李瑞芬，葛 倩

(1. 哈爾濱理工大學計算機科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 山東師范大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，山東 濟南 250538；3. 山東建筑大學理學院，山東 濟南 250101)

1 引言

在電力系統(tǒng)中通常通過配電網(wǎng)實現(xiàn)電能的分配，利用變電所對電能做電壓處理，將降壓后的電能傳送到各個用戶家中，配電網(wǎng)的主要功能是為各個電力用戶傳輸電能，是供電公司和電力用戶之間的連接樞紐，在整個電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定、安全運行極為重要[1]。配電網(wǎng)信息管理主要包括控制信息和運行信息在變電到用電過程中的管理[2]。電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，形成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于配電網(wǎng)的信息管理，具體功能包括用戶服務(wù)、配電工作管理、故障投訴管理、設(shè)備管理和配網(wǎng)分析管理等[3]。目前電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型較多且數(shù)據(jù)量大，信息在各級調(diào)度中較為困難，加大了管理配電網(wǎng)調(diào)控信息的難度，需要研究OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法[4]。

當前配網(wǎng)一體化調(diào)控方法存在如下問題：基于流調(diào)度代價的配網(wǎng)一體化調(diào)控方法區(qū)分流量在擁塞鏈路中的大小，計算各條等價路徑中大流的開銷權(quán)重，根據(jù)計算結(jié)果選擇權(quán)重較小的路徑，根據(jù)貸款中流量的比例和路徑開銷變化量定義流調(diào)度代價，選擇最小調(diào)度代價對應(yīng)的流實現(xiàn)OMS配網(wǎng)的一體化調(diào)控，該方法存在帶寬利用率低的問題[5]。基于任務(wù)調(diào)度和時間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法利用時間序列對配網(wǎng)中的任務(wù)做聚類處理，對數(shù)據(jù)做壓縮處理，通過服務(wù)時間相似性計算服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中的執(zhí)行能力，根據(jù)計算結(jié)果分配任務(wù)，實現(xiàn)配網(wǎng)的一體化調(diào)控，該方法存在數(shù)據(jù)傳輸時延高和數(shù)據(jù)丟包率高的問題[6]?；谪撦d均衡的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法將最小化網(wǎng)絡(luò)負載不均衡度作為優(yōu)化模型，在平均負載率的基礎(chǔ)上通過遺傳算法求解優(yōu)化模型，獲得最優(yōu)解，實現(xiàn)配網(wǎng)一體化的調(diào)控，該方法存在數(shù)據(jù)丟包率高的問題[7]。

綜上所述，提出基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法。

2 任務(wù)的優(yōu)先級和節(jié)點性能

2.1 任務(wù)的優(yōu)先級

根據(jù)任務(wù)的稀缺性和緊急性確定任務(wù)在配網(wǎng)中的優(yōu)先級，通過優(yōu)先級排序?qū)崿F(xiàn)配網(wǎng)一體化的調(diào)控[8]。

(1)

(2)

(3)

其中，任務(wù)在OMS配網(wǎng)中的稀缺性PR(r)和r任務(wù)在配網(wǎng)中的副本數(shù)之間為反比，r任務(wù)副本數(shù)越多，任務(wù)在配網(wǎng)中的稀缺性越小，體現(xiàn)了任務(wù)優(yōu)先級受任務(wù)稀缺性的影響[9，10]。任務(wù)在配網(wǎng)中的實時性PE(s)與緩沖區(qū)中任務(wù)的相對位置s之間為反比，反映任務(wù)優(yōu)先級受任務(wù)實時性的影響。通過下述兩個公式可將任務(wù)的緊急程度因素值和稀缺性因素值設(shè)定在一個空間內(nèi)

PE(s)=1-s，s∈[0，1]

(4)

PR(r)=1-r，r∈[0，1]

(5)

2.2 節(jié)點性能

根據(jù)節(jié)點中存在的歷史數(shù)據(jù)，計算節(jié)點在配網(wǎng)中的性能，每個節(jié)點在一個調(diào)度周期向鄰居節(jié)點請求任務(wù)后，根據(jù)任務(wù)在配網(wǎng)中的傳輸過程，評估任務(wù)的實際情況，如在規(guī)定時間內(nèi)達到的任務(wù)，為有效任務(wù)，未在規(guī)定時間內(nèi)到達的任務(wù)，為無效任務(wù)[11，12]。計算任務(wù)在配網(wǎng)中的傳輸時間以及任務(wù)的總數(shù)，并將計算結(jié)果記錄下來

