一种面向信息物理融合系统的通信网建模分析方法与流程

本发明属于电力信息物理融合系统建模分析技术领域，具体是涉及一种面向信息物理融合系统的通信网建模分析方法。

背景技术：

随着智能电网与能源互联网的发展，通信信息缓解对物理系统的影响问题将更加突出。智能电网本身定位就是一个运行在先进IT技术之上的新型电网，其传感器数量、信息网络规模和决策单元数量都大大增加，而能源互联网的发展进一步将多种能源系统与信息系统耦合在一起。可以说，现在电力系统的正常运行无时无刻不依赖于一个可靠的信息系统，由于这种依赖性，信息系统的失效也将显著影响物理系统的运行。

现有的电力系统建模、分析与控制方法是针对传统电力系统所发展起来的，其中并没有充分考虑电力信息系统的影响。由于智能电网中存在大量的传感设备，并高度依赖通信网络实现信息汇总，进而对系统进行优化控制，因此作为智能电网的重要组成部分，电力信息系统对电力系统本身的运行行为会有显著的影响。因此，研究面向信息物理融合系统的通信网建模与分析方法，对实现智能电网具有重要推动作用。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，为了研究通信信息系统对电力系统的影响，推动电力信息物理融合系统的整体建模，本发明提供一种面向信息物理融合系统的通信网建模分析方法，采用本发明的建模分析方法，可以对不同电力应用所对应的通信网络进行通信性能的分析而准确研究通信信息系统对电力系统的影响，为电力信息物理融合系统的整体建模与分析提供基础。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种面向信息物理融合系统的通信网建模分析方法，包括通信网建模阶段和通信网通信性能分析阶段；

所述通信网建模阶段包括以下步骤：

S11根据通信网通信状态对通信网节点和通信网支路进行建模：

通信网通信正常状态下：

设通信网节点和通信网支路为l_ij，l_ij的内存缓冲队列长度表示为Q_ij，l_ij的数据处理能力表示为C_ij，l_ij中信号流入的速度表示为V_ij，l_ij的通信性能表示为L_ij，设通信性能L_ij为多元组形式，多元组通信性能L_ij根据通信性能分析需求确定，设输出变量Y＝L_ij，输入变量u＝(C_ij,V_ij)^T，状态变量X＝Q_ij，则通信网节点和通信网支路模型表示为：

Y(t)＝A_k X’(t)+B_ku(t)

X’(t)＝C_kX(t)+D_ku(t)

上述A_k，B_k，C_k，D_k为常数，A_k，B_k，C_k，D_k值由通信协议和通信状态决定，其中K值由通信网通信状态决定，通信网通信正常状态下：取A_k为A₁，B_k为B₁，C_k为C₁，D_k为D₁；通信网拥塞状态下：取A_k为A₀，B_k为B₀，C_k为C₀，D_k为D₀，

通信网不同通信状态下通信网节点和通信网支路模型：

引入有穷自动机的建模方法对通信网节点和通信网支路建模，引入二元组其中S_k为离散状态集合，为离散状态转换函数，离散状态转换函数与系统状态变量X和约束条件α有关，由上述分析得到通信网节点和通信网支路的混杂系统模型表示为如下多元组：

上述公式中，S_k，A_k，B_k，C_k，D_k中K值由通信网通信状态决定，通信网通信正常状态下：取S_k为S₁，A_k为A₁，B_k为B₁，C_k为C₁，D_k为D₁；通信网拥塞状态下：取S_k为S₀，A_k为A₀，B_k为B₀，C_k为C₀，D_k为D₀；

S12对通信网进行建模：

设通信网包含n个通信节点，采用通信网邻接矩阵L来描述通信网，矩阵L的结构定义如下：

上述公式中L_ij中

当通信网节点i与通信网节点j之间无直接连接时，通信网支路l_ij的通信性能L_ij＝0；当通信网节点i与通信网节点j之间有直接连接时，通信网支路l_ij的通信性能L_ij不为0；

所述通信网通信性能分析阶段包括以下步骤：

S21首先针对上述步骤建立的通信网模型进行通信路径搜索步骤，获取通信路径；

S22采用通信性能分析功能分析计算所述步骤S21获取的通信路径的不同性能指标，得到通信性能分析结果；

S23将所述通信性能分析结果通过交互接口输出至电力信息物理融合系统的其他应用中。

进一步地，所述步骤S21中，具体是根据通信层不同路由协议搜索出通信路径或通过静态配置方式直接获取通信路径。

进一步地，所述通信性能分析包括通信延时分析、中断概率分析以及传输错误概率分析，则多元组通信性能L_ij＝(T_ij,P_Bij,P_Mij)^T，其中T_ij表示通信网节点和通信网支路的通信延时、P_Bij表示通信网节点和通信网支路的中断概率以及P_Mij表示通信网节点和通信网支路的传输错误概率。

进一步地，根据电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求对通信网节点和通信网支路的通信性能多元组L_ij进行扩展，具体是通过所述交互接口接收电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求。

有益效果：本发明与现有技术比较，本发明的优点是:

