一种面向QoS控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法与流程

本发明涉及电力信息通信领域，并且更具体地，涉及一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法。

背景技术

近年来，随着经济发展，建立低损耗、长距离、大容量的输电系统已成为我国电网发展的必然要求。特高压输电网除了能够满足长距离大范围的传输要求，还可以提高电网的安全性、经济性和配置资源能力，是建设智能电网和全球能源互联网的关键。由于特高压电网的建设以及电网规模的逐步扩大，传统的电力系统保护策略和保护方式已逐渐无法满足需要，为了实现对电力系统的有效保护，构建实时、智能系统保护已成为当前有效的保护方式之一。系统保护，是针对过渡期电网特性深刻变化，利用最新的信息通信和保护控制技术，在加强第一道防线、拓展第二道防线、衔接第三道防线的基础上，构建具有高可靠性、高安全性潜质的新一代大电网安全综合防御体系。为了实现这种智能的保护，需要建立一种高速、实时、安全、可靠的电力通信网络，以支撑交直流协控、抽蓄控制、精准切负荷、全景状态感知等系统保护功能，保障智能电网安全稳定运行，并为未来全球能源互联网的通信网构建提供一种可行的构建方案。

当前，系统保护业务的路径往往包括主用路径和备用路径，且一旦确定后就不再更改，以保证系统的稳定性。在规划是，保证系统保护的业务路径qos(qualityofservice服务质量)，是实现业务快速可靠的传输、提高通信资源利用率、降低系统保护通信网络风险的有效手段。在系统保护中，qos要求即需要控制主站和协控站通信设备均要满足“双路径、双设备、双电源”，也需要满足时延、站点等级，风险等要求，从而使得网络可以缩短故障恢复时间、提高业务的可靠性，减小网络故障的影响。如当主用路径出现故障时，可迅速将业务路径切换到备用，省去路径寻找过程，因而可以大大缩短业务恢复时间。因此，对业务路径的qos进行控制，进行主备双路径规划方法的研究，对于降低系统保护通信网的运行风险具有实际意义。

在特高压电网中，系统保护业务在实现高电压等级站点之间的通信时，由于传输距离过远，需要中途借道低电压等级站点进行迂回传输，从而产生了节点等级的交叉。一般电压等级越低，承载关键业务的风险也大，而目前现有的电力通信网路径研究很少有针对这种情况下的业务规划。因此，需要针对特高压的迂回风险等级，提出面向qos控制的保护业务路径规划方法，针对主/备用路径规划相交度尽可能小的路径，降低主/备用路径同时发生故障的可能性。

专利公开号为cn105306364a的《基于业务重要度的电力通信业务路径分配方法》专利，公开了一种基于业务重要度的电力通信业务路径分配方法。首先，对电力通信路径网络进行网络简化，设置源节点和目标节点，根据不同电路传输路径寻找k条路径，对每条路径设置对应的重要度，其中k≥1；然后根据电力通信路径网络可靠性分析模型得到逻辑映射矩阵g，以及阈值th，并根据逻辑映射矩阵g和阈值th，寻找完备集合cs和寻找联系集合ts；最后，利用业务节点风险度代替节点可靠性，同时利用业务路径风险度代替边可靠性，最终计算可靠性数值，从而获取电力通信路径网络最佳路径。

该技术方案基于业务重要度合理规划业务路径，将系统集中风险变为分散风险，对业务过度集中导致的风险防控具有重要意义。但该方法没有考虑节点设备和链路的权重。

专利公开号为cn104468355a的《一种基于电力通信交互影响的电力系统脆弱性的检测方法》专利，公开了一种基于电力通信交互影响的电力系统脆弱性的检测方法，该检测方法包括以下步骤：步骤10)：建立电力-通信复合系统关联矩阵；步骤20)：测算电力系统脆弱性，得到电力网络节点脆弱性指标和电力网络支路脆弱性指标；步骤30)：测算通信业务脆弱性，包括通信网络节点脆弱性指标和通信网络支路脆弱性指标；步骤40)：计算电力通信信息交互通道脆弱性；步骤50)：将步骤20)、步骤30)和步骤40)得到的脆弱性指标代入电力-通信复合系统关联矩阵，得到电力-通信复合系统脆弱性矩阵，并针对复合系统脆弱性数值进行从大到小的排序。该检测方法可以结合通信系统对电力系统的影响因素，更准确的检测电力系统的脆弱性。

