电力通信网络结构优化模型研究.pdf

研 DOh 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 2 0 4 0 1 3 电力 通信 网络结构 优化模 型研 究 周 婧 ，任建川 ，周建勇 ，宋旅宁 ，卢信 良 ( 1 广东电网公司深圳供电局， 广东深圳 5 1 8 0 0 1 ；2 华南理工大学，广东广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要：电力通信网络是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。因此，网络的安全性显得尤为重要，而现有网络仍存在着 结构不合理、可靠性低 、资源分配不合理等缺陷。通过对电力通信网络结构现状进行分析，从电力通信网络的合理性与可靠性 角度出发 ，找出网络结构的不足，提出了网络结构重要度的概念并给出了求解结构重要度的算法，并应用结构重要度对电力通 信网络结构进行调整，为评估与优化电力通信网络结构提供了思路。 关键词：电力通信网络；网络结构优化； 数学模型；结构重要度 中图分类号 ：T M9 1 5 8 5 3 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 99 4 9 2( 2 0 1 2 ) 0 40 0 5 1 0 4 Re s e a r c h o n P0 we r Co mmu n i c a t i o n Ne t wo r k Op t i mi z a t i o n M o d e l Z HOU J i n g ， RE N J i a n c h u a n ， Z HO U J i a n y o n g ， S ONG L v n i n g ， L U Xi n - l i a n g 2 ( 1 S h e n z h e n P o w e r S u p p l y Bu r e a u o f G u a n g d o n g Po we r Gr i d Co r p o r a t i o n，S h e n z h e n 51 8 0 01 ，Ch i n a ；2 S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：P o we r c o mmu n i c a t i o n n e t wo r k i s a n i mp o r t a n t me t h o d t o e n s u r e s e c u r i t y， s t a b i l i t y a n d e c o n o mi c o p e r a t i o n o f p o we r n e t wo r k T h e r e f o r e， n e t wo r k s e c u r i t y i s p a r t i c u l a r l y i mp o r t a n t ， b u t t h e r e a r e s t i l l e x i s t i n g p r o b l e ms i n n e t wo r k s u c h a s s t r uc t u r e i r r a t i o n a l i t y， l o w r e l i a b i l i t y，i r r a t i o n a l a l l o c a t i o n o f r e s o u r c e s a n d o t h e r d e f e c t s Ba s e d o n t h e c u r r e n t s t a t u s o f p o we r c o mmu n i c a t io n n e t wo r k a n a l y s i s ， f r o m r a t i o na l i t y a n d r e l i a b i l it y o f p o we r c o mmu n i c a t i o n n e t wo r k s t a n d p o i n t ，t h i s p a p e r i s t o fin d o u t i n s u ffic i e n c y i n n e t wo r k s t ru c t u r e a n d p r o p o s e s c o mp l e t e s e