一种适用于电力需求响应业务的P圈保护方法与流程

本发明属于电力系统通信技术领域，具体涉及一种适用于电力需求响应业务的P圈保护方法。

背景技术：

为解决需求侧资源与电网的双向通信问题，自动需求响应联盟提出了开放式自动需求响应(Open Automated Demand Response，OpenADR)规约。OpenADR规约定义了需求响应通信网络中虚拟顶端节点(Virtual Top Node，VTN)和虚拟底端节点(Virtual End Node，VEN)的概念，其中VTN负责发布包括电价、辅助服务和电网可靠性等电网信息在内的需求响应信号给VEN；VEN可根据需求响应信号控制一系列资源和设备的电能需求。在需求响应通信网络中，某个节点既可以是VTN，也可以是VEN。OpenADR的通信交互在一个VTN和多个VEN之间进行。在实际通信主体中，VEN代表小型商业负荷或大型工业负荷，VTN/VEN代表负荷聚合商、服务聚合商或变电站，VTN代表需求响应自动化服务器(Demand Response Automated Server，DRAS)。VTN与VEN的通信链路构成了需求响应树，其通信结构图如附图1所示。

需求响应项目如紧急需求响应(Emergency Demand Response,EDR)、尖峰电价(Critical Peak Price,CPP)等需求响应信号的实时、可靠传输对区域配电通信网提出了更高的要求。自动需求响应要求从需求响应信号发出到设备响应所用时间不超过5s，一旦网络发生故障，导致预约的需求资源因未能接收到需求响应信号而无法及时响应，将使电网承受极大的安全压力。

P圈(Pre-configured Cycle，P-cycle)是一种高效的网络保护技术，其主要思想是在网孔型光网络中预先计算和配置一系列圈的连接，以保护一系列工作链路。P圈可以为圈上链路提供1条备用保护链路，为跨接链路提供2条备用保护链路。由于保护链路是预置的，P圈可以提供与环网保护类似的保护速度(50ms以内)，但其资源利用率比环网保护更高，可达到类似网状网的保护效率，使得网络中的冗余度下降到70％～50％。

电力通信网现有的1+1/1:1保护、区段保护及保护环仅适用于单故障线性保护，很难实现保护资源的复用，同时也不适用于多播保护。随着电力通信网逐步由环状网升级为网状网，这些传统的保护方式将无法适用于新的电力通信业务的保护。为了保护承载需求响应业务的多播树，并提高保护资源的利用率，有必要探索其他高效的保护方案在电力通信保护中的应用。

技术实现要素：

为了解决电力通信网保护资源利用率较低的问题，本发明提出了一种适用于电力需求响应业务的P圈保护方法，所述方法具体包括：

步骤1、输入网络拓扑信息，设定每条链路上的空闲容量，并将存放P圈的集合记为PC。根据业务多播请求，利用普里姆算法生成多播树T，分解T，得到对应的多播树链路集合E_T；

步骤2、对于多播树链路集合E_T中的每条链路，评价其重要度，并按照重要度由高到低的原则排列链路；

步骤3、判断网络中是否存在已配置的P圈，即PC集合是否为空，若PC不为空集，转步骤4，否则转步骤6；

步骤4、将链路集合E_T中被P圈保护的链路移除，判断E_T是否为空，若不为空，转步骤5，否则转步骤7；

步骤5、根据E_T中剩下的尚未被保护的链路，对PC集合中的P圈进行边扩张，使得扩张后的P圈能够保护相应的链路，然后从E_T中移除受到保护的链路。判断E_T是否为空，若不为空，转步骤6，否则转步骤7；

步骤6、用宽度优先搜索算法优先为链路集合E_T中重要度最高的链路搜索备选P圈，计算P圈的保护效率PE，选出具有最大PE值的P圈。若所选P圈的所有圈上链路上存在空闲容量，则将此P圈加入集合PC，同时对PC中的P圈进行合并，更新网络中的空闲容量和链路集合E_T；若选出的P圈对应圈上链路中一条或多条链路的空闲容量已经耗尽，则将此P圈对应的链路标记为保护失效，并从链路集合E_T中移除该链路，即阻塞该链路。转步骤4；

步骤7、输出网络中配置好的P圈集合PC，统计全网的资源使用情况，计算配置P圈数量、资源利用率和保护失效率。

所述步骤2中链路重要度α定义为：其中

这里n是多播请求中目的节点的数量，l_i代表第i个目的节点d_i到源节点s的路径，α是链路e在多播树T中的重要程度，0<α≤1。

所述步骤5中边扩张算法的具体步骤为：

步骤501、判断未被保护的链路a-b与待扩张的圈p的位置关系。若a-b与p链路分离，则记为情形1，转步骤502；若a-b与圈p仅有一个交点a，则则记为情形2，转步骤503；

步骤502、分别查询节点a，b到圈p的各个节点的链路的空闲容量，取空闲容量最大的链路l₁＝a-v作为扩张边，其中v是对应的圈p上的节点。以b-a-v取代链路b-a，并将链路b-a-v视为与圈p仅有一个交点v的链路；