该技术方案提供一种基于电力通信交互影响的电力系统脆弱性的检测方法，该检测方法可以结合通信系统对电力系统的影响因素，更准确地检测电力系统的脆弱性。但是该方法在通信网络的脆弱性评估并不是很全面。

专利公开号为cn101667972的《电力通信网络业务路径方法及设备》专利，公开了一种电力通信网络业务路径方法及装置，所述方法包括：a.根据网络优化目标生成目标优化函数；b.确定业务的起始节点，并将其作为当前节点；c.利用蚁群算法计算与当前节点相连的各条链路的转移概率，所述转移概率是根据当前各条链路上的信息素计算得到的；d.依据所述转移概率选择下一跳节点；e.判断选择的下一跳节点是否为所述业务的目的节点；如果是，则将选择的下一跳节点作为当前节点，并根据所述目标优化函数确定当前各条链路上的信息素，然后重复执行步骤c至步骤e；否则，根据业务的起始节点、以及选择的所有下一跳节点生成对应所述业务的路径。本发明可以保证电力通信网络中多业务路径的性能最优。

该技术方案提供一种电力通信网络业务路径方法及设备，满足电力通信网络的多业务路径并行计算，以保证工作路径的性能最优，但该路径选择方法未考虑电力通信网业务的时延特征，对于业务风险的考虑也不够完备。

专利公开号为cn103873363a的《一种电力光纤通信网业务的双路径配置方法》，公开了一种电力光纤通信网业务的双路径配置方法。该方法包括：依据实际工程，建立合理有效的电力光纤通信网业务传输模型；将业务按照重要度进行排序，并通过改进bhandari算法，配置两条完全不相交的路径。新算法根据实际情况处理双边网络图，且允许设定每条光缆的最大承载业务量。采用本发明的方法，能够满足所有应当配置两条完全分离路径的电力业务的需求，保证在断缆等故障情况下业务仍然安全可靠。

针对电力通信网业务给出的双路径配置方法，该方法考虑了业务重要度和光缆承载的业务量约束，能够满足所有应当配置两条完全分离路径的电力业务的需求和业务带宽需求。但是该方法仍然忽略了电力通信网业务的时延特征，对于业务风险的考虑也不够完备。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，结合特高压电网业务路径交叉的特点，提出了一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法。具体方案包括：

步骤一，对系统保护业务qos参数定义；

(1)对节点i和节点j之间的链路eij风险值定义为：节点vi的风险

值定义为：ri^v(t)＝pi^v(t)i(vi)；

pi^v(t)为节点i在t时刻的故障概率，pij^e(t)为链路eij在t时刻的故障概率，i(vi)为节点vi故障的严重程度，i(eij)分别和链路eij故障的严重程度；

(2)对网络风险的参数定义；

网络风险均值ard(t)的定义为：

网络风险均衡度obd(t)定义为：

其中为节点平均风险，为链路平均风险；

网络综合风险指标crd(t)定义为：

crd(t)＝α×ard(t)+β×obd(t)

α为网络风险均值，β为网络风险均衡度的权重；

(3)对主用路径和备用路径相似度的参数定义；

针对业务sk，主用路径和备用路径均为节点和链路的组合，定义主用路径和备用路径相似度，公式如下：

其中，sdk为业务类型为k的主用路径和备用路径的相似度，olk为主用路径和备用路径的链路重叠数目，lk为主用路径链路的总数目；

步骤二，面向qos控制的特高压电网业务路径规划问题建模；

针对节点和链路重要度的影响，以最小化网络综合风险值指标crd(t)的作为主用路径的优化目标，如下所示：

mincrd(t)

约束：对任意业务sk,

为业务sk的主用路径通信时延，为业务sk允许的最大通信时延，

针对备用路径，选取与主用路径相似度最低的备用路径；备用路径的目标函数如下所示：

约束：对任意业务sk,

其中，e为自然常数，为业务sk的备用路径通信时延；

步骤三、基于区分的主用路径和备用路径qos控制规划算法；

(1)在t时刻，针对需要规划业务路径的特高压站点，确定节点i和节点j间可用的不同电压等级站点构成的通信网络g＝(v,e)和所有业务集合s，进入(2)；

(2)如果业务集合s已经不包含任意一条业务，算法结束，如果包含业务进入步骤(3)；

(3)针对业务集合s中的第1条业务s1的起点va和终点vb，在g＝(v,e)中以时延为权重，利用dijsktra(迪杰斯特拉)算法计算出起点va和终点vb间的最短路径，如果最短路径时延小于则放入路径集合p1进入步骤(4)，否则输出第一条业务s1无法规划，将s1从集合s中删除，返回步骤(2)；

