鄭峻峰，許 霖，冷 志，陳 鳳，唐夢嫻

（國網(wǎng)長沙供電公司，湖南長沙 410000）

在我國電力系統(tǒng)中，規(guī)定額定電壓為110～500 kV的電力電纜為標準電纜，電纜通道已發(fā)展成為電力設施中非電氣部分和電網(wǎng)發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略資源，直接影響電力線路的運輸安全[1]。

在電力系統(tǒng)運行過程中，部分電纜不可避免地會存在故障。在電纜布施的過程中，必須要考慮到地方政府控制性規(guī)劃和國網(wǎng)公司電力電纜管理要求[2]。傳統(tǒng)的節(jié)點采集與規(guī)劃方法容易造成關鍵節(jié)點的缺失，降低了電纜節(jié)點的穩(wěn)定性。為了優(yōu)化傳統(tǒng)的電纜規(guī)劃方法，該文借助決策算法、節(jié)點指標以及約束條件，構(gòu)建了新的基于決策算法的電纜關鍵節(jié)點采集與規(guī)劃方法，在保證線纜通信穩(wěn)定性的基礎上，降低了線纜布施的成本，提高了可持續(xù)發(fā)展性，從而便于管理電纜通道。

1 電纜關鍵節(jié)點采集

為了達到降低電纜關鍵節(jié)點規(guī)劃復雜度的效果，該文在電纜關鍵節(jié)點采集過程中構(gòu)建了相關的節(jié)點采集指標，只有滿足各項指標的節(jié)點才會被視為是合格的，從而為電纜及通道快速有效采集提供決策支持。指標的建立都是根據(jù)目前電纜線路管理的最新規(guī)范[3-4]。該文建立節(jié)點的全局信息指標和節(jié)點的可承載業(yè)務能力指標兩項。節(jié)點網(wǎng)絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 節(jié)點網(wǎng)絡拓撲圖

節(jié)點的全局信息指標是對電纜局部信息的一種檢索指標，因為局部的信息不具有代表性，因此節(jié)點性能的辨識度不高。而節(jié)點全局信息指標是將節(jié)點的中心節(jié)點、邊界節(jié)點以及末梢節(jié)點全部集成在一起，然后按照一定比例進行計算。節(jié)點全局信息指標判定量化公式如下所示：

其中，BC 表示節(jié)點的介數(shù)向量；BC(i)表示節(jié)點的介數(shù)[5-6]。

電纜節(jié)點可承載業(yè)務的能力是采集關鍵節(jié)點的重要指標之一。如果節(jié)點不具備穩(wěn)定承載業(yè)務的能力，其本質(zhì)上就是一個占用內(nèi)存的無效點。電纜節(jié)點承載業(yè)務的能力主要包括節(jié)點的誤碼率、時延、傳輸效率、傳輸速度、抗干擾性，該指標決定了電纜線路工作的穩(wěn)定性和傳輸效率[7]。指標是利用層次分析方法計算而成的，計算的核心是利用層次矩陣判斷節(jié)點的業(yè)務能力。節(jié)點業(yè)務重要度指標的計算如下所示：

其中，SI(I)表示歸一化處理后電纜節(jié)點承載業(yè)務的重要度；i(k-n)表示節(jié)點實際承載業(yè)務的重要度；b(s,d,k)表示節(jié)點業(yè)務重要度向量；hj表示業(yè)務的單位流量；n表示兩個節(jié)點之間業(yè)務量的數(shù)量；max(L)表示節(jié)點之間業(yè)務傳輸?shù)穆窂剑沪笑颖硎疽粋€二值函數(shù)。電纜節(jié)點的業(yè)務重要度越大，節(jié)點的關鍵性也越強[8-9]，當某個電纜節(jié)點的業(yè)務重要度越高時，節(jié)點的關鍵性也越強，此時可以采集該節(jié)點的相關指標信息。

2 電纜關鍵節(jié)點規(guī)劃方法

任何一種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中的每一個關鍵節(jié)點之間都具有一定的關聯(lián)性，傳統(tǒng)的電纜關鍵節(jié)點規(guī)劃方法根據(jù)每個節(jié)點的內(nèi)部關系進行規(guī)劃[10-11]。但是由于存在某些特殊節(jié)點，這就導致利用正常的分析途徑完成規(guī)劃的效果不滿足規(guī)劃的需求。因此，該文在采集電纜關鍵節(jié)點后，將決策算法作為規(guī)劃基礎對電纜關鍵節(jié)點展開規(guī)劃設計。

