一种用于电力通信网故障检测的数量优化的探针部署方法与流程

本发明涉及一种用于电力通信网故障检测的数量优化的探针部署方法，属于电力网络故障检测方法领域。

背景技术：

电网智能化已经成为国际趋势，智能电网是一个现代化电力系统网络设施，通过自动化控制和现代通信技术，能够提高电力和数据传输的效率、可靠性和安全性。保障输电线路的可靠性一直是智能电网领域近来研究的热点问题，它对于电网的安全稳定的运行具有重要意义，其中，故障诊断是智能电网的重中之重。由于技术的进步，性能关键应用程序开发的进步，对服务质量的重视以及大型和复杂系统的增长，可以快速检测和隔离系统可靠性和可访问性所必需的故障。网络监控产生需要处理和诊断的巨大信息，以检测和本地化故障。该信息由监控工具或网络实体本身(以报警的形式)生成。故障管理系统广泛部署两种监控：(1)主动监控主动发送探针收集性能数据；(2)被动监控依靠网络设备发送报警。

开发基于探针的故障检测解决方案涉及两个主要问题即探测点选择和探头集合选择。探测点选择问题解决了在探测点应放置的受管网络中选择最小节点子集的问题，从而可以通过探测实现所需的诊断能力。对故障检测和故障定位的探针集合的选择要施加不同的标准。用于故障检测需要选择探针集合，以便探测被管理网络中的所有元素。另一方面，故障定位需要可以唯一地诊断可疑的网络元件故障的最小探针集。用于故障检测的探针定期发送故障数据，因此产生的管理流量应足够低，不会影响其他应用的性能，此外，故障定位的探针集合选择的时间限制比故障检测的限制严格。故障定位仅在遇到某些问题时进行，因此，故障定位应选择那些使得故障定位可以以最小的时间量完成，同时在识别的问题区域中的网络不被管理流量所压倒的探针集合。

为了解现有技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

技术方案1：专利号为cn105187273a的《一种用于电力通信专网业务监测的探针部署方法和装置》专利，涉及一种用于电力通信专网业务监测的探针部署方法，主要通过三步完成：第一，为电力通信专网建模,形成其顶点具有权重的无向图。定义无向图g(v,e),使其满足任一节点的度均大于等于2，所述无向图的任一顶点为v,任一边为e，顶点v∈v表示网络节点,e∈e表示网络节点间的物理连接,deg(v)为该顶点的度；对网络节点赋予顶点权重w(v)；定义顶点v的邻接度l(v)为v的度数与v关联的所有顶点v,的度数之和。第二，获取无向图中的最小弱顶点覆盖集。基于通信节点的流守恒约束,选取所述无向图的具有最大拓扑势的顶点,即节点权重w(v)和节点邻接度数l(v)的乘积最大的顶点；标记所述乘积最大的顶点和该顶点相关联的边,并标记与该顶点关联的所有顶点v,,以及与顶点v,,相关联的边；检查图中未标记的顶点,若某一顶点的deg(v)-1条相关联的边已被标记,则标记剩余相关联的边,则在该顶点未标记区域中选取具有最大拓扑势的顶点；重复上述标记顶点与边、检查图中未标记的顶点的步骤,直到不能再标记新的边为止。第三，根据无向图的最小弱顶点覆盖集确定探针的部署容量,并基于顶点权重确定探针的部署优先级。探针的部署容量为无向图g(v,e)的最小顶点覆盖集中标记的顶点总数为探针容量。