t o f n e t wo r k -wa y s e t c o n t r o l c o n c e p t ， p r e s e n t s a me t h o d o f i mp o rta n c e o n s o l v i n g s t ru c t u r e b a s e d o n c o m p l e t e s e t o f n e t w o r k w a y s e t ，a n d a d j u s t s p o w e r c o m mu n i c a t i o n n e t w o r k s t r u c t u r e i n a p p l i c a t i o n t o s t ruc t u r e i m p o a n c e ， w h i c h p r o v i d e s a g u i d e l i n e f o r t h e e v a l u a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f p o we r c o mmu n i c a t i o n n e t wo r k s t ru c t u r e Ke y wo r d s ：p o we r c o mmu n i c a t i o n n e t wo r k； n e t wo r k s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n； ma t h e ma t i c a l mo d e l ； s t ruc t u r e i mp o rta n c e 1引言 电力通信网同电力系统的安全稳定控制系 统 、调度 自动化系统被人们合称为 电力系统安全 稳定运 行 的三 大支柱 ，更是确 保 电网安全 、稳 定 、经济运行的重要手段 。近年来 随着传输工程 建设 的快速发展 ，传输 网络规模不断扩大 ，这对 传输网的网络承载量、效率和稳定性提出了新的 要求。因此，网络结构的可靠性和网络结构的合 理性就显得尤为重要。 本文主要通过对供电局的传输网络结构现状 进行分析，从电力通信网络的合理性与可靠性角 度出发 ，找出网络结构 的不足 ，并建立网络结构 优化模 型 ，应 用结构 重要度对 网络节 点进行 调 整，从而确定网络结构合理而又可靠的优化方案。 2问题描述及建模思路 2 1 问题描述 电力通信网与其他公用通信 网及其他专 网相 比有 以下特点 ：要求有较高的可靠性n 和灵活性 ； 传输信息量少、种类复杂、实时性强；具有很大 的耐 “ 冲击”性；网络结构复杂；通信范围点多 面广 ；无人值守的机房居多 。根据电力通信网的 特性 ，网络 的安 全性显得 尤 为重要 。因此 ，对 S D H传输网络结构优化的总体 目标是：简化网络 结构，提高运行、维护效率，加强网络的合理性 和可靠性。从网络结构上看，电力通信网络还存 在以下缺陷：( 1 )部分节点仍旧是链状结构，部 分接人环下挂在同一节点设备上，使得网络安全 性得不到很好的保障；( 2 )网络结构复杂 ，例 收稿 日期 ：2 0 1 1 1 1 0 4 二二 二 工 与开发 图1 建模思路 如 ：接人环的环路区分不是很 明显 ，且 出现跨 汇 聚环的现象 ；( 3 )光 口资源利用不合理 ；( 4 )网 络保护方式欠妥 ；( 5 )部分环路上的节点重要单 板没有保护 ，一旦单板 出现问题将导致该节点业 务 中断 。因此 ，如何对 现有 的 网络结 构进行 调 整，如何制定网络节点调整的次序，达到使网络 结构简单 、 业务承载量合理、网络结构可靠性高的 目的，是本文研究 的重点。建模思路如图 1 所示。 2 2建模思路 电力 通信 网络接 入层 节点数 量多 ，结构 复 杂 ，因此接入层 的网络结构优化显得 十分重要 。 接人层的优化主要从网络的合理性和可靠性两方 面来考虑。网络结构优化模型思路如下 。 ( 1 )电力通信 网络结构合理性评估与结构可 靠性评估。目前，评价电力通信网络合理性的指标 主要有光路资源使用情况、光 口资源使用情况及组 网复杂度等 ，评价电力通信网络可靠性指标主要有 节点成环率 、节点双归上联率及节点设备重要单板 备份率等指标。通过对各个指标进行计算并评估， 可以确定网络结构调整的方向。 ( 2 )电力通信 网络结构调整方案。