孫 靜，張 榮，王 平

（國(guó)網(wǎng)蕪湖供電公司，安徽蕪湖 241000）

隨著5G 通信與智能技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)系統(tǒng)在日常生活中的應(yīng)用程度也越來(lái)越高[1]。智能電網(wǎng)利用通信及控制技術(shù)完成電網(wǎng)資源的自動(dòng)化分配，系統(tǒng)主要包括物理和信息空間。其中，物理空間是指電網(wǎng)中的電線、電源與負(fù)載等物理實(shí)體，而信息空間則是指電網(wǎng)中的監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算設(shè)備等[2-3]。

信息空間中的通信傳輸鏈路承載著繼電保護(hù)與調(diào)度自動(dòng)化等關(guān)鍵服務(wù)，若這些連接中斷可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重?fù)p害。而當(dāng)通信傳輸鏈路承載的業(yè)務(wù)中斷或無(wú)法接入時(shí)，將威脅電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[4-5]。在這種情況下便需重建多條服務(wù)路由，以提高服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)的可靠性。服務(wù)路由重構(gòu)是基于所設(shè)置的指標(biāo)對(duì)路由進(jìn)行重新設(shè)置，也稱為風(fēng)險(xiǎn)平衡。因此有必要分析風(fēng)險(xiǎn)程度，并提出路由重構(gòu)策略來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。而合理分配電力通信業(yè)務(wù)路由，可以保證業(yè)務(wù)的可靠性，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

1 智能電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

1.1 電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)空間傳播類型

智能電網(wǎng)中，信息空間的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)轉(zhuǎn)移到電力空間[6]。而信息空間與電力空間之間的相互作用則通過(guò)信息流及能量流來(lái)衡量，且電網(wǎng)的能量分布決定了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[7]。在信息空間中，電網(wǎng)系統(tǒng)將智能終端設(shè)備控制信號(hào)的改變轉(zhuǎn)換為物理狀態(tài)的變化，從而影響電網(wǎng)的能量分布。網(wǎng)絡(luò)物理電力系統(tǒng)(CPPS)中的交互過(guò)程如圖1 所示。

圖1 CPPS中信息流和能量流的交互過(guò)程

圖1 中，能量流即功率流，信息流則是指信息傳遞及處理的過(guò)程。同時(shí)信息流控制著電網(wǎng)中的物理實(shí)體，例如開關(guān)切換、負(fù)載變化等。由此調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而影響能量流[8]。因此，信息系統(tǒng)中的控制信號(hào)將直接操縱電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

1.2 電網(wǎng)負(fù)載壓力風(fēng)險(xiǎn)

智能電網(wǎng)中，電站的負(fù)載壓力風(fēng)險(xiǎn)值是通過(guò)分析電網(wǎng)與路由相關(guān)的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)確定的。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)通信鏈路中斷的情況后，為了保證CPPS 的穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)會(huì)采用路由重建的方法來(lái)優(yōu)化路由，從而降低電站的負(fù)載壓力。電站在電網(wǎng)中的負(fù)載并非一個(gè)固定值，其隨著電網(wǎng)負(fù)載的改變而變化。因此，電站負(fù)載壓力可通過(guò)其負(fù)載在電網(wǎng)中的比例來(lái)衡量。

站點(diǎn)負(fù)載壓力是業(yè)務(wù)路徑鏈路內(nèi)所有站點(diǎn)壓力負(fù)載的總和，其大小代表著電網(wǎng)負(fù)載的壓力，壓力越大表示鏈路的負(fù)載壓力也越大，且節(jié)點(diǎn)分配不均勻。電站負(fù)載壓力定義如下：

其中，Pn是業(yè)務(wù)n路由路徑的總節(jié)點(diǎn)數(shù)，N是業(yè)務(wù)的總數(shù)，是第n個(gè)業(yè)務(wù)路由路徑中節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載壓力值，Ln是電網(wǎng)中業(yè)務(wù)n的電站負(fù)載壓力值，Ltotal則為電網(wǎng)中所有業(yè)務(wù)路由路徑內(nèi)站點(diǎn)的負(fù)載壓力總和。因此，電網(wǎng)通信傳輸鏈路在電站負(fù)載壓力下的故障風(fēng)險(xiǎn)值G1=Ltotal。

1.3 電網(wǎng)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)

電網(wǎng)中的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)主要通過(guò)分析路由路徑相關(guān)聯(lián)的鏈路風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)確定，而信息交互靠通信鏈路進(jìn)行傳遞。若通信鏈路中斷，將影響電網(wǎng)的業(yè)務(wù)。因而，業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)業(yè)務(wù)平均通信延遲與業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度兩個(gè)維度來(lái)進(jìn)行分析。

