CN105847440A - 一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构方法 - Google Patents

Abstract

一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法。该方法以重负载时的广域保护通信网络为对象，在广域保护通信光纤中断时，基于剩余完好网络，快速构建合适的分流迂回通信通道，以保证广域保护通信业务正常进行。以满足广域保护对信息的要求为根本、以重载通信迂回后网络负载较为均衡为目标，对时延要求、重要程度均最高的GOOSE报文，设计一种单一轻负载通道迂回路径重构算法，这种算法综合考虑了影响信道时延的带宽、距离、信道利用率等因素，构建信道权重指标，并借助于Dijkstra寻优算法寻优时延最短的迂回路径。

Description

一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构方法

技术领域

本发明属于电力系统中继电保护领域，具体是一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法。

背景技术

广域保护数据采集范围广、采集频率高、采集量大。对于早期建设的通信线路，由于存在通信技术的限制、通信成本的限制以及对未来通信业务发展估计不足等因素，通信带宽设置的相对较小。因此，不可避免地在广域网络中会出现重负载通信线路的情况。

电力通信光缆一般设置于架空地线中，可能会因雷电、酸雨腐蚀、电力系统故障等自然因素或人为破坏因素而中断。如不采取一定的措施，必然使部分通信业务中断，影响电力系统的正常运行。提前或者在通信中断时，为中断信道上的数据选择合适的迂回路径，使信道中断时通信数据沿着迂回路径继续传输，是较好的解决办法。

当前，已有较多学者对通信迂回路径选择进行了研究，但大多数以通信系统负担轻、带宽可用裕度大、排队时延不发生变化为假设前提，在多条可供选择的迂回路径中选择一条最优迂回路径。已有的一种最优迂回路径重构算法根据最短路径长度选择出最优迂回路径(鲍晓慧.基于迂回方式的继电保护信道重构技术[J]。武汉理工大学学报，2010，23(4)：578-582)。但是，仅依靠最短路径长度这一指标所选择出的最优迂回路径，不能确保所选择最优迂回路径时延最短。这是因为通信时延由四部分构成，分别是发送时延、传播时延、排队时延和处理时延四部分。最短路径长度仅能确保所选择最优迂回路径的传播时延最短。另一种最优迂回路径重构算法，它以迂回路径通信可靠性最高同时兼顾通信时延约束为最优目标，通过构建可靠性和时延约束模型，选择最优迂回路径(熊小伏，吴玲燕，陈星田。满足广域保护通信可靠性和实时要求的路由选择方法[J]。电力系统自动化，2011，35(3)：44-48)。但未考虑中断信道上的数据对迂回路径时延的影响。

发明内容

本发明以重负载下的广域保护通信网络为研究对象。以分流迂回后网络负载较为均衡为目标。针对重负载网络的特点以及中断信道上数据特征，设计适用于重负载网络的迂回路径重构策略。对于时延要求、重要程度均最高的GOOSE报文，设计一种单一轻负载通道迂回路径重构算法，优先为其选择时延最短的迂回路径。这种算法综合考虑影响信道时延的带宽、距离、信道利用率等因素，构建信道权重指标，并借助于Dijkstra寻优算法寻优时延最短迂回路径。重点对数据量较大的SV报文，设计一种重负载通信下分流迂回路径重构算法。该算法关键考虑了各个迂回路径中短板信道的带宽可用裕度，根据路径跳数和信道利用率，确定适合于分流的迂回路径。基于带宽可用裕度比确定每条迂回路径应分得SV报文量，使得短板信道带宽裕度大的路径分得的SV报文多，裕度小的分得的少，实现重载通信分流后网络负载较为均衡。

本发明所采用的技术方案是：

一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构方法，包括以下步骤：

步骤一：检测到重负载网络通信中断时，首先分析中断信道上待转移的GOOSE报文来源及其吞吐量，形成网络当前拓扑结构、信道带宽、信道距离和信道吞吐量矩阵，为执行“单一轻负载通道迂回路径重构算法”做准备；

步骤二：因为带宽倒数、信道长度、信道利用率三者量纲和单位不同，在建立模型寻找最优路径时必须进行归一化后才能使用。对全网络信道带宽矩阵，信道距离矩阵进行归一化，信道i带宽归一化的公式为：信道距离矩阵归一化的公式为：由信道吞吐量矩阵和信道带宽矩阵计算考虑转移数据影响的信道利用率矩阵，信道利用率计算公式为：u'＝(ΔT+T_i)/B。根据上述计算结果，计算信道权重指标，权重指标计算公式为：根据轻负载通信下单一迂回路径重构算法模型，并借助于Dijkstra寻优算法，为GOOSE报文寻优时延最短的迂回路径；

