电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力信息物理系统优化数据传输方法，特别是涉及一种电力信息 物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法。
【背景技术】
[0002] 电力信息物理系统（CyberPhysicalSystem，CPS)是基于嵌入式设备的高效能 网络化智能信息系统，它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交 互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自主协调等方面的能力，是 时空多维异构的混杂自治系统；CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制 3C(Computation，Communication，Control)技术于一体的智能技术，具有实时、安全、可靠、 高性能等特点；相较于现有的实时嵌入式系统和网络控制系统，CPS关注资源的合理整合 利用与调度优化，能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，并提供相 应的网络信息服务，且更为灵活、智能、高效。
[0003] 电力CPS是将CPS技术引入智能电网，结合CPS系统体系架构，构造电力CPS体 系结构；电力CPS主要由大量的计算设备、数据采集设备和物理设备组成；这些设备又通过 2个大型网络互连；其中，各种信息设备通过通信网络相互连接，而各种物理设备则通过输 电、配电网络相互连接；电力CPS不同于常见电网控制体系的特点是：电力CPS具有远大于 智能电网的信息采集范围；电力CPS的通信网络是有线网络和无线网络的结合；电力CPS 中包括大量分布式计算设备；在电力CPS中，各种负荷设备和分布式电源也与控制中心联 网并可以由控制中心直接控制。
[0004] 随着电网不断发展，使得具有电力流、信息流和业务流高度融合的电力CPS的运 行和控制策略更加复杂，从电能协调控制到电力市场运营所需交互的大量业务流信息都需 要经电网通信网络进行传输，使得电网正常运行对通信网的依赖程度越来越高；电力CPS 的通信网络可由电力系统专用有线网络、一般有线网络和无线网络3个部分组成；电力系 统专用有线网络一般用于连接控制中心和系统中的传感/控制设备；由于电力系统对于分 析和控制的实时性要求很高，建立专用网络有助于降低通信延迟和提高信号传输可靠性； 有线网络可用于连接非关键设备如部分计算设备、备份数据镜像等；无线网络可用于连接 部分活动的设备如电动汽车等，也可用于连接系统中的无线传感设备；其中，无线通信网络 由于其本身具有成本低、可扩展性好等特点，尤其使得配用电终端设备通信更加方便从而 在电力CPS中广泛应用。
[0005] 电力CPS作为多层且层与层之间相互耦合的复杂互联系统，无线通信网络是其重 要组成部分，如何运用先进的无线通信技术是构建电力CPS的关键；且电力CPS具有大数 据量的结构化数据、非结构化数据，如何合理传输分配这些数据，充分利用无线通信网络有 限的网络带宽，避免链路瓶颈实现通信负载均衡成为无线通信网络在电力CPS中应用的关 键；合理分流流量，实现负载均衡是提升网络承载能力的有效方法；负载均衡是指将网络 中的业务流量建模成可调变量，将其按一定的规则进行分割，通过合理的路由算法并行传 递数据，实现网络资源的有效利用；而传统的单一路径算法，不能保证电力CPS无线通信网 络整体通信的路由可靠性和信息传递的时延性。
[0006] 等价多路径（EqualCostMulti-Path，ECMP)技术是当源、目的节点之间存在不 止一条最短路径时，能同时使用多条最短路径，并在多条路径之间合理分配网络负载；ECMP 为业务提供下一跳路由选择的等价多条最短路径，并将流量均衡分配于这些路径中，实现 负载均衡；如果使用传统的路由技术，发往该目的地址的数据包只能利用其中的一条链路， 其它链路处于备份状态或无效状态，并且在动态路由环境下相互的切换需要一定时间；等 价多路径路由协议可以在该网络环境下同时使用多条链路，不仅增加了传输带宽，并且可 以无时延无丢包地备份失效链路的数据传输；常用的求解ECMP问题的方法一般将ECMP路 由问题抽象为一个混合整数规划（MIP)数学模型等；在这些传统ECMP流量分担研宄中，基 于网络中全部路由节点都具备ECMP功能成为主体；然而，全网节点开通ECMP功能并非能达 到最优负载均衡，在实际电力CPS无线通信网络中，如果全部开通ECMP不仅会增加网络控 制信息开销，反而会增大区域负载，形成网络拥塞；因此，若将ECMP技术应用于电力CPS无 线通信网络中，需要更新传统ECMP模型及对应的相关负载均衡算法。