1）業(yè)務(wù)平均通信延遲。電網(wǎng)中的某些業(yè)務(wù)，例如電網(wǎng)繼電保護(hù)、穩(wěn)定控制等業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高。若這些業(yè)務(wù)不能在短時(shí)間內(nèi)完成，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的誤操作。因此，延遲是一個(gè)較為重要的指標(biāo)。業(yè)務(wù)平均通信延遲可定義為：

式中，Dn表示第n個(gè)業(yè)務(wù)的延遲，是所有業(yè)務(wù)的平均通信延遲，而業(yè)務(wù)平均通信傳輸鏈路故障的風(fēng)險(xiǎn)值則為G2=。

2）業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度。業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度用于衡量電網(wǎng)中每個(gè)通信鏈路所承載的業(yè)務(wù)分布。平衡度過(guò)高表示電網(wǎng)中的業(yè)務(wù)分布不均勻，即存在通信鏈路業(yè)務(wù)過(guò)載或輕載[9-10]；而平衡度越低，則表明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分布越均衡，業(yè)務(wù)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較小。其定義如下：

式中，BD 是網(wǎng)絡(luò)中所有Gi的標(biāo)準(zhǔn)偏差，則業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度上通信傳輸鏈路的故障風(fēng)險(xiǎn)值為G3=BD。

2 智能電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

2.1 風(fēng)險(xiǎn)模型

風(fēng)險(xiǎn)通常是指故障的不確定性，可表示為故障發(fā)生概率與風(fēng)險(xiǎn)后果的乘積，且風(fēng)險(xiǎn)=故障概率×風(fēng)險(xiǎn)后果值。若通信傳輸鏈路中斷，則風(fēng)險(xiǎn)值可表示為：

式中，H是跨空間的風(fēng)險(xiǎn)傳遞概率，P是通信傳輸鏈路中斷的失效概率，I是錯(cuò)誤出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)后果值。I1、I2和I3分別表示電網(wǎng)負(fù)載壓力、業(yè)務(wù)平均通信延遲、業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度的風(fēng)險(xiǎn)后果值。

因此風(fēng)險(xiǎn)值最小化是鏈路選擇的基本原則，也是需求解的目標(biāo)函數(shù)。為了使服務(wù)能夠在網(wǎng)絡(luò)上均勻分布，需要為每個(gè)指標(biāo)設(shè)置約束。CPPS 網(wǎng)絡(luò)路由重建策略的目標(biāo)函數(shù)定義為：

式中，Dmax是每個(gè)業(yè)務(wù)的最大延遲，Rmax是每個(gè)鏈接的最大上限承載業(yè)務(wù)數(shù)。Lmax是每個(gè)業(yè)務(wù)通過(guò)電站負(fù)載壓力總和的上限，α、β、θ是上述三個(gè)不同指標(biāo)的權(quán)重。因此，目標(biāo)函數(shù)即是在式（9）約束條件下求解f的最小值。

2.2 遺傳算法

上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型可以考慮在如何快速完成多業(yè)務(wù)路由重構(gòu)的條件下，滿足電網(wǎng)負(fù)載壓力、業(yè)務(wù)平均通信延遲及業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度這三個(gè)不同的因素。文中使用改進(jìn)選擇操作的遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)來(lái)解決這一問題。

1）編碼機(jī)制。傳統(tǒng)二進(jìn)制編碼中的編碼長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)數(shù)成指數(shù)關(guān)系，而該文采用了一種可變長(zhǎng)度的染色體編碼方法[11](Chromosome coding)，對(duì)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)取業(yè)務(wù)的起始節(jié)點(diǎn)，然后從其他相連的節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取一個(gè)作為下一個(gè)染色體節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)集中刪除。重復(fù)此步驟，直至染色體編碼節(jié)點(diǎn)為業(yè)務(wù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此種情況下染色體的長(zhǎng)度是不確定的，但最大長(zhǎng)度不超過(guò)電網(wǎng)中所有的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2）種群初始化。利用式（9）剔除不滿足約束條件的通信鏈路，并對(duì)剩下滿足約束條件的鏈路進(jìn)行編碼，以完成種群的初始化。最后，隨機(jī)選擇M個(gè)鏈路以獲得M個(gè)初始種群。

3）適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)識(shí)別群體中個(gè)體的優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)值越大意味著個(gè)體越優(yōu)。故適應(yīng)度函數(shù)定義為：

根據(jù)式（7）可知，f越小越接近問題的最優(yōu)解。所以，該文采用逆形式來(lái)滿足適應(yīng)度較大的條件。

4）選擇。該文采取“精英主義”的最佳保存方法與“輪盤賭”策略(Roulette wheel selection)相結(jié)合的方式完成種群的選擇[12-13]。

