基于最小路径选择度的电力通信网络路由优化策略研究

基于最小路径选择度的电力通信网络路由优化策略研究

萨日娜

呼和浩特供电公司     内蒙古呼和浩特市  010010

摘要：在电力通信网络中, 利用双向复用段保护倒换环可以实现保护信息的传输。双向复用段环在环网任意段故障时可以完成业务的自愈, 其采用APS倒换协议, 在网络故障时, 实现收发双倒换, 将通信工作路由变为自动保护路由, 并保证业务收发路由仍然一致。基于此, 本文提出光纤通道的保护信息传输优化的方案, 并论证了利用2M切换设备实现保护信息传输的高效性和实用性。

关键词：光纤通道;保护;传输;优化

随着电力系统装机容量不断增大, 电力系统网架结构的不断扩大, 电压等级不断升高, 大功率、远距离输送电能的超高压交、直流输电线路对继电保护可靠性要求越来越高。具有抗电磁干扰强、衰耗低、可靠性高等优点的光纤已经作为继电保护信号传输的主要介质之一, 光纤通道保护已经广泛应用于220kV及以上电压等级的线路中, 故光纤通道保护的运行、维护对系统稳定有着重要的意义。

1 保护业务光纤通道的选择

1.1 专用光纤通道方式。

光纤通道方式具备很多的优点, 比如:它能够满足在进行双向通道传输的时候系统要求的对称以及它所用到的设备较少而且对于故障的定位非常准确。但是也具备有一定的缺点, 比如:它的耗资量大且占用的光纤资源多, 此外, 由于受到光功率的影响, 导致其传输的距离比较短。

1.2 数字复用通道方式。

数字复用通道方式, 通常是在光纤通信传输网络的基础之上, 通过将复用方式与其他的业务共享通信的方式来实现保护信息的传输。这种方式的优点在于不仅减少了光纤的资源的占用而且能够保证一定距离的传输, 同时还能够保证通道的信息传输的可靠性。期缺点在于:具体的设置环节当中的设备较多, 所以其故障点势必会有所增加, 而且对于一些继电保护业务是有一些局限性的。

2 光环网传输存在问题分析

2.1 目前光纤通信网传输保护信息存在的问题。

当前, 我国的电力通信光纤传输主要是采用的是双向通道倒换并且能够自我修复的传输通道。但是一般情况下, 双向通道倒换在进行信息传输时, 尤其是作为线路纵差时, 是无法启动自我修复功能的。此外, 由于一些地区缺乏相应的电网光纤的传输设备所以, 更加难以启用双向通道倒换的方式来实现保护信息的传输。

2.2 光传输网传输纵差保护未出现问题原因分析。

由于在光纤环网当中的双向通道传输会采用不同的芯片的同种光缆。而一旦发生故障时, 光缆会首先断开, 而且双向通道的倒换环的两端的光缆都是同时断开的, 所以这就在很大程度上满足了收发路由一致的要求, 最终才不会引起一些保护的误动作。

3路由策略

3.1 目标函数

在路由控制策略中，采用三角模算子融合带宽占用率、带宽占用率等级和传输时延建立目标函数。t时刻路径Rn的带宽占用率CBn如式(1)所示。

CBn=MAX[μj(t)]    (1)

式中，μj(t)为t时刻链路lj的带宽占用，lj为路径Rn经过的链路。

t+T时刻路径Rn带宽占用率等级PSn如式(2)所示

PSn=max[sj(t+T)]    (2)

式中，sj(t+T)为t+T时刻链路lj的带宽占用率。

3.2 预测模型

为了进行卷积(链路节点信息和特征信息)操作，将链路带宽占用预测问题转化为基于GCN的实时链路节点分类问题。模型输入如下。

(1)特征向量矩阵E=RJ×C。链接数为J (即行数)。其中的每行表示电网中链接lj的特征向量，C为向量的维数。链路lj特征向量由连接的交换机参数确定。链路lj连接交换机va的q端口和交换机vb的g端口。

(2)邻接矩阵A∈RJ×J,A为电力通信网络中链路lj之间的连接关系。

GCN链路带宽占用预测模型的输入是电信网络的链路邻接矩阵A和网络状态参数特征矩阵E。

在训练预测模型时，Max Pooling池操作后使用softmax激活函数来获得随机矩阵Z∈RJ⋅γ。

3.3 路由策略

为了满足通信网络的实时性和传输可靠性的要求，需要选择一条低传输时延和高链路带宽资源的路径进行传输。提出了一种最小路径选择度的路由优化策略，步骤如下：

步骤1) SDN集中控制器对交换设备参数进行实时采集。计算时，根据端口转发的流量对各链路的带宽占用率进行计算。

步骤2) SDN预测模块根据历史数据对链路带宽占用率进行预测。

步骤3)对节点间的路径集进行遍历寻找。

步骤4)根据当前和下一时刻的网络链路带宽占用率以及下一时刻传输时延。综合评估和计算不同传输路径的选择度。

步骤5)路径选择度最低的路径是实时传输路径，次小路径用作备用路径。最大限度提高各种电力业务的传输要求。

3 仿真结果与分析

3.1 预测模型仿真分析

为了验证预测模型计算链路带宽占用率等级的有效性，在Mininet平台上进行仿真，在不同SDN网络负载下，可以细分电力通信网络链路的平均带宽占用率。单位时间内业务最小并发数CRmin=25，最大并发数CRmax=35；业务请求时间RTmin=10 s,RTmax=20 s；最小带宽为RBmin=0.062 5 Mbit/s，同时预测模型的适宜训练参数为hnode=32，迭代次数为epoch=150，学习率为η=0.005，参数W0=0,W1=1，系数为Dropout=0.400 0。文中分析了平均链路带宽占用率等级的预测值和实际值的变化趋势，并比较了各种SDN网络负载条件下平均链路带宽占用率等级。

由于受整个网络业务的平均请求带宽和业务最大请求带宽的影响，网络的平均链路带宽占用率等级在1～3范围内变化。随着业务请求带宽最大值由30 Mbit/s提高到40Mbit/s，业务请求带宽平均值由20 Mbit/s提高到30Mbit/s，平均链路带宽占用率等级由最小值1.30提高到2.05，从而提高了链路带宽占用率。

结果表明，预测值与实际值较为接近，预测效果较好，可作为传输路径预测管理和控制的依据。

3.2 路由策略仿真分析

在Mininet平台上构建，Ryu控制器用带宽和iperf测试工具。链路带宽最大值100 Mbit/s。设置连接距离参数vdata=2×108m/s、Tswitch=0.1 ms、Tjitter=0.1 ms。在模拟电力业务进行传输时，网络中电力业务的请求带宽值的变化遵循正态分布，而不同重要性的电力业务出现的概率遵循泊松分布。在仿真中，通过调整发送数据的最小并发数和最大并发数等网络参数来改变电力业务在网络中的分布状态。

随着网络负载的增加，文中策略的丢包率与HCARS逐渐拉大。虽然HCARS是一种动态路由策略，但其未考虑优先级和未来带宽占用值。文中的路由策略克服了HCARS的缺点，并预测了未来连接带宽的使用情况。

结语

光纤通道保护的运行、维护对电网系统稳定有着重要的意义。本文对于电力通信网络中光纤通道的保护信息如何进行传输优化展开了研究。本文建议增加现有传输网络设备2M保护板, 以提高2M板卡业务处理的安全性;为进一步提升现有网络对重要业务信号的生存性需求, 建议针对750kV、330kV和220kV等极重要站点实现AB网设备分别接入, 通过AB网的分离路由方式来实现传输网络的安全性需求。

参考文献

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