(4)针对第一条业务s1，令图g’＝g，累积变量x＝1，并在g’中按照节点编码顺序删掉除va和vb外的x个节点组成，形成个拓扑组成；并针对每个拓扑，使用以时延为权重，利用dijsktra算法计算出出va和vb间的最短路径，如果最短路径存在且时延小于则放入路径集合p1，令x＝x+1，重复步骤(4)，直至x＝n-2，进入步骤(5)；

(5)针对路径集合p1中的所有路径计算crd(t)值，并按照第一条件crd(t)和第二条件时延进行升序排序，选择其中的第1条路径作为s1的主用路径，并将其从p1中删除进入步骤(6)；

(6)针对p1中的每一条路径，计算上述路径和s1的主用路径的相似度，和在网络中叠加时的值；之后，按照第一条件和第二条件时延进行升序排序，选择其中的第1条满足sdk小于指定门限的路径作为s1的备用路径进入(7)；

(7)将s1的信息叠加于通信网络g，并将s1从集合s中删除，并返回步骤(2)

可选的，pi^v(t)节点i在t时刻的故障概率，

pij^e(t)链路eij在t时刻的故障概率，

其中ti^v(k)表示节点vi的第k次故障时长，ai^v(t)为节点vi截止到时刻t的投入运营总时间；tij^e(k)表示链路eij第k次故障时长，aij^e(t)为链路eij的截止到时刻t的投入运营总时间；

i(vi)为节点vi故障的严重程度i(vi)＝d(vi)np(vi)；

i(eij)分别和链路eij故障的严重程度i(eij)＝d(eij)np(eij)；

np(vi)为节点vi的压力指标、np(eij)为链路eij的压力指标，d(vi)为节点vi的重要度、d(eij)链路eij的重要度，

节点vi的压力指标np(vi)表示为：

为节点vi承载的业务类型为k的业务数量，表示节点vi上所承载的业务种类，zk为业务类型为k的业务重要度；

链路eij的压力指标np(eij)表示为：

为链路eij承载的业务类型为k的业务数量，表示链路eij上所承载的业务种类，zk为业务类型为k的业务重要度；

节点vi的重要度d(vi)表示为

n为特高压电网中所有的节点个数，wi为不同电压等级的归一化结果，b(vi)为点介数，不同电压站点等级的集合为l＝{l1,l2...lz}，li∈l为不同电压等级，采用min-max标准化方法对不同电压站点等级的节点vi进行归一化处理，如下式：

式中lmin和lmax分别为站点电压的最小值和最大值，

结合对链路eij重要度各影响指标的分析，可以定义链路重要度d(eij)为：

其中，m为网络中所有的链路个数，wi，wj为链路eij两端的电压归一化等级，b(eij)为边介数。

可选的，α和β的取值范围满足α+β＝1。

可选的，路径集合p1通过高复杂度的深度搜索确定。

可选的，业务种类包括继电保护、安稳控制、调度电话、调度数据网、行政电话、电视电话会议和信息数据网。

可选的，通信网络g＝(v,e)为可用的不同电压等级的特高压站点组成。

本发明在网络高风险或者故障后为业务路径重构提供参考，降低了网络整体运行风险。

附图说明

图1为本发明一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法流程图。

图2为本发明一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法基于区分的主备路径qos控制规划算法流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为本发明一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法流程图。

本发明提供了一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法，如图1所述具体方案包括：

101，对系统保护业务qos参数定义；为了满足特高压电网系统保护业务的需求，本发明将首先介绍节点和链路的风险定义；节点和链路作为电力通信网的组成部分，其稳定运行对其上承载的稳控等业务具有至关重要的作用，是分析网络整体风险的基础。其各自的风险指标包括故障概率及其发生故障后对网络的影响程度。