假設(shè)種群數(shù)量為M，將種群均分為兩組，并取適應(yīng)度較高的一組保留下來(lái)，且個(gè)體數(shù)為0.5M；然后，在剩下的0.5M個(gè)體中繼續(xù)以上步驟得到0.25M個(gè)體；再通過(guò)“輪盤賭”選擇策略，從上一代個(gè)體中選擇0.75M個(gè)體，將其與之前的0.25M組成M個(gè)個(gè)體；而最終的交叉及變異操作，則是通過(guò)重組后的M個(gè)新個(gè)體來(lái)執(zhí)行的。

5）交叉和變異。在父代群體中以交叉概率Pc隨機(jī)抽取兩個(gè)個(gè)體并交換二者的部分結(jié)構(gòu)，以形成兩個(gè)新的個(gè)體。變異是通過(guò)改變?nèi)旧w上的部分基因來(lái)進(jìn)行的，其發(fā)生的概率較小。在染色體中隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為突變點(diǎn)，且業(yè)務(wù)起始節(jié)點(diǎn)到突變點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)保持不變，而突變點(diǎn)到業(yè)務(wù)目標(biāo)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)重新隨機(jī)選擇。已選定的節(jié)點(diǎn)將從節(jié)點(diǎn)集中刪除，以避免其在路徑中形成循環(huán)。

3 案例分析

該文在圖2 所示的拓?fù)渲袦y(cè)試所設(shè)計(jì)的方法，該拓?fù)渑c文獻(xiàn)[9]和[14]所采用的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)和參數(shù)相同，共有17 個(gè)節(jié)點(diǎn)與25 條通信傳輸鏈路，鏈路上有四項(xiàng)服務(wù)，分別為[1,15]、[2,17]、[3,17]、[4,16]。

圖2 部分電網(wǎng)的拓?fù)鋱D

根據(jù)文獻(xiàn)[9]和[14]中獲得的鏈路故障記錄可以看到，鏈路13-14 失效的概率P1為0.213 7，鏈路13-17 的失效概率P2為0.282 6。表1 所示為電站的負(fù)載壓力值，為了方便計(jì)算，電站負(fù)荷壓力值的影響為縮放比。

表1 電站負(fù)荷壓力

文中僅考慮直接風(fēng)險(xiǎn)，而風(fēng)險(xiǎn)傳遞概率為1。在鏈路13-14 和13-17 均中斷的情況下，使用文中提出的算法重構(gòu)業(yè)務(wù)的通信鏈路。在遺傳算法中[15-16]，設(shè)置染色體長(zhǎng)度為7，初始種群為100，迭代次數(shù)為200，交叉率Pc與變異率Pm則分別為0.9 及0.055。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的總值用數(shù)字1 表示，每個(gè)影響因素的權(quán)重可根據(jù)特征向量的比例分別得到，α=0.569 6，β=0.097 4，θ=0.333 0，且α+β+θ=1。

采用該算法計(jì)算每個(gè)業(yè)務(wù)的通信鏈路，并與基于“輪盤賭”選擇策略的遺傳算法及Dijkstra 算法進(jìn)行比較，路徑對(duì)比情況如表2 所示。

表2 服務(wù)路由路徑對(duì)比

從表中可以看出，由于鏈路13-14 和13-17 均被中斷，因此無(wú)法到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)13 的業(yè)務(wù)。而與其他兩種方法相比，所提算法選擇的路徑較優(yōu)、節(jié)點(diǎn)路徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)最少且風(fēng)險(xiǎn)也更低。各項(xiàng)指標(biāo)的比較結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 指標(biāo)比較

由圖可知，在平均通信延遲指標(biāo)方面，該文算法的結(jié)果雖然高于Dijkstra 算法，但其仍在可接受的范圍內(nèi)。原因在于原始服務(wù)路徑考慮了最短延遲指標(biāo)，故無(wú)法從多個(gè)角度為業(yè)務(wù)提供最優(yōu)路徑。而該文算法的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)均衡度優(yōu)于Dijkstra 算法以及采用輪盤賭策略的遺傳算法。此外分別計(jì)算三種算法的風(fēng)險(xiǎn)值，其中Dijkstra 算法的風(fēng)險(xiǎn)值為6.620%、輪盤賭策略的遺傳算法為4.421%，該文算法的風(fēng)險(xiǎn)值則為3.143%。由此可知，該文算法的風(fēng)險(xiǎn)平衡效果較優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中主要研究CPPS 中通信鏈路中斷后，基于風(fēng)險(xiǎn)均衡度考慮的業(yè)務(wù)通信鏈路重構(gòu)方法。通過(guò)考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與鏈路的風(fēng)險(xiǎn)，選取電網(wǎng)站點(diǎn)負(fù)載壓力值、業(yè)務(wù)通信延遲及業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)平衡度作為影響因子，并建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。同時(shí)結(jié)合“精英主義”方法及“輪盤賭”方法來(lái)選取初始種群，進(jìn)而提出了一種改進(jìn)的遺傳算法，再通過(guò)此算法重構(gòu)業(yè)務(wù)路徑。最終通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，證明了該算法的有效性。