1、采用本发明的建模分析方法，可以对不同电力应用所对应的通信网络进行通信性能的分析而准确研究通信信息系统对电力系统的影响，为电力信息物理融合系统的整体建模与分析提供基础；

2、对于通信分析应用具备可扩展性，主要体现于不同应用分析与计算方法相对独立，对同一通信性能，可以根据需求建立不同的分析方法，如确定性延时值，或者延时的概率分布计算等；

3、对于交互接口具备可扩展性，主要体现为通信层应用的分析结果可以通过不同的交互接口，接入不同的地方。如可以接入安控主站，用于分析安控性能。也可以接入电力控制中心，应用于控制中心的应用分析。

附图说明

图1是本发明提出的通信网性能分析方法结构图。

图2是本发明实施例通信网结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提出了一种面向信息物理融合系统的通信网建模分析方法，包括通信网建模阶段和通信网通信性能分析阶段；通信网建模阶段包括通信网节点、通信网支路建模和通信网建模；通信网通信性能分析阶段包括依据建立的通信网模型，经过路径搜索，搜索到通信路径，采用通信性能分析功能对该通信路径通信网性能进行计算分析，并通过交互接口与通信网中其他应用实现数据互相连接，通信性能分析根据具体需求确定，例如，通信性能分析包括通信延时性能分析、通信中断概率分析和通信错误概率分析；

通信网节点和通信支路的建模：

通信网节点和通信网支路的建模主要用于描述该通信网节点和通信网支路的通信性能和该通信网节点和通信网支路的可监测的状态变量之间的关系，通信网节点和通信网支路均包括内存缓冲，进入通信网节点和通信网支路的数据包首先存储在该通信网节点和通信网支路的内存缓冲中等待处理和传输；注意：不同通信协议下，数据传输机制不同；即使在同一通信协议下，通信网在不同通信状态下(通信网不同通信状态包括通信网通信正常状态、通信网通信拥塞状态等)数据的传输机制也不相同，数据传输机制不相同，导致不同状态下通信网节点和通信网支路的状态空间描述不相同，因此，为了描述不同状态之间的通信网节点和通信网支路的状态空间，引入有穷自动机的建模方法，在描述该方法之前，首先对通信网通信正常状态下通信网节点和通信网支路的建模进行描述：

设在某一通信协议下，通信网通信正常状态下，对于通信网节点和通信网支路表示为l_ij，l_ij的内存缓冲队列长度表示为Q_ij，l_ij的数据处理能力表示为C_ij，l_ij中信号流入的速度表示为V_ij，l_ij的通信性能表示为L_ij，设通信性能L_ij为多元组形式，多元组通信性能L_ij根据通信性能分析需求确定，设输出变量Y＝L_ij，输入变量u＝(C_ij,V_ij)^T，状态变量X＝Q_ij，则通信网节点和通信网支路模型表示为：

Y(t)＝A_k X’(t)+B_ku(t)

X’(t)＝C_kX(t)+D_ku(t)

对于上述公式中A_k，B_k，C_k，D_k为常数，A_k，B_k，C_k，D_k值由通信协议和通信状态决定，其中K值由通信网通信状态决定，通信网通信正常状态下：取A_k为A₁，B_k为B₁，C_k为C₁，D_k为D₁；通信网拥塞状态下：取A_k为A₀，B_k为B₀，C_k为C₀，D_k为D₀，则在通信网通信正常状态下，通信网节点和通信网支路模型表示为：

Y(t)＝A₁X’(t)+B₁u(t)

X’(t)＝C₁X(t)+D₁u(t)

为了描述不同状态之间的通信网节点和通信网支路的状态空间，引入二元组其中S_k为离散状态集合，为离散状态转换函数，离散状态转换函数与系统状态变量X和约束条件α有关，由上述分析得到通信网节点和通信网支路的混杂系统模型表示为如下多元组：

上述公式中，S_k，A_k，B_k，C_k，D_k中K值由通信网通信状态决定，通信网通信正常状态下：取S_k为S₁，A_k为A₁，B_k为B₁，C_k为C₁，D_k为D₁；通信网拥塞状态下：取S_k为S₀，A_k为A₀，B_k为B₀，C_k为C₀，D_k为D₀；

通信网建模：

采用矩阵来描述通信网络的拓扑连接关系，设通信网包含n个通信节点，采用通信网邻接矩阵L来描述通信网，矩阵L的结构定义如下：

上述公式中L_ij中

当通信网节点i与通信网节点j之间无直接连接时，通信网支路l_ij的通信性能L_ij＝0；当通信网节点i与通信网节点j之间有直接连接时，通信网支路l_ij的通信性能L_ij不为0；

l_ij的通信性能表示为L_ij，设通信性能L_ij为多元组形式，多元组通信性能L_ij根据通信性能分析需求确定，设通信性能分析包括通信延时分析、中断概率分析以及传输错误概率分析，则多元组通信性能L_ij＝(T_ij,P_Bij,P_Mij)^T，其中T_ij表示通信网节点和通信网支路的通信延时、P_Bij表示通信网节点和通信网支路的中断概率以及P_Mij表示通信网节点和通信网支路的传输错误概率；