步骤三：分析中断信道上待转移的SV报文来源及其吞吐量，为执行重负载通信下分流迂回路径重构算法做准备；

步骤四：根据路径跳数计算公式计算跳数，通过M值可以限定迂回路径的跳数，一方面可剔除跳数过多的迂回路径，另一方面可以使所选多条迂回路径跳数基本相同，使SV报文通过各个迂回路径传输时时延大体相同。M值随网络范围、源节点与目的节点位置变化而变化，应根据系统通信延时需要进行整定，这里选取所有迂回路径跳数的平均值。根据跳数约束和信道利用率约束，得到适合于SV报文迂回的迂回路径；

步骤五：根据短板信道裕度计算公式，计算短板信道带宽裕度：BW_i为短板信道i的带宽，T_i为短板信道i在网络正常情况下的原有流量,TG_i指如果i信道也作为GOOSE迂回通道时，被转移的GOOSE信息流量。根据分流系数应满足的等式约束(K₁+K₂+…+K_p)×T_SV＝T_SV和短板信道带宽裕度比公式计算分流系数K₁,K₂,…K_p。按照短板信道带宽可用裕度比，确定每条迂回路径分配SV报文的分流系数值，可使带宽裕度大的路径分得的SV报文较多，裕度小的路径分得SV报文较少，实现分流数据对每一条迂回路径时延的影响较为均衡。

步骤六：根据短板信道带宽裕度约束公式判断每条迂回路径分得的SV报文量，是否满足相应的短板信道带宽约束条件。如果某一条迂回路径分得的SV量，超过了该迂回路径中短板信道的带宽约束，则对于该条迂回路径，它只能按照相应短板信道的最大裕度值来分配SV报文，用公式表示为：该路径分配后，再将剩余的SV量按照步骤五和步骤六进行分配，直至分配完毕。

本发明一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构方法，优点在于：

1)本发明针对重负载网络的特点，分析中断信道上不同数据类型的特征，为GOOSE报文设计一种单一轻负载通道迂回路径重构算法，优先选择时延最短的迂回路径。保证了跳闸、合闸命令，闭锁信号，保护、断路器启动失灵信号，联闭锁信号，开关位置，保护工作状态等电力系统关键信息的实时、可靠传输。

2)本发明在设计单一轻负载通道迂回路径重构算法时，考虑到被转移的GOOSE报文对重负载网络时延可能产生的影响。将该影响用流入GOOSE报文后备选信道的信道利用率表示。使所选择的最优迂回路径更加符合通信中断后重负载网络的实际情况。

3)本发明根据重负载网络和待迂回的SV报文的特点，设计一种重负载通信下分流迂回路径重构算法。多路径分流迂回尽可能地减少了对重负载网络的影响。

4)本发明在设计重负载通信下分流迂回路径重构算法时，根据“短板效应”，每一条迂回路径应分得的SV量，取决于该路径中短板信道的带宽可用裕度。按照短板信道带宽可用裕度比进行SV报文分配，短板信道带宽可用裕度大的迂回路径分得的SV报文多，裕度小的分得的少。极可能地实现重载通信分流后网络负载较为均衡。

附图说明

图1重载通信分流迂回的示意图。

图2为由OPNET仿真软件搭建的IEEE14节点通信系统模型图。

具体实施方式

一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构方法，包括以下步骤：

步骤一：对于时延要求、重要程度均最高的GOOSE报文，设计单一轻负载通道迂回路径重构算法；

步骤二：综合考虑影响信道时延的带宽、距离、信道利用率等因素，构建信道权重指标和单一轻负载通道迂回路径重构算法模型；并借助于Dijkstra寻优算法，为GOOSE报文寻优时延最短迂回路径；

步骤三：对于数据量较大的SV报文，设计一种重负载通信下分流迂回路径重构算法；

步骤四：根据路径跳数和信道利用率约束，确定适合于分流的迂回路径；

步骤五：根据分流系数应满足的等式约束和短板信道带宽裕度比公式，确定每条路径分得的SV报文量；

步骤六：根据短板信道带宽裕度约束公式，判断每条路径所分得的SV报文量是否超过相应短板信道带宽裕度；若超过迂回路径相应短板信道的带宽裕度，令分配给该路径的SV报文量为相应的短板信道带宽可用裕度值。然后再根据分流系数应满足的等式约束和短板信道带宽裕度比公式，对剩余的SV报文进行二次分配。