(1)对节点i和节点j之间的链路eij风险值定义：rij^e(t)＝pij^e(t)i(eij)；节点vi的风险值定义：ri^v(t)＝pi^v(t)i(vi)；即设备或者链路的正常运行时间和投入运行时间的比值；

pi^v(t)为节点i在t时刻的故障概率，pij^e(t)为链路eij在t时刻的故障概率，i(vi)为节点vi故障的严重程度，i(eij)分别和链路eij故障的严重程度；

pi^v(t)节点i在t时刻的故障概率，即设备的正常运行时间和投入运行时间的比值：

pij^e(t)为链路eij在t时刻的故障概率，即链路的正常运行时间和投入运行时间的比值：

其中ti^v(k)表示节点vi的第k次故障时长，ai^v(t)为节点vi截止到时刻t的投入运营总时间；tij^e(k)表示链路eij第k次故障时长，aij^e(t)为链路eij的截止到时刻t的投入运营总时间；

i(vi)为节点vi故障的严重程度i(vi)＝d(vi)np(vi)；

i(eij)分别和链路eij故障的严重程度i(eij)＝d(eij)np(eij)；

np(vi)为节点vi的压力指标、np(eij)为链路eij的压力指标，d(vi)为节点vi的重要度、d(eij)链路eij的重要度，

节点vi的压力指标np(vi)是指电力通信网中某一节点所承载的业务数量和重要度的综合体现，节点的压力值越大，其承载的业务越重要，数量越集中，其故障后对电网运行的影响越大，风险越高表示为：

在电力通信网中，各种业务对于电力系统的安全稳定运行的影响程度不同，对安全的需求也不同。业务重要度是评估电力通信业务对电网影响的重要评价指标，可以根据业务的种类进行量化。比如继电保护业务和安全稳定控制业务这两种业务，仅仅丢失了一个小流量业务，但却可能给电力系统带来巨大的问题。所以业务中断对影响电网的安全稳定运行影响越大，其业务重要度越高。本文参考文献中业务重要度值的设置，电力通信网中典型业务的业务重要度，如表1所示。

表1电力通信网业务重要度

为节点vi承载的业务类型为k的业务数量，表示节点vi上所承载的业务种类，zk为业务类型为k的业务重要度；

链路eij的压力指标np(eij)是指电力通信网中某一线缆所承载的业务数量和重要度的综合体现。链路的业务压力越大，其承载的业务越重要，数量越集中，其故障后对电网运行的影响越大，风险越高，表示为：

为链路eij承载的业务类型为k的业务数量，表示链路eij上所承载的业务种类，zk为业务类型为k的业务重要度；

节点vi的重要度d(vi)表示为

n为特高压电网中所有的节点个数，wi为不同电压等级的归一化结果，b(vi)为点介数，不同电压站点等级的集合为l＝{l1,l2...lz}，li∈l为不同电压等级，采用min-max标准化方法对不同电压站点等级的节点vi进行归一化处理，如下式：

式中lmin和lmax分别为站点电压的最小值和最大值，

结合对链路eij重要度各影响指标的分析，可以定义链路重要度d(eij)为：

其中，m为网络中所有的链路个数，wi，wj为链路eij两端的电压归一化等级，b(eij)为边介数，d(vi)和d(eij)分别为节点vi和链路eij的重要度，其与站点等级有关。

(2)对网络风险的参数定义；

网络总体风险水平由节点和链路两个部分构成，网络拓扑上所有节点和链路风险值的均值能反映网络整体风险程度。网络风险均值可以用来对任意规模网络的风险水平进行描述，风险均值越高说明网络的整体风险越高，本文提出在t时刻网络风险均值ard(t)的定义为：

此外，网络中业务风险分布的均衡程度能反映网络配置的相对合理性，风险均衡度的值越大，说明网络中的风险分布越不均衡，即风险过度集中，此时，若高风险的节点或链路发生故障，将会对网络中的业务带来重大影响。因此，需要尽可能的将业务风险均匀地分布到网络上，本文同时考虑节点及链路的风险均衡度来衡量网络在t时刻的整体运行风险obd(t)，其定义为：

其中为节点平均风险，为链路平均风险；

单一的风险均值或者风险均衡度无法完整的反映网络的风险度，因此，本文从综合考虑网络风险均值和网络风险均衡度这两个指标，提出网络综合风险指标crd(t)来评价网络在t时刻的整体运行风险情况，定义为：

crd(t)＝α×ard(t)+β×obd(t)