技术方案2：专利号为cn103298011a的《配电网线路故障在线监测定位系统及通讯方法》专利，涉及一种依赖于无线自组网络的配电网线路故障在线监测定位系统和通讯方法，主要通过六步完成：第一，节点上电初始化：所有节点在上电或复位之后，自动获取其关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并且产生短地址；同时，节点进入游离扫描阶段，在16个信道组的第一频道中依次扫描接收，同时每隔一个时间周期在上述频道中发出主动入网申请；第二，开始组网：在监测主站发出组网命令之后，中心节点进入组网状态，发出组网信标开始组网；第三，邻居发现和场强测量：中心节点组网时，构造mac层信标负载内容后，然后启动mac层在起始时隙发送一个信标帧，传感节点扫描规定信道组时，在接收到一个网络的信标帧时，将发送信标帧的源节点的panid、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息；然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果已转发过，则终止本次处理；如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断层数和圈数是否大于最大值，如果均不大于，则调用mac层信标发送服务在指定的时隙或圈数发送出信标帧；中心节点在发出组网信标帧之后，也侦听本信道组，如果接收到传感节点转发的信标帧后，也将发送源节点的信息添加进邻居表并记录接收到的场强信息；第四，场强收集：中心节点在发出组网信标帧之后等待整个网络的信标转发完成后，开始收集传感节点的场强表信息；中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内1级传感节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到1级传感节点的“搜索场强信息回复命令”后，将1级传感节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表；在收集完所有1级传感节点的场强信息后，再以1级传感节点为中继节点，继续收集2级传感节点的场强信息表；以此类推，中心节点逐级收集所有传感节点的场强信息，直到电能表档案中所有电能表对应传感节点全部收集完毕，或者已经没有能够中继到达的传感节点为止；第五，路由规划及配置：中心节点在收集完所有的能够搜集到的传感节点的场强信息表之后，开始按照节点档案，依次对本中心节点所管理的传感节点进行配置，并且使之从半游离状态转换为在网工作状态，此功能通过发送配置传感节点请求命令并接收到配置传感节点回复命令来实现；配置传感节点请求命令中同时为传感节点配置了3条上行中继路径；第六，正常工作：中心节点在完成对传感节点的信息配置之后，即转入正常工作阶段；同时，传感节点在半游离状态中如果接收到中心节点的配置命令之后亦进入到正常的在网工作阶段，以完成正常的数据采集任务。

技术方案3：专利号为cn105871621a的《一种基于改进贪心策略的探针部署方法》专利，涉及一种基于改进贪心策略的探针部署方法，主要通过七步完成：第一，定义无向图的邻接矩阵a＝(aij)n×n和与邻接矩阵a完全相同的标记矩阵b＝(bij)n×n,以及顶点覆盖集s；第二，判断邻接矩阵的值，若邻接矩阵为0，则执行第七步，否则执行第三步；第三，选择度数最大的顶点,若唯一,将它加入顶点覆盖集s,记录顶点标号i并执行第五步,否则执行第四步；第四，在度数最大的顶点组内寻找是否有顶点存在度数为1的邻接点,若存在,将该度数最大顶点加入s,记录顶点标号i并执行第五步,否则在度数最大的顶点组随机选取一个加入s,记录顶点标号i并执行第五步；第五，操作邻接矩阵a,消除顶点i的相关边,即将a中第i行和第i列全置为0,执行第六步；第六，操作标记矩阵b,将b的第i行和第i列每个元素分别减去最初无向图定义的邻接矩阵a相同位置的对应元素,返回执行第二步；第七，将标记矩阵b与最初无向图定义的邻接矩阵a相加,若不存在行或列全为0,则算法结束,s即为所求；否则,将全为0的行或列号记录下来,此为冗余顶点标号,从s中删除,算法结束,删除冗余顶点的集合s即为所求。