根据电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求对通信网节点和通信网支路的通信性能多元组L_ij进行扩展，具体是通过交互接口接收电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求，如误码率等，且新建立的模型不会对已有的模型产生影响；

通信网通信性能分析阶段：

采用上述步骤提出的建模方法进行通信网建模，根据通信网实时数据不断进行模型参数刷新而获得实时通信网模型；针对实时通信网模型，通过通信路径搜索功能获取通信路径，具体是根据通信层不同路由协议搜索出通信路径或通过静态配置方式直接获取通信路径，寻找通信路径为通信性能分析的基础应用；采用通信性能分析功能分析计算获取的通信路径的不同性能指标，得到通信性能分析结果，例如采用通信延时分析、中断概率分析以及传输错误概率分析功能进行通信分析；将通信性能分析结果通过交互接口输出至电力信息物理融合系统的其他应用中；

对于通信分析应用的可扩展性，主要体现于不同应用分析与计算方法相对独立，对同一通信性能，可以根据需求建立不同的分析方法，如确定性延时值，或者延时的概率分布计算等，对通信网模型中新加入的模型，也需要扩展相应的分析方法。

对交互接口的可扩展性主要体现为通信层应用的分析结果可以通过不同的交互接口，接入不同的地方。如可以接入安控主站，用于分析安控性能，也可以接入电力控制中心，应用于控制中心的应用分析；

本发明能够描述通信网络的通信性能并对其进行相关分析，可用于研究通信对电力系统的影响，为信息物理融合系统的分析提供基础。

如图1所示，根据通信网实时数据不断进行模型参数刷新而获得实时通信网模型，通过对实时通信网模型建立，通信性能分析应用、交互接口应用实现本发明方法；在通信网模型建立过程中采用通信网关联矩阵L来描述通信网，根据电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求对通信网节点和通信网支路的通信性能多元组L_ij进行扩展，具体是通过交互接口接收电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求，如误码率等，且新建立的模型不会对已有的模型产生影响；在通信性能分析应用中，需要对通信路径搜索得到通信路径，然后对通信路径进行通信延时分析、中断概率分析以及传输错误概率分析，另外还采用应用扩展区对应用分析进行扩展，对于通信分析应用的可扩展性，主要体现于不同应用分析与计算方法相对独立，对同一通信性能，可以根据需求建立不同的分析方法，如确定性延时值，或者延时的概率分布计算等，对通信网模型中新加入的模型，也需要扩展相应的分析方法；采用交互接口完成与通信网中其他应用的数据传输，交互接口的功能为将通信性能分析的结果通过交互接口输出至电力信息物理融合系统的其他应用，或者通过数据交互接口接收来自电力信息物理融合系统的其他应用的通信性能分析需求，接口扩展区主要体现为通信层应用的分析结果可以通过不同的交互接口，接入不同的地方。如可以接入安控主站，用于分析安控性能，也可以接入电力控制中心，应用于控制中心的应用分析。

实施例：

参照图2，以安全稳定控制SDH通信网为例，来说明本发明具体的实施方式。在SDH 11和SDH 21节点分别连接的是安控子站和执行站装置，子站和执行站的通过点到点光纤通信方式进行通信；为了方便说明本发明使用方法，此处仅采用最简单的通信网节点和支路模型分析通信通道故障率。

在通信网正常状态下，通信网节点和通信网支路建模，并对通信网节点和通信网支路的通信通道故障率进行分析，通信网节点和通信网支路的通信通道故障率用常数表示：

通信网建模，当通信网节点i与通信网节点j之间无直接连接时，通信网支路l_ij的通信性能L_ij＝0；当通信网节点i与通信网节点j之间有直接连接时，通信网支路l_ij的通信性能L_ij＝P_i-j；

可以得到通信网邻接矩阵L_ij如下所示：

通信网性能分析：

首先进行通信路径搜索，由于安控业务采用点对点的通信方式，其路由静态配置，其主路径为11-2-3-21，备用路径为11-6-5-4-3-21；

通信通道中断概率分析：

P_m＝1-P₁₁*P_11-2*P₂*P_2-3*P₃

P_b＝1-P₁₁*P_11-6*P₆*P_6-5*P₅*P_5-4*P₄*P_4-3

P_v＝P_m*P_b

P_v3-21＝1-P_3-21*P₂₁

P_11-21＝P_v+P_v3-21-(P_v*P_v3-21)

其中，P_m为主路径(11-2-3)的中断概率，P_b为备用路径(11-6-5-4-3)的中断概率，P_v为节点11到节点3通信的中断概率，P_v3-21为链路3-21的中断概率，P_11-21为节点11和节点21进行通信的中断概率；

最后将中断概率分析结果通过交互接口输出，供后续的分析使用。

在本实施例中，仅考虑了通信中断概率分析，也可以扩展通信延时等的建模和分析方法，并且扩展后对原来的分析应用没有影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。