一种电力系统的通信网络结构建立、优化方法与流程

本发明涉及一种电力系统的通信网络结构建立、优化方法。

背景技术：

电力信息通信作为供电企业重要的发展基础，是实现企业管理现代化和电网调度自动化的重要技术手段，承担着生产经营等多方面业务的信息传递与交换，尤其是电力通信机房作为电力信息通信网的核心节点应当加强管理，确保电力通信的可靠运行。

目前电力信息通信机房网络互联结构多采用环形或星形拓扑结构，采用基于SDH传输设备的多业务传输交换方式。随着电力需求的增长和电网规模的扩大，临近区域内往往布设多个独立的通信机房网络，缺少不同网络间的联动机制，难以满足未来智能电网互联互通、调控一体化的发展要求。

同时，现有技术虽然大量对网络通信进行鲁棒性优化的文献，但是兼顾鲁棒性及建设成本，且针对于电力信息通信机房网络特性的网络构建方法仍未出现。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了提供一种电力系统的通信网络结构建立、优化方法，本发明基于上述鲁棒性优化方法，在考虑建设成本的基础上，确定电力通信机房网络的实际拓扑连接结构，使其兼顾鲁棒性及建设成本，有助于满足未来智能电网互联互通、调控一体化的发展要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力系统的通信网络结构建立、优化方法，具体包括以下步骤：

(1)基于电力通信机房网络的拓扑结构，构建通信网络拓扑结构矩阵，计算通信网络的有效图阻抗特性并将其作为衡量网络鲁棒性的标准；

(2)优化单网鲁棒性：在各独立网络中采用最优化链接选择机制，计算成对机房节点间的有效阻抗值，筛选出网络中拥有最大有效阻抗值的尚未连接的节点对，并构建链路，对有效图阻抗特性进行改进；

(3)优化网间鲁棒性：在相邻网络间采用节点互联机制，分别使用随机几何图方法和相对邻居图方法确定网间矩阵，对有效图阻抗特性进行改进；

(4)计算分别使用随机几何图方法和相对邻居图方法确定网间矩阵时构建的新建链路的成本，选取成本投入小的方法形成的网络连接方式构建的网络结构。

所述步骤(1)中，确定临近区域内独立网络数量，基于各网络的拓扑结构，获得各网络内节点数量与链路数，利用图表示每个网络的拓扑结构，利用各网络内节点数量及链路数构建邻居矩阵以表征图中两两节点的连接关系。

所述步骤(1)中，计算邻居矩阵对应的拉普拉斯矩阵，在获得各个网络图的拉普拉斯矩阵计算对应矩阵的各个特征值，所述特征值的个数与节点数量相符。

所述步骤(1)中，各通信机房图的拉普拉斯矩阵标识网络内所有节点的连接特性，基于该矩阵的特征值计算各网络的有效图阻抗值，并用有效图阻抗值衡量网络鲁棒性，评价原则为有效阻抗值越小，相应的网络鲁棒性越强。

所述步骤(2)中，在各独立网络中采用最优化链接选择机制，计算成对机房节点间的有效阻抗值，在拥有最大阻抗值的节点间建立链路，进而计算更新后的各网络中节点间有效阻抗，改进有效图阻抗特性以优化单网鲁棒性。

所述步骤(3)中，在相邻网络间采用节点互联机制，选取区域内地理位置相邻的网络，两两构成互联网络，根据每个网络自身的邻居矩阵和网间矩阵，计算互联后的网络邻居矩阵。

所述步骤(3)中，通过随机几何图或相对邻居图算法确定网间矩阵。

进一步的，所述步骤(3)中，利用随机几何图方法确定网间矩阵，设定阈值，若位于不同网络中的节点距离小于该阈值时，认为两点地理位置相近，在两点间建立连接。

进一步的，所述步骤(3)中，利用相对邻居图方法确定网间矩阵，分别以不同网络中的两个节点为圆心，以两点距离为半径分别作圆，若两圆重叠区域内无其他节点时，认为两点地理位置相近，在两点间建立连接。