步骤一中，是将单一轻负载通道迂回路径重构算法用于重负载网络中，为GOOSE报文选择最优迂回路径。GOOSE报文由于时延要求、重要程度均最高，优先按照该算法选择一条时延最短的迂回路径。

步骤二中，构建的信道权重指标公式是其中，为第i条信道带宽倒数归一化后的值，为第i条信道距离归一化后的值，u'为流入转移数据后计算的信道利用率，u'＝(ΔT+T_i)/B，ΔT为待转移的GOOSE量，T_i为第i条信道原有吞吐量。ω₁，ω₂和ω₃的取值，应该根据实际通信网路的统计时延得到；构建单一轻负载通道迂回路径重构算法模型如下示：

上述模型中，Q_sl是构成该路径的所有信道权重值之和，带宽约束用来初步筛选可用于迂回的信道。

步骤三中，是在GOOSE报文优先选路之后进行的，“重负载通信下分流迂回路径重构算法”是将SV报文分成多股，分别迂回至多条迂回路径中，该算法的目标重载通信分流后网络负载较为均衡。

步骤四中，路径跳数计算公式为：A_i表示源节点与目的节点间第i条迂回路径的路由器总数，m为原节点和目的节点间迂回路径总数，适合分流迂回的路径应满足跳数约束公式：h_p≤M；通过M值可以限定迂回路径的跳数，一方面可剔除跳数过多的迂回路径，另一方面可以使所选多条迂回路径跳数基本相同，使SV报文通过各个迂回路径传输时时延大体相同；信道利用率约束公式为：设定任意一段信道的利用率不超过75％，是因为当信道利用率增长到75％时，再增加数据流量，在该信道上产生的时延就会急剧增大，甚至产生堵塞和丢包等严重情况。

步骤五中，分流系数应满足的等式约束为：(K₁+K₂+…+K_p)×T_SV＝T_SV，K_p指第p条路径的分流系数，分流系数乘以SV报文总量即为第p条路径分得的SV量，T_SV指中断信道上SV报文总量，短板信道带宽裕度比公式为： 指第p条路径其短板信道的带宽可用裕度，K_p指第p条迂回路径分配SV报文的分流系数，带宽可用裕度的计算公式为： 指短板信道i的带宽可用裕度，BW_i为短板信道i的带宽，T_i为短板信道i在网络正常情况下的原有流量,TG_i指如果i信道也作为GOOSE迂回通道时，被转移的GOOSE信息流量。

步骤六中，短板信道带宽裕度约束公式为： 指短板信道i的带宽可用裕度，K_i为第i条路径的分流系数。当某一条迂回路径分得SV量，不满足步骤六中的短板信道带宽裕度约束公式时，对于该条迂回路径，令它分配得SV报文量为相应短板信道的最大裕度值，用公式表示为：

本发明一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构方法。该方法以重负载时的广域保护通信网络为对象，在广域保护通信光纤中断时，基于剩余完好网络，快速构建合适的迂回通信通道，以保证广域保护通信业务正常进行。以重载通信迂回后网络负载较为均衡为目标。对时延要求、重要程度均最高的GOOSE报文，设计单一轻负载通道迂回路径重构算法，优先为GOOSE报文选择时延最短的迂回路径。这种算法综合考虑了影响信道时延的带宽、距离、信道利用率等因素，构建信道权重指标，并借助于Dijkstra寻优算法寻优时延最短的迂回路径。然后，本策略重点对数据量较大的SV报文，设计一种重负载通信下分流迂回路径重构算法。该算法关键考虑了各个迂回路径中短板信道的带宽可用裕度，根据路径跳数和信道利用率，确定适合于分流的迂回路径，基于带宽可用裕度比确定每条迂回路径应分得的SV报文量，使得短板信道带宽裕度大的路径分得的SV报文多，裕度小的分得的少，实现重载通信分流后网络负载较为均衡。分流迂回的示意图如图1示。图1中，通信网络正常时，从通信节点Node2上传至Node5的数据量为M_2-5。某一时刻，通信线路Node2～Node5中断。为了尽可能地减轻对重负载网络的影响，将M_2-5数据按照一定的原则分成多股，分别沿不同路径迂回传输。如图中，路径Path1：Node2～Node1～Node5分得数据量m₁，路径Path2：Node2～Node4～Node5分得数据量m₂，路径Path3：Node2～Node3～Node4～Node6～Node5分得m₃。