根據(jù)設定的電纜數(shù)字化目標，融合電網(wǎng)與路網(wǎng)建立通道拓撲算法，實現(xiàn)通道有效規(guī)劃。為此，該文設計了電纜約束量為信息熵、肯德爾系數(shù)權重以及TOPSIS 融合約束，以保證規(guī)劃后的所有電纜關鍵節(jié)點具有穩(wěn)定性和通信性能。以上約束的前提都是電纜通信中存在N個節(jié)點，其中，存在m個關鍵節(jié)點。

電纜節(jié)點信息熵的約束采用熵權法完成，其原理是采集電纜關鍵節(jié)點的信息后遍歷所有信息，再根據(jù)約束條件衡量電纜內(nèi)所有節(jié)點的信息，為節(jié)點的拓撲規(guī)劃奠定數(shù)據(jù)基礎。該過程的計算公式如下所示：

式中，i表示電纜關鍵節(jié)點的個數(shù)；aij表示第i個節(jié)點的指標j的參數(shù)；A表示節(jié)點指標矩陣；gij表示電纜采集指標的權重；u表示第j個指標的熵值[12-13]。

電纜關鍵節(jié)點指標信息熵的權重值越小，表示節(jié)點所包含的信息量越大，相反則表示電纜關鍵節(jié)點所含信息量越小，說明節(jié)點的關鍵指數(shù)越來越低，在不需要的前提下，就沒必要對節(jié)點的信息進行采集。

肯德爾系數(shù)權重約束的目的是制約電纜節(jié)點之間各個指標的關聯(lián)度，既要保證各個節(jié)點之間具有關聯(lián)性，又要避免因過度關聯(lián)而影響電纜輸送效率。計算任意兩個電纜節(jié)點的關聯(lián)性，公式如下所示：

式中，kij表示電纜節(jié)點的指標；n0表示相互關聯(lián)和不關聯(lián)節(jié)點的個數(shù)；μ表示具有相同特征的節(jié)點；k表示節(jié)點指標內(nèi)包括的關鍵集合；τ表示常量。計算結(jié)果在2～97 之間都表示節(jié)點滿足肯德爾系數(shù)約束，然后作進一步分析，若任意兩個電纜節(jié)點關聯(lián)性的數(shù)值較大，說明各節(jié)點的均衡度也較大，在電能輸送中具有優(yōu)先選擇權[14]。

TOPSIS 融合約束是對電纜節(jié)點信息加權的特殊約束，約束生成流程如圖2 所示。TOPSIS 融合約束側(cè)重于考慮電纜節(jié)點信息的多次權重。信息經(jīng)過多次權重遍歷，得到的節(jié)點信息真實度較大。該約束相對于電纜節(jié)點信息熵約束的不同，權重對象也不同。TOPSIS 融合約束面向的對象是電纜節(jié)點的正理想解和負理想解，對這兩方面進行加權處理，約束計算形式如下所示：

圖2 TOPSIS融合約束生成示意圖

3 實驗與分析

通過以上論述完成對基于決策算法的電纜關鍵節(jié)點采集與規(guī)劃方法的設計，為了檢驗該方法是否具有可行性，設計實驗測試過程。

實驗選擇小型電纜通道、BA 類型的電纜通道以及大型電纜通道三個不同類型的電纜為對象，避免測試樣本的單一性。

實驗中，將傳統(tǒng)的基于多屬性決策的電力網(wǎng)絡關鍵節(jié)點識別方法作為對比。實驗內(nèi)容是對三種不同類型的電纜通道分別完成測試，對比電纜關鍵節(jié)點采集的效率、關鍵節(jié)點的真?zhèn)涡?、?guī)劃后電纜的穩(wěn)定性、對配電網(wǎng)網(wǎng)絡業(yè)務的影響以及電纜的抗毀性，展開多方面分析，從而完成兩種方法性能的判定。該實驗測試忽略測試電纜網(wǎng)絡的邊權，并且設置邊權值為1，采用長春市郊區(qū)某一個配電廠作為實驗場地。

選擇某小型電纜通道，全長12.4 km，其中共設計30 個節(jié)點，其中15 個為關鍵點，GT 參數(shù)值在0～0.7 之間，SI 參數(shù)的數(shù)值在0.1～1 之間。大型電纜通道設計500 個節(jié)點，其中關鍵節(jié)點為100 個，每個關鍵節(jié)點的長度、GT 參數(shù)值以及SI 參數(shù)的數(shù)值的設計與小型變量參數(shù)的變化相同。BA 類型的電纜通道設計300個節(jié)點，其中B 類型的關鍵節(jié)點為50 個，A 類型的關鍵節(jié)點為50個，每個關鍵節(jié)點的長度、GT參數(shù)值以及SI參數(shù)數(shù)值的設計與小型變量參數(shù)的變化相同。