为使 网络 结构合理、可靠性高，需要对电力通信网络结构 进行调整 ，调整步骤如下 ：1 )计算各个节点的结 构重要度；2 )依据网络结构合理性指标确定要调 整的线路；3 )依据可靠性指标，优先调整重要度 高的节点，使之有较高的可靠性；4 )重复以上三 个步骤 ，使得 网络结构达到最优。 3 模型 建立 3 1 重要度计算模型构建 3 1 1 基本假设与符号说明 ( 1 )基本假设 1 )假设通信网络网元节点结 构重要度仅与在网络中的位置有 关 ； 2 )假设通信网络中的链路与 节点的状态唯一 ( 取值有效与失 效之一 ) ，其是否失效相互独立 ； 3 )假设通信 网络链路中的通 路工作情况完全相同 ，并且通道 都是双 向的； 4 )假设链路与节点的寿命分 布均服从负指数分布 ； 5 )假设整个通信网络拓扑结构不发生变化。 ( 2 )符号说明 G：G表示 电力通信网络中由若干条链 路和 网元节 点组成 的无 向图 ； P S D ： G的路集完备 集 ；K、 k：K为电力通信网络控制网元节点集 合，k 为网元节点个数；S ：状态变量 ，表示网 络 中编号为 的元件 的工作状态( 1 表示正 常工 作 ，0 表示非正常工作 ) ； S 除元件 i 外 ，其他 元件工作状态行向量； ( S 一 ) ：某部件i 正常 时通信网络的工作状态； ( ，S ) ：某部件i 失 效时通信网络的工作状态；I s ：网络中第 个 部 件的结构重要度 J ，当 i 只表示网元节点或 网络链 路的状态时 ， 表示该网元节点或网络链路的结 构重要度 】 ；P ：表示k 一 端路集；I P 1 为I P I 的长度，即I P 1 中有效变量的个数 。 3 1 2 结构重要度模型建立 假设 s 表示第 i 个 网络部件的工作 状态 ，那 么网络状态可用 向量 S= ， ， S ， ， 表示 ，用 表示 网络的工作状态，考虑计算方便 ，定义： 5 = 0 i辜 瑟 妻 ， 一 l ， 表 示 第 个 网 络 部 件 失 效 。 = 簇 ( 1 ) ( 2 ) 假设网络中的部件有n 个 ，每个部件有正常 和失效两种状态 ，则整个 网络共有 2 “ 个状态 ，网 络部件 i 的结构重要度是当第 i 个部件 的工作状态 由正 常转变为失 效 时 ( 其他部 件 的状态保 持不 变) ，网络节点或链路由正常转变为失效的状态数 与其余 n 部件的状态数的比，结构重要度越高 ， 研究与 说明该部件失效后影响的部件越多，部件i 的结构 重要度可表示为 ： ， ， 、 = (2 ) l ( ( S ) ) 一 ( ( ) ) l， 2 2 。 1i n ( 3 ) 其 中 S 一 = I S 。 ，S ： ， ，S ，S ， S ， ( ，S 一 ) 和 ( ( ， S 一 ) ) 分别表 示第 个部件的状 态为正常时， 2 一。 其他的部件状态为 5 一 时的网络的作状态和网络正 常工作状态数 ， ( ， s ) 表示第 i 个部件失效时， 其 他的 部 件状 态， ( ( 云 一 ) ) 表 示 第 个部 件 失 2 效时网络工作 的状态 ，考虑到网络部件的状态组 合共有 2 啼 ，计算网络状态是一个 N P问题 ，可以 使用基于路集完备集求解方法，假设 P S D是k 一 端 路集5 1组成的互不相交集合，若可靠度 Q( t ) 为路 集 的概率和，即： Q( t ) = P r P P Ps D ( 4) 则称集合P S D为图G 不相交的 一 端路集完备 集 ，简称 G 的路集完备集 ，若P S D是 G 的路集完 备集 ，则可推算知部件 i 的结构重要度 的计算公 式如下 ： = ( 2 - IP 1) 一 (2 - IP 1) ，1 P EP S D， S E P k 1 E P S D， S P ( 5 ) 假设 G是路集完备集 ，可由公式 ( 5 )求解网 络的结构重要度 】 ，步骤如表 1 。 表 1 结构重要度算法步骤 步骤编号 算法 S O 进行矩阵变换， 得到变 量 一 端路集的表达式 根据网元节点可靠性的差异， 将s O 中 得到的 变量 一 端路集表达式转 换成以不见变量表 示的 一 端路集表达式， 得到最小路集完备集P S D s 2 P S D 中 每个 一 端路集P I计算其长 度IR l s 3 令任一 个节 点 的 结构重要度的 初值 为O 依次选取P S 3 中每个路集P t ， 若该路集包含变量s ，则 结构重要度 s 4 = + 2 。 。 ； 若该 路 集包 含 变量 ， 则I is = r 一 2 。 ； 否则 不变， P S D 中 所 有的 一 端 路 集 都 被 选 取 后 ， 则 为 节 点 i 的 结 构 重 要度 。 