步骤503、查询节点b到圈p上与交点a(情形1)或v(情形2)邻接的节点u，w的链路的空闲容量，取空闲容量最大的链路l₂＝b-u作为扩张边，其中u是对应的圈p上的节点。若为情形1，则以u-b-a取代圈p的链路u-a，并更新链路u-b和u-a上的空闲容量；若为情形2，则以u-b-a-v取代圈p的链路u-v，并更新链路u-b-a-v和u-v上的空闲容量。

所述步骤6中保护效率PE定义为：其中

这里p表示P圈，N表示圈p的圈上链路总数，c_i表示圈p的第i条圈上链路，M表示圈p的跨接链路总数，s_j表示圈p的第j条跨接链路，E_T表示多播树的链路集。

所述步骤6中圈合并算法的具体步骤为：

步骤601、记合并后的P圈集合为P_new。取出集合PC中序号为1的圈p₁和序号为i的圈p_i(i的初值为2)，求p₁与p_i的相同边集合S＝p₁∩p₂。若S中有一条相同边，满足合并条件，转步骤602；则若S为空或S中不止一条相同边，则不满足合并条件，转步骤603。

步骤602、将圈p₁与p_i合并为圈p_1,i，并从PC中删除圈p_i，再以圈p_1,i取代圈p₁。求PC中P圈的数量n，若n>2，令i＝2，转步骤601；否则转步骤604。

步骤603、判断圈p_i是否为PC中最末位的P圈，如果是，将圈p₁从PC集合中移存到集合P_new中，转步骤601；否则令i＝i+1，转步骤601。

步骤604将PC中仅剩的一个P圈移入集合P_new中，输出合并后的P圈集合P_new。

有益效果

本发明将具有环网的倒换速率和网状网的资源利用率的新型P圈保护方案应用于电力需求响应通信的多播链路保护中，根据多播请求生成最小距离多播树，并为每条多播链路的重要性给出定量描述。在空闲资源受限的情况下优先保护重要度最高的链路，避免了有限的空闲容量先保护了距根节点较远的链路，导致在保护距根节点较近的链路时无空闲容量可用的情况发生。同时利用宽度优先搜索算法为链路搜索P圈，此后针对特定的链路和满足合并条件的P圈，用边扩张和圈合并算法对已配置的P圈进行联合优化，不但可以减少所配P圈的数量，释放相同边上的空闲容量，减小保护失效的概率，而且扩张或合并后的P圈中还可能存在新的跨接链路，从而大大提升了整个网络保护容量的资源利用率。

附图说明

图1为本发明为多需求响应多播树配置P圈主流程图；

图2为计算多播树链路的重要度示意图；

图3为计算P圈对多播树T的保护效率PE的示意图；

图4为边扩张算法示意图；

图5为圈合并算法示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种适用于电力需求响应业务的P圈保护方法，以下结合附图，对本发明作详细说明。

图1是适用于P圈的电力需求响应通信链路保护方法流程图。具体包括：

步骤1、输入网络拓扑信息，设定每条链路上的空闲容量，并将存放P圈的集合记为PC。根据业务多播请求，利用普里姆算法生成多播树T，分解T，得到对应的多播树链路集合E_T。

步骤2、对于多播树链路集合E_T中的每条链路，评价其重要度，并按照重要度由高到低的原则排列链路。

步骤3、判断网络中是否存在已配置的P圈，即PC集合是否为空，若PC不为空集，转步骤4，否则转步骤6。

步骤4、将链路集合E_T中被P圈保护的链路移除，判断E_T是否为空，若不为空，转步骤5，否则转步骤7。

步骤5、根据E_T中剩下的尚未被保护的链路，对PC集合中的P圈进行边扩张，使得扩张后的P圈能够保护相应的链路，然后从E_T中移除受到保护的链路。判断E_T是否为空，若不为空，转步骤5，否则转步骤7。

步骤6、用宽度优先搜索算法优先为链路集合E_T中重要度最高的链路搜索备选P圈，计算P圈的保护效率PE，选出具有最大PE值的P圈。若所选P圈的所有圈上链路上存在空闲容量，则将此P圈加入集合PC，同时对PC中的P圈进行合并，更新网络中的空闲容量和链路集合E_T；若选出的P圈对应圈上链路中一条或多条链路的空闲容量已经耗尽，则将此P圈对应的链路标记为保护失效，并从链路集合E_T中移除该链路，即阻塞该链路。判断链路集合E_T是否为空，若不为空，转步骤4，否则转步骤6。

步骤7、输出网络中配置好的P圈集合PC，统计全网的资源使用情况，计算配置P圈数量、资源利用率和保护失效率。

图2是本发明中计算多播树链路的重要度示意图。

对于图2中的VTN—VEN多播树，一共有7条通信链路，底端VEN到顶端VTN共有n＝4条路径，以α_i,j表示节点i到节点j对应链路在多播树中的重要度，分别计算各链路的重要度如下：