在完成對測試環(huán)境的搭建后，將每個電纜通道錄入到一個設備后，分別利用該文方法和傳統(tǒng)方法完成對電纜關鍵節(jié)點的采集與規(guī)劃。開始實驗并記錄時間，得到以下實驗結(jié)論：在采集小型電纜通道和BA 類型電纜通道的關鍵節(jié)點中，兩種方法花費的時間呈現(xiàn)的差異不大，但是在采集大型電纜通道內(nèi)關鍵節(jié)點信息時，該文方法所消耗的時間是傳統(tǒng)方法消耗時間的一半。在對采集到關鍵節(jié)點進行關鍵信息特征匹配時，該文方法對不同類型電纜通道關鍵節(jié)點采集的正確率均在98%以上，然而傳統(tǒng)方法只對于小型的電纜通道內(nèi)部關鍵節(jié)點的采集結(jié)果能達到應用標準，對于其他具有一定復雜性類型的電纜通道的采集效率始終未達到應用標準。

在評價電纜關鍵節(jié)點規(guī)劃方法的穩(wěn)定性和對其他關聯(lián)網(wǎng)絡業(yè)務的影響能力時，通過電纜關鍵節(jié)點內(nèi)部的業(yè)務重要度進行展現(xiàn)。移除關鍵節(jié)點后電纜業(yè)務重要度下降情況如圖3 所示，電纜關鍵節(jié)點丟失率如圖4 所示。

圖3 移除電纜節(jié)點后電纜業(yè)務重要度下降情況

圖4 電纜關鍵節(jié)點丟失率

綜合分析圖3 和圖4 可知，在移除電纜關鍵節(jié)點后，兩種方法隸屬的電纜業(yè)務重要度都出現(xiàn)下降的趨勢，但是應用傳統(tǒng)方法后的電纜關鍵節(jié)點丟失率仍高于文中方法。這是因為電纜通道內(nèi)部的關鍵節(jié)點缺失，一定會導致電纜業(yè)務工作效率的降低。而該文方法能夠最大程度地降低該狀態(tài)下電纜業(yè)務重要度的下降幅度，并將電纜關鍵節(jié)點丟失率控制在20%以內(nèi)。通過以上數(shù)據(jù)證明了基于決策算法的關鍵節(jié)點的采集與規(guī)劃方法具有保證業(yè)務重要度的能力。

在此基礎上，針對電纜關鍵節(jié)點規(guī)劃方法的抗毀性展開測試。該性能的測試是在網(wǎng)絡拓撲中隨機中斷并移除關鍵節(jié)點附近的節(jié)點輸送功能，觀察一定時間內(nèi)網(wǎng)絡拓撲圖內(nèi)部關鍵節(jié)點的工作是否仍然正常。每個類型測試的方法相同，重復執(zhí)行即可，該實驗設置的觀察時間為50 min。實驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 移除節(jié)點實驗圖

為了保證實驗數(shù)據(jù)具有分析性，該文采集了沒有移除節(jié)點前15 min 的網(wǎng)絡效率波動數(shù)據(jù)，然后實驗圖中從第15 min 開始，移除5 個關鍵節(jié)點附近的節(jié)點。傳統(tǒng)方法下三種類型電纜的網(wǎng)絡效率出現(xiàn)了大幅度波動。而經(jīng)過20 min 的運行后，該文方法下三種類型電纜的網(wǎng)絡效率與正常的網(wǎng)絡效率差別不超過0.2。上述結(jié)果證明了該研究設計的基于決策算法的電纜關鍵節(jié)點采集與規(guī)劃方法的抗毀性，在電纜遭受到攻擊時，該方法規(guī)劃的電纜通信網(wǎng)絡仍可以穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

該文利用電纜節(jié)點的目標函數(shù)計算出有效的電纜節(jié)點的指標，參照決策算法的規(guī)律和電纜節(jié)點分布約束條件，最終遍歷出最優(yōu)的電纜節(jié)點規(guī)劃方案。該研究還通過實驗證明了基于決策算法的電纜關鍵節(jié)點采集與規(guī)劃方法的工作效率和穩(wěn)定性，另外也證明了該文設計方法的合理性。在該文研究的基礎上，可以進一步研究分析以主動式配電網(wǎng)作為規(guī)劃原理的電纜關鍵節(jié)點的采集與規(guī)劃，從而完善電纜關鍵節(jié)點規(guī)劃的邏輯程序，促進電纜通道管理的發(fā)展。