(6)

在OMS配網(wǎng)調(diào)控中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算鄰居節(jié)點的調(diào)度能力，選擇調(diào)度能力最高的節(jié)點進行調(diào)度。

3 OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法

基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)度算法根據(jù)向前時延和帶寬預(yù)測實現(xiàn)一體化調(diào)控，具體步驟如下：

1)計算每條路徑在配網(wǎng)中的可用帶寬

設(shè)Bi代表的是配網(wǎng)中的可用時間帶寬，為了提高動態(tài)帶寬計算結(jié)果的精準度，需要獲取若干個樣本值，提高平滑性，可用帶寬Bi的計算公式如下

Bi=εBi+Cij(1-ε)Bi

(7)

式中，ε代表的是比率因子；

2)子流分類

接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點之間在配網(wǎng)中存在多條子流，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法通過相關(guān)因子γ判斷子流之間在配網(wǎng)中的相關(guān)性。

設(shè)接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點之間存在n條子流，每條子流在網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的前向傳輸時延會構(gòu)成一個集合{FT1，F(xiàn)T2，…，F(xiàn)Tn}，F(xiàn)Tmin代表的是集合中存在的最小值，其表達式如下

FTmin=Bi-min{FT1，F(xiàn)T2，…，F(xiàn)Tn}

(8)

當子流在配網(wǎng)中滿足下式時，認為子流存在相關(guān)性

FTi≤γFTmin

(9)

第一類子流指的是滿足上述公式的子流。去除集合{FT1，F(xiàn)T2，…，F(xiàn)Tn}中存在的第一類子流，通過上述方法繼續(xù)選擇子流，獲取第二類子流；并以同種方式完成子流在網(wǎng)絡(luò)中的分類。

3)獲取路徑在配網(wǎng)中的往返時延，計算FTi

采用基于前向傳輸時延的調(diào)度方法結(jié)合計算得到的帶寬Bi促使數(shù)據(jù)在多子流中可以根據(jù)原始順序傳輸?shù)浇邮斩酥?。設(shè)RTT代表的是路徑往返時延，其計算公式如下

RTT=κRTTi+(1-κ)RTTi

(10)

根據(jù)計算得到的路徑往返時延RTT，計算前向傳輸時延FTi

FTi=RTT/2

(11)

4)將最大優(yōu)先算法應(yīng)用到發(fā)生數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象中，重新選擇傳輸路徑

通過最大優(yōu)先算法避免配網(wǎng)中接收端出現(xiàn)亂序的現(xiàn)象。將確認字符傳輸?shù)桨l(fā)送端后，多條子流中同時出現(xiàn)新的確認值，需要更新子流在配網(wǎng)中的擁塞窗口，具體步驟如下

①假設(shè)子流在配網(wǎng)中的帶寬為Bi，傳送但沒有經(jīng)過核實的數(shù)據(jù)量為Oi。

②計算發(fā)送端處理D分組所用的時間Ri

Ri=(Oi+D)/Bi

(12)

③選擇允許子流中存在最小處理時間Ri對應(yīng)的傳輸分組：

處理時間Ri主要受兩個因素的影響：Oi/Bi代表的是在配網(wǎng)中傳送數(shù)據(jù)量消耗的時間；D/Ri代表的是大小為D的數(shù)據(jù)在路徑上傳輸消耗的時間。

OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的主要目的是實現(xiàn)OMS配網(wǎng)的一體化調(diào)控，通過最大優(yōu)先策略解決超時傳輸?shù)默F(xiàn)象，具體步驟如下：

①構(gòu)建若干條子流，計算子流在配網(wǎng)中的可用帶寬Bi和FTi。

②利用子流分類原則和相關(guān)性因子分類子流。

③在發(fā)送端中處理需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過下述公式計算不同類型子流在配網(wǎng)中的發(fā)送起始包Nm

Nm=∑0

(13)

式中，P代表的是預(yù)測時間。

④當在子流中出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象時，利用重傳算法實現(xiàn)丟包的重傳；如果出現(xiàn)丟包超時的現(xiàn)象時，采用最大優(yōu)先算法重傳丟包。

⑤統(tǒng)計子流在工作狀態(tài)下的可用帶寬和往返時延，并將1分鐘作為間隔，更新前向傳輸時延的值，實現(xiàn)重新歸類。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的整體有效性，在Simulink平臺中進行測試，并采用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理，具體的參數(shù)見表1。