所述步骤(4)中，成本投入量为单位链路成本、平均链路长度和新建链路数量的乘积。

本发明的有益效果为：

(1)利用网络的有效图阻抗特性作为网络鲁棒性的评价标准，计算量小、计算过程简单；

(2)通过连接拥有最大有效阻抗值的节点有效地减小独立网络的有效图阻抗值，进而改善了区域内各网络的鲁棒性；

(3)利用随机几何图和相对邻居图两种方法，通过不同网络间节点的连接一方面增强了网间互联，同时由于新的连接介于地理位置较近的节点之间，也减小了链路建设开销；

(4)区分独立网络及相邻网络两种情况，分别采用网内最优化链接选择机制和网间节点互联机制实现并优化网内及网间的机房通信节点的互联，最终实现电力通信机房网络的互联互通，进而增强网络的整体鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图2是随机几何图节点连接机制示意图。

图3是相对邻居图节点连接机制示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种电力系统的通信网络结构建立、优化方法，包括以下步骤：

S1，基于电力通信机房网络的拓扑结构，获得网络拓扑结构矩阵，计算网络的有效图阻抗特性并将其作为衡量网络鲁棒性的标准。

设临近区域内独立网络数量为M，基于各网络的拓扑结构，获得各网络内节点数量N_k及链路数L_k，其中k∈(1,2,...,M)。以图G_k(N_k,L_k)表示第k个网络的拓扑结构，即第k个网络中包含N_k个机房节点和L_k条链路。以N_k×N_k的邻居矩阵A_k表示图G_k(N_k,L_k)中两两节点的连接关系，当两节点间存在链路时，其元素a_ij＝1，否则a_ij＝0，i,j∈(1,2,...,N_k)。显然A_k为对角线为0的对称阵。

计算A_k对应的拉普拉斯矩阵Q_k＝Δ-A_k，Δ为对角阵，即Δ＝diag(d_i)，其中d_i为主对角线元素，且在获得各个网络图的拉普拉斯矩阵Q_k后，计算对应矩阵的N_k个特征值μ_ki。

各通信机房图G_k(N_k,L_k)的拉普拉斯矩阵Q_k标识网络内所有节点的连接特性，基于该矩阵的特征值μ_ki计算各网络的有效图阻抗值并用该参数衡量网络鲁棒性，评价原则为有效阻抗值越小，相应的网络鲁棒性越强。

S2，在各独立网络中采用最优化链接选择机制，计算成对机房节点间的有效阻抗值，在拥有最大阻抗值的节点间建立链路，改进有效图阻抗特性以优化单网鲁棒性。

最优化链接选择机制基于有效阻抗原则，筛选出网络中拥有最大有效阻抗值的尚未连接的节点对。各网络中节点间有效阻抗值其中为拉普拉斯矩阵Q_k的Moore-Penrose广义逆矩阵。

通过连接拥有最大有效阻抗值的节点有效地减小独立网络的有效图阻抗值，进而改善了区域内各网络的鲁棒性。

S3，在相邻网络间采用节点互联机制，通过随机几何图和相对邻居图两种算法分别确定网间矩阵，改进有效图阻抗特性以优化网间鲁棒性。

选取区域内地理位置相邻的网络，以便两两构成互联网络。设两相邻网络对应的拓扑图分别为G_p(N_p,L_p)和G_q(N_q,L_q)，其邻居矩阵分别为和设网间矩阵为则互联之后的网络邻居矩阵显然通过算法确定网间矩阵B_pq后，相邻网络的邻居矩阵I随即确定。

确定网间矩阵的B_pq的算法包括随机几何图和相对邻居图两种方法。在随机几何图方法中，需设定阈值r，当位于不同网络中的节点距离小于该阈值时，认为两点地理位置相近，在两点间建立连接。在相对邻居图中，分别以不同网络中的两个节点为圆心，以两点距离为半径分别作圆，若两圆重叠区域内无其他节点时，认为两点地理位置相近，在两点间建立连接。从而确定了网间矩阵B_pq及相邻网络的邻居矩阵I。两种方法通过不同网络间节点的连接一方面增强了网间互联，同时由于新的连接介于地理位置较近的节点之间，也减小了链路建设开销。

S4，通过以上步骤获得两种覆盖全网的拓扑连接图，在实际布线中进一步综合链路成本因素，以便确定鲁棒性强且建设成本低的网络结构。

设单位链路建设成本为α，由随机几何图确定的新建链路数为l，链路平均长度为E_R，通过相对邻居图确定的新建链路数为m，链路平均长度为E_N，当链路成本αE_Rl＜αE_Nm时，选取随机几何图方法确定的网络连接，反之选取相对邻居图确定的网络连接。从而确定了兼顾鲁棒性及建设成本的网络结构。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。