但上述技术方案均存在一定缺陷：例如，技术方案1采用一种用于电力通信专网业务监测的探针部署方法，将电力通信专网建模成一个顶点具有权重的无向图；求解图中的最小顶点覆盖集；通过图的最小顶点覆盖集确定探针的部署容量,并基于节点权重给出探针的部署优先级。在主动监测的条件下,以最小化探针的部署代价和维护代价,减小了网络监测对电力通信业务的影响。还使用了一种用于电力通信专网业务监测的探针部署装置,其特征在于,所述装置包括:第一部署模块、第二部署模块和第三部署模块；其中,所述第一部署模块用于为电力通信专网建模,形成其顶点具有权重的无向图；所述第二部署模块获取无向图中的最小弱顶点覆盖集；所述第三部署模块用于根据无向图的最小弱顶点覆盖集确定探针的部署容量,并基于顶点权重确定探针的部署优先级。但是此方法缺陷在于应用局限性较大，不能投入使用在大规模电网监测中。技术方案2采用一种配电网线路故障在线监测定位系统，包括线路故障指示器、无线采集器、无线自组网络和监测主站，无线采集器与监测主站之间通过无线自组网络无线通讯连接，无线自组网络包括一个中心节点和多个传感节点，中心节点与传感节点之间、多个传感节点之间均为无线通讯连接。还使用了一种配电网线路故障可视化定位系统采用的通讯方法，其无线自组网络的组网方法包括：节点上电初始化，开始组网，邻居发现和场强测量，场强收集，路由规划及配置，正常工作。该方法能够快速组网，结构灵活，数据传输可靠、接收完整，无需运行费用，降低了运行成本，但是此方法缺陷在于过于局限，可能带来时延问题，不能投入使用在大规模电网监测中。技术方案3采用一种基于改进贪心策略的探针部署方法,将电力数据网探针部署问题抽象为无向图的最小顶点覆盖问题,在传统贪心策略的基础上,限定覆盖顶点选取方向且通过标记矩阵消除冗余顶点。仿真实验表明,本发明在不同复杂程度、不同规模的拓扑图上解决mvcp时,都能得到优于传统贪心策略的结果,并且在拓扑变得更加复杂时有着更好地优化效果。但是此方法缺陷在于只考虑到探针的部署，并没有考虑到探针部署的数量，有可能造成资源的浪费。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供了一种设计合理、探针集合小、降低部署成本的用于电力通信网故障检测的数量优化的探针部署方法。其目的在于减少将用于故障定位的探针集合大小，通过这种方式选择的探测点可以降低部署成本，有助于生成更小的故障定位探头，从而降低总体运行成本，是一种最小探测点选择的新方法，最后利用贪心搜索算法进行验证。

本发明采用如下技术方案：

一种用于电力通信网故障检测的数量优化的探针部署方法，其采用如下步骤：

步骤1、从电力通信网中利用psr算法选择合适的位置部署探测点；

步骤2、利用贪婪搜索算法对步骤1中所述探测点进行探针集合进行优化；

步骤3、获取故障检测的最小探针子集以及需要部署的探针数。

进一步的，所述步骤1中利用psr算法选择合适的位置部署探测点的具体方法如下：

通过无向图g(v，e)对网络建模，其中图形节点v表示网络节点，边缘e表示连接节点的通信链路，使用pu,v表示探针从源节点u遍历到目的节点v的路径；

所述探测点的具体选择方法如下：

找到最小基数的集合使得每个源节点u∈{v-q}在q中具有来自节点的k个独立路径，使得探针集降低的psr算法步骤如下：

s1：最初所选的探测点组为空，所有节点属于未覆盖的节点集；选择一个具有生成树最大深度的节点；

s2：当仅选择一个探测点时，所选择的探测点的所有不是邻居的节点属于未覆盖节点的集合；不属于所选探测点组的所有节点都是下一个探测点选择的候选；对于每个候选探测点，所述psr算法确定如果候选者被选择为探测点，则未覆盖的节点集将如何改变；

s3：在所有候选探测点节点中，选择具有最小节点度并且产生最小的未覆盖节点组的节点作为下一个探测点节点；所述psr算法迭代地将新节点添加到探测点设置，直到达到所需的诊断k个故障容量；当没有未覆盖的节点或探测点设置大小达到最大限制时，所述psr算法终止。

