纜段的級聯(lián)形式。

由式(6)可以看出，當光纜可用性增大，容量占用率減小時，光纜的可靠性會有所升高。

2.3 負載量化模型的建立

光纜負載是一個多因素決定問題。在業(yè)務依賴度相同的條件下，對于可靠性不同的2條光纜，負載量化值會有所不同。由前面的分析可知，可靠性程度越高的光纜，越能承載更多的業(yè)務。此外，光纜是業(yè)務傳輸的載體，當光纜可靠性相同時，業(yè)務依賴度越高，光纜的負載應越大。基于以上分析，可以得到光纜負載綜合量化模型：

(7)

該模型綜合考慮了電力通信網中業(yè)務與光纜的特殊性。

2.4 算法流程

電力光纜負載量化算法的輸入為網絡拓撲結構G(V,E,C)和需要部署的業(yè)務集合S。其中，拓撲G中的V，E分別代表網絡中的節(jié)點集合和鏈路集合，C為光纜類型、纖芯數目和長度組成的crad(E)×3維矩陣，crad(E)表示集合E包含的鏈路的數目。集合S包含需要部署的業(yè)務個數和業(yè)務重要度信息。算法分為以下6個步驟：

(1) 輸入網絡拓撲信息和業(yè)務信息，確定鏈路編號，利用式(2)初始化鏈路可用性。

(2) 根據業(yè)務部署要求，使用D算法和最大不相交路由算法為每個業(yè)務配置相應的傳輸通道。

(3) 判斷業(yè)務是否全部部署到了網絡中，若沒有部署完成則執(zhí)行步驟(2)，若部署完成則繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)。

(4) 利用式(3)和式(6)分別計算出業(yè)務對光纜的依賴度和光纜的可靠性。

(5) 將步驟(4)計算出的參數值帶入到式(7)，可得到光纜的負載量化權值。

(6) 遍歷所有鏈路，生成全網光纜負載量化權值矩陣。

光纜負載量化算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程Fig.3 Algorithm flow chart

3 驗證分析

3.1 算例說明

為了充分證明所提負載量化方法的有效性和可行性，本文在Matlab R2020b的環(huán)境下應用所提方法對單條光纜和完整光纜拓撲進行了負載分析，并將該方法與文獻[8]和文獻[11]中提到的負載量化方法進行了對比。為方便描述，將本文方法記作L1，文獻[8]中的方法記作L2，文獻[11]中的方法記作L3。

L2將鏈路承載的業(yè)務重要度之和作為負載，該方法考慮因素過于單一，量化過程較為簡單：

(8)

L3在L2的基礎上，加上了業(yè)務帶寬這一因素，并且引入權重分配系數μ，可以根據網絡實際情況靈活調整業(yè)務重要度與業(yè)務帶寬的占比：

(9)

式中，μ∈(0,1)；b′si為業(yè)務的歸一化帶寬，b′si=bsi/bmax,bsi為第i類業(yè)務的傳輸帶寬,bmax為業(yè)務集合中最大的業(yè)務帶寬。

在實際工程中，等級越高的輸電線路在架設時越會選擇遠離市區(qū)的地方，所搭建的鐵塔通常也會比較高，這樣一來，光纜受到人為破壞的概率會大大減小，因此光纜的可用性會隨輸電線路電壓等級的升高而變大[19]。本文根據文獻[15]對電力光纜可用性的分析，將單位長度220 kV的OPGW光纜、ADSS和普通光纜的可用性分別設置為99.84%,99.5%和99%，并在此基礎上假設單位長度500 kV的OPGW光纜可用性為99.9%，1 000 kV的OPGW光纜可用性為99.96%，由式(2)可計算全網光纜的可用性。

3.2 實際工程算例

本文從工程實際中選取了5條具有代表性的光纜，具體的光纜信息以及業(yè)務通道信息如表2所示。

表2 光纜信息與業(yè)務信息Tab.2 Optical cable information and service information

所選取的5條光纜均為OPGW光纜，承載的業(yè)務類型為保護與安控業(yè)務。表2中給出了光纜承載的業(yè)務通道數、電壓等級、長度、總芯數和剩余芯數等信息。其中，業(yè)務類型/數量/通道一欄表示光纜承載的某類型業(yè)務的數量和部署此類型業(yè)務所需要的傳輸通道的數量。

按照表2給出的業(yè)務信息和光纜信息，利用式(3)、式(6)和式(7)可分別計算出業(yè)務依賴度、光纜可靠性和光纜的負載權值信息，結果如表3所示。

表3 負載量化結果Tab.3 Load quantification results

由表3可以看出，雖然光纜5承載的業(yè)務通道數最多，但綜合光纜可靠性和業(yè)務依賴度2項指標來看，其負載并非是最高水平。此外，對于業(yè)務依賴度相同的光纜1和2，可靠性高的光纜負載量化水平會較低，也就是說該光纜在傳輸通信業(yè)務時業(yè)務風險會比較低，可以為更多的電力業(yè)務提供傳輸通道。對于光纜可靠性相近的光纜3和5，業(yè)務依賴度高的光纜負載量化水平會較高，其中業(yè)務依賴度與業(yè)務類型和業(yè)務通道數量都有關系。