表1 仿真平臺具體參數(shù)設(shè)置

在上述實驗參數(shù)設(shè)置下，分別采用基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法、基于流調(diào)度代價的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法(文獻[5]方法)、基于任務(wù)調(diào)度和時間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法(文獻[6]方法)進行測試，對比三種不同方法的帶寬利用率，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的帶寬利用率對比

分析圖1可知，在多次迭代中基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的帶寬利用率整體水平較高，其帶寬利用率最大值為64%；采用基于流調(diào)度代價的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法對OMS配網(wǎng)進行調(diào)控時的帶寬利用率較低，雖然其最高值達到了59%，但是整體帶寬利用率低于所提方法；基于任務(wù)調(diào)度和時間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法在多次迭代中的帶寬利用率最高值為60%，但是該方法的整體帶寬利用率較低，且波動較大。對比三種不同方法的測試結(jié)果可知，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的帶寬利用率較高，因為該算法通過任務(wù)的稀缺性和緊急性確定任務(wù)的優(yōu)先級，按照優(yōu)先級發(fā)送任務(wù)，從而提高了帶寬利用率。

將實驗指標設(shè)置為數(shù)據(jù)傳輸時延，對基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法、基于流調(diào)度代價的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法、基于任務(wù)調(diào)度和時間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法進行測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的數(shù)據(jù)傳輸時延對比

分析圖2可知，采用基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法調(diào)控OMS配網(wǎng)時，數(shù)據(jù)在OMS配網(wǎng)中的傳輸時延均低于現(xiàn)有方法，該方法的傳輸時延在可接收范圍內(nèi)，不影響數(shù)據(jù)的傳輸；基于流調(diào)度代價的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法和基于任務(wù)調(diào)度和時間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法在多次迭代中的數(shù)據(jù)傳輸時延整體上高于所提方法。對比三種不同方法的測試結(jié)果可知，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的數(shù)據(jù)傳輸時延較低，因為該算法在調(diào)控OMS配網(wǎng)時，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算了節(jié)點在OMS配網(wǎng)中調(diào)度能力，在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上選擇調(diào)度能力高的節(jié)點實現(xiàn)OMS配網(wǎng)的一體化調(diào)控，降低了基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的數(shù)據(jù)傳輸時延。

以數(shù)據(jù)丟包率為指標，對基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法、基于流調(diào)度代價的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法、基于負載均衡的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法進行測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的數(shù)據(jù)丟包率對比

分析圖3可知，采用基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法在多次迭代中的數(shù)據(jù)丟包率均在45%以下；采用基于流調(diào)度代價的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法和基于負載均衡的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法進行測試時，兩種方法的數(shù)據(jù)丟包率最高分別達到了94%和54%。對比三種不同方法的測試結(jié)果可知，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的數(shù)據(jù)丟包率較低，因為該算法將最大優(yōu)先算法應(yīng)用到發(fā)生數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象中，重新選擇傳輸路徑，降低了數(shù)據(jù)在OMS配網(wǎng)中的丟包率。

5 結(jié)論

通常情況下配電網(wǎng)都在復(fù)雜的環(huán)境中工作，發(fā)生故障的概率較高，故障會導致停電，嚴重影響了用戶日常生活的用電，甚至會造成經(jīng)濟損失。保障用戶日常生活中用電的主要方法是提供高質(zhì)量的用電服務(wù)，需要加強OMS配網(wǎng)的調(diào)控工作，提高配網(wǎng)的響應(yīng)速度和性能。當前OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法存在帶寬利用率低、數(shù)據(jù)傳輸時延高和數(shù)據(jù)丟包率高的問題。提出基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法，本文研究主要取得了以下幾個成果：

1)當任務(wù)的緊急程度因素值和稀缺性因素值處于同一個區(qū)間值時，計算任務(wù)在OMS配網(wǎng)中的優(yōu)先請求級別，得出任務(wù)優(yōu)先級受任務(wù)實時性的影響。

2)根據(jù)可用帶寬和前向傳輸時延計算結(jié)果，采用最大優(yōu)先算法實現(xiàn)傳輸路徑重選，解決了配網(wǎng)中接收端容易產(chǎn)生亂序的現(xiàn)象。

3)實驗結(jié)果表明，所提方法能夠有效改善現(xiàn)有方法存在的問題，帶寬利用率最高可達64%，數(shù)據(jù)丟包率低于45%，充分驗證了其有效性。

綜上分析可知所提方法解決了當前方法中存在的問題，并進行了優(yōu)化，為配網(wǎng)的運行提供了保障。