重 复 执 行s 3 、 S 4 ， 直 到 网 络 所 有 部 件 执 行 完 毕， 则 得 到 各 个 节 点 的 结 构 重 要 度 。 3 2网络结构评估模型 电力通信网络结构评估 主要包括网络覆盖完 备性评估、网络结构合理性评估和网络可靠性评 估。其具体指标体系及评价规则先归纳如表2 所 示 。 表 2 网络结构评 估指标 一 级指标 二级指标 规则 光 路 资 源 使 用 情 况 接 人 环 各 段落 光 路资 源占 用 大 体 相同 光口 资源使用情况 对环路上业务 做保护 网 络合理性 一个方向 不同 节点应尽量连在不同 的光板上 网 络 结 构 的 清 晰 组 网 复 杂 度 一 个节 点所属的 环数不宜多 节点成环率 越大网络可靠 性越强 网 络可靠性 节点双归上联率 越大网络可靠 性越强 节点设备重要单板备份率 越高，网络 单点故障的 几率就越小 4实例分 析 电力通信网络接人层节点数量多 ，结构复 杂 ，因此 接入层 网 的网络结构 优化显 得十分 重 要 。针对现 网接入层情况 ，利用本文建立 的优化 模型，对中兴网的部分网络进行建模优化。 图2 部分网络结构现网图 ( 1 )网络诊断 主要从网络光路资源 、光 口资源及 网络结构 复杂度对 网络进行诊断 。如 图3 所示 ，各光缆段 落通道资源分布明显不合理，以 “ 象山一博岗一 L _ _ _ _ 一 -_ j L_ _ _ 一j 与开发 帝堂 一万安 一和平 一凤凰 一福永 一平 安环 ”为 例，象山一 博岗一帝堂一万安段三段光路占用整 个环路光路资源的 1 6 ，万安 一和平 一 凤凰 一福 永段三段光路 占用整个环路光路 资源的 2 6 ，而 福永 一平安段仅一端光路就 占用 了整个环路光路 资源的 1 2 。福永 一 平安段消耗掉的环路光路资 源远比其他光路段落快得多，当业务量增加时 ， 因这个段落光路资源消耗得比其他段落快，就容 易形成达到环路满负荷，形成光路资源利用瓶 颈，造成整个环路资源的浪费。其次，光口资源 的使用不合理。万安节点 的第二块光 口板分别接 同富及和平节点，福永节点的第六块光口板分别 接凤凰及平安节点 ，当这块光板失效时 ，节点业 务将中断；万丰 、永安 、同富 、福源 四个节点 的 东西方 向都是同一块光板上 的光 口，当这块光板 失效时 ，不管做了什么保护 ，相应节点的业务都 将全部 中断。第三 ，组 网结构复杂 。图中的这三 个接人环中万安节点跨接两个接人环 ，福永节点 跨接三个接人环，使得节点的归属不明确。环路 的理论数量越多，则配置保护数据时则越容易出 错 。 依据公式 ( 5 )计算网络节点重要度 ，对网络 进行调整 ，使得接入环各段光路资源占用应大体 相 同，并且 网络中的节点不交叉 。调整结果如 图 3 所示 图3 网络结构优化图 ( 2 )网络评估 调整后 网络节点不交叉 ，结构清晰 各段光路资源 占用大体相同 ，避免了单 路资源形成瓶颈的想象 ，从而可 以充分 入环 的光路资源。通过计算节点重要度 虑在重要度高的节点上增加光板 ，从 而 的可靠性 。 5结语 本文主要针对电力通信网络结构现 析 ，建立了电力通信网络结构的评估模 结构重要度 的调整模型 。应用 网络结构 可以评估 整个 网络 ，确定 网络需 要调塞 通过调整模型使得网络结构进一步优化 学模型，使得网络调整有了依据，为网 化提供了一套方法论。 参考文献 ： 1 金光 动态系统可靠性分析的新概念 J 大学学报 ，2 0 0 4 ，2 6( 2 ) ：1 0 0 1 0 5 2 陈勇，胡爱群，胡啸 通信 网中节点重要 法 J 通信学报，2 0 0 4 ，2 5( 8 ) ：1 2 9 1 3 陈勇，胡爱群，蔡天佑，等 通信网中链j 评价方法 J 电子学报，2 0 0 3 ，3 1( 4 ) ： 4 张本 宏 控制 系统 中 多模 冗余 与网络 D 合肥：合肥工业大学 5 周虹伯 ，郭建英 基于最小路集的系统可 法 J 传感器与微 系统，2 0 0 9( 0 8 ) ：2 q 6 T r a l d i l J _ C o mm e n t a r y o n ： R e l i a b i l i t y P o l y ： l i n k i mp o r t a n c e i n N e t w o r k s J I E E E R e l i a b i l i t y ，2 0 0 0 ，4 9 ( 3 ) ：5 1 - 5 8 第一作者简介：周婧，女，1 9 8 3 年生，湖北 士。研究领域：电力通信规划。 f 编