α_1,2＝3/4，α_1,3＝1/4，α_2,4＝1/4，α_2,5＝2/4，α_3,6＝1/4，α_5,7＝1/4，α_5,8＝1/4。当两条及以上的链路具有相同重要度时，不区分相互的排列顺序。因此，按照链路重要度由高到低对各链路排列为①1-2、②2-5、③1-3、④3-6、⑤2-4、⑥5-7、⑦5-8。

图3是本发明中计算P圈对多播树T的保护效率PE的示意图。

对于图3中的p圈7-14-13-10-26-12-11-9-7(图中黑色虚线)与树T{1；3，4，5，6，8}(图中黑色粗线，其中节点1是源节点，节点3，4，5，6，8是目的节点)，P圈的链路总数为8；P圈的圈上链路中，属于树T的链路为{1-9，9-3，10-4，7-1}，共4条；P圈的跨接链路中，属于树T的链路为{1-10，10-5，10-6}，共3条。因此P圈对树T的保护效率为PE＝(4+3×2)/8＝1.25。

图4是本发明中边扩张算法的示意图。

边扩张算法通过扩张已配置的P圈以保护某些未被保护的链路。链路与P圈的位置关系有两种：(1)链路与P圈有一个交点；(2)链路与P圈分离。为了保证在P圈扩张后，受到扩张前P圈保护的链路集合不至于失去保护，要求在扩张节点和交点之间或两个扩张节点之间不能有节点。

在情形(1)中，P圈与链路a-b有交点a，先在P圈上搜索出a的邻居节点u和v，再查询链路b-u、b-v上的空闲容量，最终选取空闲容量最大的链路作为扩张边。每次边扩张时优先选择了空闲容量最多的链路作为扩张链路，可以平衡地使用整个网络的空闲容量，能够有效避免在生成P圈后因某条链路空闲容量不足而使得该P圈不可用的情况，进而减小保护失效的概率。

如选择u-b为扩张边，且u-b存在可用的空闲容量，则在原P圈中以u-b-a取代b-a，得到扩张后的P圈。若b只与u，v中的一点邻接，则直接将b-u选为扩张边。若b与u，v均不邻接，则此P圈扩张失败，尝试对下一个P圈进行扩张。当PC集合中的P圈均不能针对链路a-b进行扩张时，则用宽度优先搜索算法为a-b计算新的P圈。

情形(2)与情形(1)有所不同。情形(2)需要确定两个扩张节点。为此，先分别查询节点a，b到P圈各节点的链路的空闲容量，再选择空闲容量最大的链路为扩张边，例如此处选取a-v为扩张边，将连路段b-a-v视为b-v,此后情形2转化为情形(1)，可用情形(1)中的扩张算法确定另一条扩张边。若节点a，b与此P圈的节点均不邻接，则考虑下一个P圈。若PC集合中的P圈均无法扩张，则通过宽度优先搜索算法为a-b计算新的P圈。

情形(1)中，扩张P圈消耗了1个单位的空闲容量，同时保护了一个单位的空闲容量，也即保护效率PE计算公式中，分子和分母同时增加1，扩张后P圈的PE值是增大的。情形(2)中，扩张P圈消耗了2个单位的空闲容量,虽然只保护了1个单位的空闲容量,但引入了两个新的节点，使得产生新跨接链路的概率大为增加，因此扩张后PE值会增大，最坏情况下(没有产生新跨接链路)PE也只是略有下降。

图5是本发明中圈合并算法的示意图。

图5中，圈p₁为1-2-6-7-8-1，圈p₂为2-3-4-5-6-2-6，p₁与p₂有且仅有一条共同边2-6，即p₁与p₂互为对偶圈，满足合并条件。合并后的圈p为1-2-3-4-5-6-7-8-1。合并后，链路2-6占用的2个单位的空闲容量得到释放，这些空闲容量可以在配置新的P圈时得到利用；此外，若网络中存在p₁上的节点与p₂上的节点直接相连的情况(如图中链路1-5、4-7)，则合并后P圈的跨接链路数会超过p₁与p₂的跨接链路数之和，这将大大提升所配空闲容量的利用率。

以上是对两个P圈进行合并的场景。为了合并P圈集合PC＝{p₁,p₂,p₃…p_n}中的多组对偶圈(这里p_i表示P圈集合中第i个P圈)，设计如下算法，其中合并后的P圈存放于集合P_new中。

尝试合并PC中序号为1的圈p₁与下一个圈p₂，若能将p₁、p₂成功合并为p_1,2，则先从PC中删除p₁、p₂，再将p_1,2存入PC的首位；若合并失败则尝试合并p₁与p₃，合并成功则执行上述删存操作，失败则转下一个圈p_i。若所有的p_i(i≥2)圈均无法与p₁合并，则将p₁从集合PC移入集合P_new。重复上述过程，直至PC中只剩1个圈，无法再进行合并，则将此圈移入集合P_new，算法结束。