进一步的，所述步骤s2中未覆盖的节点集包括：不是所选探测点邻居的节点和不具有来自所选探测点的k个唯一路径的节点。

进一步的，所述步骤2中通过贪婪搜索算法优化故障检测的探针集合的方法如下：

2-1、识别每个可用探针覆盖的节点集合以及覆盖网络中每个节点的探针集合；

2-2、在步骤2-1所述的节点集合和探针集合中找出覆盖最少探针数的节点和覆盖最大节点数的探针；

2-3、识别出npn集；

2-4、重复所述步骤2-1～步骤2-3，直至所有节点被覆盖，返回最小探针集合。进一步的，所述步骤2-3中识别出npn集即识别出非探测点，所述非探测点即没有被任何选定的探针探测的节点。

本发明的有益效果如下：

1、本发明解决了开发成本效益好的探测策略的问题，其中小型探针提供广泛的覆盖范围，用于检测和定位智能电网中的故障；

2、本发明提出算法来选择合适的位置来部署探测点，并返回最小探针集合，用于故障检测和定位。本发明选择的探测点可以降低部署成本，有助于生成更小的故障定位探头，从而降低总体运行成本。首先利用psr算法选择合适的位置部署探测点，然后利用贪婪搜索算法，返回故障检测的最小子集以及需要部署的探针数。该方法解决了开发成本效益好的探测策略的问题，其中小型探针提供广泛的覆盖范围，用于检测和定位智能电网中的故障。

附图说明

图1为本发明的整体方法流程图。

图2为本发明中k独立路径允许检测k个节点故障的示意图。

图3(a)-图3(d)为实施例中具有九个节点的示例网络拓扑结构图。

图4为本发明中贪婪搜索算法计算探针集合流程图。

图5为基于在平均度数为3的网络上使用psr算法选择的探测点获得的探针集大小的示意图。

图6为基于在平均度数为6的网络上使用psr算法选择的探测点获得的探针集大小的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明所述方法的原理如下：

本方法假设网络具有静态单路径路由模型，并且路由模型中没有循环，同时我们限制了可以诊断的最大节点故障数，在由k个故障组成的连接网络中，当且仅当存在每个非探测点节点的k个独立的探测路径时，一组探测点可以对任何k个非探测点节点故障进行本地化。

如图2所示，显示了从探测点1到节点5的3个独立(节点不相交)路径。即使两条路径中有故障，仍可以探测到节点5。最后该方法还假设探测点不需要容错。

本发明的整体方法流程图如图1所示，首先利用psr算法选择合适的位置部署探测点，然后利用贪婪搜索算法，返回故障检测的最小探针子集以及需要部署的探针数。

所述步骤1中利用psr算法选择合适的位置部署探测点的具体方法是：

通过无向图g(v，e)对网络建模，其中图形节点v表示网络节点(路由器，终端主机)和边缘e表示连接节点的通信链路，使用pu,v表示探针从源节点u遍历到目的节点v的路径。

探测点的选择：找到最小基数的集合使得每个节点u∈{v-q}在q中具有来自节点的k个独立路径，实现探针集降低的psr算法的步骤如下：

s1：最初所选的探测点组为空，所有节点属于未覆盖的节点集。选择最高程度的节点作为探测点可以从未覆盖的节点集中移除大量的节点。然而，从其生成树观察到，这样的探测点导致大量较短的探针。这导致了本地化故障所需的更大的探针集合大小。因此，本方法不选择最高度节点作为探测点；相反，本方法选择一个具有生成树最大深度的节点。生成树的更深的深度导致更长的探针，其涵盖了最大数量的节点，因此提供了用于故障检测的最小探针集合。

s2：当仅选择一个探测点时，所选择的探测点的所有不是邻居的节点属于未覆盖节点的集合。不属于所选探测点组的所有节点都是下一个探测点选择的候选。对于每个候选探测点，psr算法确定如果候选者被选择为探测点，则未覆盖的节点集将如何改变。这个未覆盖的节点集将包括

1)不是所选探测点邻居的节点，

2)不具有来自所选探测点的k个唯一路径的节点。

s3：在所有候选探测点节点中，选择具有最小节点度并且产生最小的未覆盖节点组的节点作为下一个探测点节点。psr算法迭代地将新节点添加到探测点设置，直到达到所需的诊断k故障容量。当没有未覆盖的节点或探测点设置大小达到最大限制时，psr算法终止。