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以用于电力CPS无线通信网络多约束 优化模型，针对该模型提出一种对应的动态配置ECMP最优负载均衡算法的电力CPS无线通 信网络等价多路径动态控制方法。
[0008] 电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，具有如下特点：针对电 力CPS无线通信网络建立多约束优化模型，模型在传统ECMP模型的基础上，结合电力CPS 无线通信网络结构特性，提出动态配置ECMP模型；模型将流入无线通信节点流量等于流出 节点流量作为业务守恒约束，无线信道带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最 小化为目标函数建立电力CPS无线通信网络多约束优化模型；在此模型的基础上提出动态 配置ECMP最优负载均衡算法（DECMP)，实现网络负载均衡，得到电力CPS无线通信网络最优 网络传输性能。
[0009] 本发明的电力CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，动态选择需开通ECMP节 点，实现电力CPS无线通信网络更优负载均衡；与设定所有节点都具备ECMP功能的传统模 型相比，本发明方法将减少网络内控制信息开销，减少特定区域的通信负载，使电力CPS无 线通信网络运行达到更优负载均衡。
[0010] 本发明针对电力CPS应用中业务不断增长，研宄无线网络流量分担和负载均衡， 形成电力信息物理融合系统CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，动态控制方法提出 一种动态选择开通ECMP算法DECMP;DECMP算法依据最大链路使用率max(%)和节点度匕判 定优先级，动态选择需开通ECMP节点；算法将流入节点流量等于流出节点流量作为业务守 恒约束，链路带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数，建立多约 束优化模型，采用动态选择贪婪算法求解，以获取最优网络传输性能；仿真结果表明DECMP 算法比已有基于链路繁忙趋势值（pathpotentialvalue，PPV)的等价多路径路由选择算 法有效降低最大链路使用率，消除网络局部拥塞隐患，并且减少传输延时和网络资源消耗， 提升网络传输性能。
[0011] 本发明的电力CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，包括如下几个阶段： (1)建立动态配置ECMP模型； 将电力CPS无线监测和信息采集终端设备抽象为节点，V= {vl，v2,…，vn};将可通信 的各设备间无线信道抽象为链路边集，E= {el，e2,…，en};则电力CPS系统数学建模为有 向赋权图G= (V，E)，其中每个节点（监测和信息采集终端设备）有唯一标识符，vi，i= 1，...，n为通信节点，具有信息采集和数据转发功能，V中各节点的有效传输距离X。相等， 贝1」已={6|〇(^，￥15)彡入(|，￥』，￥ 15￡￥};且相邻节点￥1￥1^共享同一无线介质，节点的信息 发射功率：
(1) 式中a为发射功率参数，依据实际网络节点发射模块类型决定。
[0012] 当A eF，M(v,)= 为网络节点Vi的状态向量，其中Eg $ v i的当前能量， 定义当Egi<a/A/时节点vi失效；kv节点度（vi的最大邻节点数），Sk为节点ECMP控制开关；
(2) 当义('4)￡￡，￥(￡,) = {0^)，1^?，1々,)}为链路4上量度函数集；(^(6):(带宽函 数）链路ei带宽上限；Me_(ei):(费用函数）经过链路&所消耗网络费用；y_(ei):(延 时函数）经过链路4所需最大延时。
[0013] 并且定义网络传输业务矩阵F= {fst|源目的节点对vs，\间的业务 量，vs，vtGV};则业务守恒约束和链路容