3.3 完整光纜拓撲算例

上節(jié)給出的算例僅針對單條光纜進行了負載計算，然而在實際電力通信網中，涉及到的網絡結構復雜，光纜數量龐大，使得負載計算更加困難。本文選取某市級骨干傳輸網的光纜地理接線圖為例，如圖4所示，該光纜拓撲由137條不同類型的光纜鏈路和61個變電站通信節(jié)點組成，其中45號節(jié)點為地區(qū)調度中心，500 kV的變電站有4個，火電廠、風電場有16個，其余節(jié)點均為220 kV的變電站。圖中鏈路上的數值表示光纜的實際長度，單位為km。由于目前在建設光纜網絡時敷設的光纜多為OPGW光纜，ADSS與普通光纜所占的比例正逐漸縮小，因此本文按照1∶1∶8的比例在圖中隨機選取鏈路作為普通光纜、ADSS和OPGW光纜。

圖4 某地區(qū)光纜地理接線圖Fig.4 Geographical wiring diagram of optical cable in a certain area

仿真時假設光纜的纖芯數目為48條，單根纖芯的帶寬為2.5 GHz。網絡中需要部署的業(yè)務類型如表1所示。安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)分為控制主站、控制子站和執(zhí)行站3層結構，文中選取節(jié)點18、51作為控制主站，節(jié)點22，6，19，13，30，39，47，52和58作為控制子站，其余節(jié)點作為執(zhí)行站。調度數據網分為A、B兩個平面，每個平面需要不同的匯聚中心，文中選取節(jié)點13，45作為A平面的匯聚中心，節(jié)點30，51作為B平面的匯聚中心。

采用L1方法計算出的光纜負載概率密度分布直方圖以及擬合曲線如圖5所示。

圖5 某地區(qū)光纜負載量化結果Fig.5 Quantified results of optical cable load in a certain area

擬合曲線服從均值為1.313 6，標準差為1.008 3的對數正態(tài)分布。由圖5可知，網絡中負載的取值為0～55，其中，處于0～10的光纜占總光纜的66%，處于25～55的光纜占總光纜的3.6%?？梢钥闯觯摼W絡的負載分布并不均衡。

3.4 仿真對比分析

本文選擇L2方法與L3方法進行了仿真對比，考慮到每種方法的量化結果會有所不同，為避免出現較大誤差，采用“max-min”歸一化法[4]對計算結果進行了歸一化處理：

(10)

式中，x為需要歸一化的數值；xmax，xmin分別為樣本的最大值和最小值；Y∈(0,1)，文中取Y=0.1。3種方法的量化結果如圖6所示。

圖6 不同計算模型下的光纜負載量化水平Fig.6 Quantification level of optical cable load under different calculation models

由于3種方法的側重點有所不同，導致最終的計算結果不完全一致。L2計算的結果總體偏高，這是由于L2只將業(yè)務重要度的累加和作為鏈路負載，量化過程比較簡單。L3在L2的基礎上增加了業(yè)務歸一化帶寬這一因素，使得量化結果較L2更加準確，但L3中業(yè)務重要度與業(yè)務歸一化帶寬權值的選取容易受人為因素的影響，計算結果的客觀性較差。本文選取前10條負載較重的光纜和最后10條負載較輕的光纜進行了排序對比，具體排序結果如表4和表5所示。

表4 前10條重載光纜的排序及其歸一化負載值Tab.4 The order of the first 10 heavy-load optical cables and their normalized load values

表5 最后10條輕載光纜的排序及其歸一化負載值Tab.5 The order of the last 10 light-load optical cables and their normalized load values

站點45是地區(qū)調度中心，與其直接相連的光纜應當具有較高的負載值，從表5可以看出，3種方法均能識別出光纜94的負載值最高。此外，本文方法與L3識別出的前5條光纜的編號和排序完全一致，進一步說明了本文方法的有效性。光纜19位于匯聚節(jié)點13和18之間，應用L1方法可識別出光纜19的負載值較高，但L2和L3并沒有識別出。光纜34與匯聚中心13直接相連，L2和L3識別出該光纜負載值較高，但綜合光纜和業(yè)務二者的特征來看，其負載值在10條光纜中最低。

負載較低的光纜大多分布在網絡邊緣，從表5可以看出，3種方法都能識別出光纜116的負載值最低，然而對于排序在128～136的光纜，L2方法和L3方法無法準確判斷其負載值的高低，本文方法卻能很好地加以區(qū)分。因此，可以證明本文方法的適用性更高。

4 結束語

針對目前電力光纜負載量化方法存在的問題，本文結合電力通信網實際，提出了一種基于光纜可靠性和業(yè)務依賴度的光纜負載量化方法，綜合考慮了業(yè)務和光纜的特殊性，使計算結果更加切合實際。本文在單條光纜和完整拓撲2則算例下驗證了方法的可行性。通過與L2方法和L3方法的對比發(fā)現，對于具有較高負載水平的光纜，3種方法都能較好地做出區(qū)分，但對于具有較低負載水平的光纜，L2和L3失去了負載比較能力，而本文方法依然能夠很好地加以區(qū)分，這有力地說明了所提方法的有效性和準確性，同時本文方法對負載均衡、資源優(yōu)化和重載識別等都有一定的指導意義。由于在工程實際中，負載均衡一直是一個廣受關注的問題，因此本文接下來將圍繞網絡的負載均衡開展研究。