如图3(a)-图3(d)所示，其给出了探测点选择算法如何选择探测点来检测网络中任何两个节点故障的示例。图3(a)示出了具有九个节点的示例网络拓扑结构，将所有节点视为未覆盖的节点。图3(b)示出了具有最小度的节点2，其被选择为第一探测点，从未覆盖的节点集合去除相邻节点3和4。图3(c)示出了节点9作为下一个所选择的探测点，即具有最大深度和最小未覆盖的节点集合，其从未覆盖的节点集中移除相邻节点6和8。节点1、5和7不是任何探测点的邻居，但如图3(d)所示，它们具有两个独立的探测点2和9的探测路径。

因此，节点1、5和7也从未覆盖的节点集中移除。因此，节点2和9处的探测点放置可以检测网络中的任何两个节点故障。

图3(a)所有节点均未覆盖的简单网络(b)具有最小度的节点作为第一探测点(c)基于最小度和最小的未覆盖节点集选择的第二探测点(d)从每个探测点的两个独立的路径。

探针集合选择的方法如下：

本次选择使用贪婪搜索算法，用于选择故障检测的探针集合。该方法在图3(a)所示的样本网络通过psr算法选择探测点的基础上应用贪心搜索算法计算探针集合。

故障检测的任务是找到探针集p的最小子集p′，如果存在任何(非空)f∈f，则有一些受f影响的探测p∈p′。这可以根据依赖矩阵来表示：

检测：给定dp,f，找到使得|p′|最小化|的p^*，其中p′∈p使得dp′,f的每列中至少有一个1。参考图3中的相同网络，故障检测需要从依赖矩阵中找到最小数量的行，使得每列具有至少一个1。在该示例中，这意味着通过每个节点的最小探针集合，使得无论哪个节点发生故障，都有一个探针可以检测到它。

通过贪婪搜索算法计算故障检测的探针集合流程图如图4所示，首先识别每个可用探针覆盖的节点集合以及覆盖网络中每个节点的探针集合，再此基础上找出覆盖最少探针数的节点和覆盖最大节点数的探针。再识别npn集，即非探测点，没有被任何选定的探针探测的节点。重复上述过程，直至所有节点被覆盖，返回最小探针集合。

本发明的技术关键点在于：

1、解决了开发成本效益好的探测策略的问题，其中小型探针提供广泛的覆盖范围，用于检测和定位智能电网中的故障；

2、提出算法来选择合适的位置来部署探测点，并返回最小探针集合，用于故障检测和定位。

本方法选择的探测点可以降低部署成本，有助于生成更小的故障定位探头，从而降低总体运行成本。首先利用psr算法选择合适的位置部署探测点，然后利用贪婪搜索算法，返回故障检测的最小子集以及需要部署的探针数。本方法解决了开发成本效益好的探测策略的问题，其中小型探针提供广泛的覆盖范围，用于检测和定位智能电网中的故障。

通过研究发现，探测点放置在选择故障定位的最佳探针集合中具有重要的作用。选择探测点时，考虑到故障定位的探针集合优化，不仅可以减少探测点的数量，还有助于减少故障定位探头的数量。在本方法中，提出一种增量选择提供适当位置来实例化探测点的节点的算法，该算法基于这样的概念：为了诊断网络中的k故障，探测点应该被放置成使得每个节点可以通过k个独立(节点不相交)路径进行探测。

下面结合实例说明：

本方法基于omnet++开发了用于探测点选择的仿真模型，测试该算法并捕获结果。通过psr算法获得了探测点选择的结果，在此基础上该方法进一步应用贪心搜索算法来计算探针集大小，使用10到50个节点之间的网络大小进行实验，实验结果如图5和图6所示。

综合探测点和探针集合选择算法的实验结果表明，探测点选择在识别最小探针集合中起关键作用。

上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。