α为网络风险均值，β为网络风险均衡度的权重；其中，α和β的取值范围满足α+β＝1。

(3)对主用路径和备用路径相似度的参数定义；

在电力通信网中，双路径的配置是为了进一步地保障业务的可靠性。主用路径和备用路径分别为业务部署的时候，由管理人员设定的业务主要承载的通信节点和链路组合，以及备用的承载的通信节点和链路组合。当主用路径出现故障时，系统可迅速将业务切换到备用路径，提高业务应对突发事件的能力，保障网络安全可靠地运行。如果主、备双路径是不相似的或者近似不相似，上述优点可得到最大程度的体现。但主备路径可能会包含无法避开的节点和链路，我们尽量选择最大不相似的主、备路径。本文使用相似度来表示主、备路径的相互关系。相似度越大，主、备路径的公共元素就越多，其同时故障的可能性就越大，业务风险也就越大。主备路径的相似度由边相似度和节点相似度共同决定的。在实际情况中，链路故障的概率要大于节点故障概率，所以边的相似度对路径的风险影响更大，本发明只考虑链路的相似度，

针对业务sk，主用路径和备用路径均为节点和链路的组合，定义主用路径和备用路径相似度，公式如下：

其中，sdk为业务类型为k的主用路径和备用路径的相似度，olk为主用路径和备用路径的链路重叠数目，lk为主用路径链路的总数目；

102，面向qos控制的特高压电网业务路径规划问题建模；

当网络中的节点或链路中断后，受影响业务会及时切换到备用路径，导致局部节点或链路因承载大量业务导致风险值变高，对网络的运行状况造成影响。为了降低节点或链路中断所造成的影响，对网络拓扑上承载的业务路径进行优化，提出相应的优化策略。在分析节点和链路的中断影响时，

本发明针对节点和链路重要度的影响，以最小化网络综合风险值指标crd(t)的作为主用路径的优化目标，如下所示：

mincrd(t)

约束：对任意业务sk,

为业务sk的主用路径通信时延，为业务sk允许的最大通信时延，

针对备用路径，选取与主用路径相似度最低的备用路径；备用路径的目标函数如下所示：

约束：对任意业务sk,

其中，e为自然常数，为业务sk的备用路径通信时延；

103、基于区分的主用路径和备用路径qos控制规划算法；同时满足上述电力通信网业务主备路径规划的最小化为np难问题，普通最短路等算法无法在有限的时间内给出有效的规划方案。考虑到主、备业务路径规划目标不相同，先找到满足要求的主用路径，再寻找满足要求的备用路径，如图2所示，具体流程如下：

201，在t时刻，针对需要规划业务路径的特高压站点，确定节点i和节点j间可用的不同电压等级站点构成的通信网络g＝(v,e)和所有业务集合s，进入(2)，通信网络g＝(v,e)为可用的不同电压等级的特高压站点组成，业务种类包括继电保护、安稳控制、调度电话、调度数据网、行政电话、电视电话会议和信息数据网；

202，如果业务集合s已经不包含任意一条业务，算法进入208结束，如果包含业务进入步203；

203，针对业务集合s中的第1条业务s1的起点va和终点vb，在g＝(v,e)中以时延为权重，利用dijsktra(迪杰斯特拉)算法计算出起点va和终点vb间的最短路径，如果最短路径时延小于则放入路径集合p1进入204，否则输出第一条业务s1无法规划，将s1从集合s中删除，返回202，路径集合p1通过高复杂度的深度搜索确定；

204，针对第一条业务s1，令图g’＝g，累积变量x＝1，并在g’中按照节点编码顺序删掉除va和vb外的x个节点组成，形成个拓扑组成；并针对每个拓扑，使用以时延为权重，利用dijsktra算法计算出出va和vb间的最短路径，如果最短路径存在且时延小于则放入路径集合p1，令x＝x+1，重复204，直至x＝n-2，进入205；

205，针对路径集合p1中的所有路径计算crd(t)值，并按照第一条件crd(t)和第二条件时延进行升序排序，选择其中的第1条路径作为s1的主用路径，并将其从p1中删除进入206；

206，针对p1中的每一条路径，计算上述路径和s1的主用路径的相似度，和在网络中叠加时的值；之后，按照第一条件和第二条件时延进行升序排序，选择其中的第1条满足sdk小于指定门限的路径作为s1的备用路径进入207；

207将s1的信息叠加于通信网络g，并将s1从集合s中删除，并返回202。

本发明结合特高压电网业务通信路径承载交叉的特点，提出了一种面向qos控制的特高压电网系统保护业务路径规划方法。首先，兼顾业务特征构建节点和链路风险，并进一步提出了网络综合风险和相似度两个qos指标；进一步针对业务的主备路径，构建了风险最小化的模型。之后，针对模型提出了一种基于区分的主备路径qos控制规划算法，实现满足各种qos参数要求的独立的主备路径规划。