以图2的IEEE14节点通信仿真模型为例，一种重负载广域保护通信中断时迂回路径重构策略，其具体实施方式如下：

步骤1：检测到核心路由器LSR2～LSR1间信道中断。中断信道上的GOOSE报文来自站域2，即Sub2。GOOSE报文的吞吐量大约12Mbit/s。当前网络信道带宽、信道距离和信道吞吐量矩阵分别如式(1)、(2)(3)示。为执行“单一轻负载通道迂回路径重构算法”做准备；

步骤2：对全网络信道带宽矩阵式(1)，信道距离矩阵式(2)进行归一化。由信道吞吐量矩阵和信道带宽矩阵计算考虑GOOSE报文影响的信道利用率矩阵。根据以上计算结果，得全网络信道权重指标

步骤3：分析中断信道上待转移的SV报文来源及其吞吐量，SV报文来自站域2,即Sub2。SV报文量大约25.69Mbit/s。为执行重负载通信下分流迂回路径重构算法做准备；

步骤4：计算跳数，根据跳数约束和信道利用率约束，筛选适合于SV报文迂回的迂回路径。当信道LSR2～LSR1中断时，所有可用的迂回路径及其跳数如表1示：

表1信道LSR2～LSR1中断时所有迂回路径及其跳数

结合表1，根据路径跳数计算公式计算得跳数M为6。表1中前三条路径较适合分流迂回。但是，第二条路径和第三条路径中有一段信道(LSR3～LSR1)重叠了，且LSR3～LSR1是第二条路径的短板信道。因此，舍弃路径LSR2～Sub3～LSR3～LSR1，只用前两条路径进行分流迂回。

步骤5：根据短板信道裕度计算公式计算每条迂回路径对应的短板信道带宽裕度：裕度根据分流系数应满足的等式约束(K₁+K₂+…+K_p)×T_SV＝T_SV和短板信道带宽裕度比公式计算分流系数K₁,K₂,…K_p。图2中，两条适合迂回的路径，其分流系数值为K₁:K₂＝(11.7Mbit/s):(28.4Mbit/s)＝1:2.43。总共需转移的SV报文数据量为25.69Mbit/s。根据式(K₁+K₂+…+K_p)×T_SV＝T_SV，路径LSR2～Sub1～LSR1分得7.49Mbit/s，路径LSR2～LSR3～LSR1分得18.2Mbit/s。

步骤6：根据短板信道带宽裕度约束公式判断每条迂回路径分得SV报文量，是否满足相应的短板信道带宽约束条件。两条路径分得的SV报文量均小于其相应的短板信道带宽裕度，即7.49Mbit/s<11.7Mbit/s，18.2Mbit/s<28.4Mbit/s。说明分配符合要求。如果某一条迂回路径分得SV量，超过了该迂回路径中短板信道的带宽约束，则对于该条迂回路径，它只能按照相应短板信道的最大裕度来分配SV报文。由步骤6可知，本例中两条适合迂回的路径，其分得SV报文量未超过其相应的带宽裕度，不必按照相应短板信道的最大裕度来分配SV报文。

Claims (7)

1.一种重负载下广域保护通信中断时分流迂回路径重构方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：对于时延要求、重要程度均最高的GOOSE报文，设计一种单一轻负载通道迂回路径重构算法；

步骤二：综合考虑影响信道时延的带宽、距离、信道利用率等因素，构建信道权重指标和单一轻负载通道迂回路径重构算法模型；并借助于Dijkstra寻优算法，为GOOSE报文寻优时延最短迂回路径；

步骤三：对于数据量较大的SV报文，设计一种重负载通信下分流迂回路径重构算法；

步骤四：根据路径跳数和信道利用率约束，确定适合于分流的迂回路径；

步骤五：根据分流系数应满足的等式约束和短板信道带宽裕度比公式，初步确定每条路径承担迂回的SV报文量；

步骤六：根据短板信道带宽裕度约束，进一步判断每条路径所分得的SV报文量是否超过相应短板信道带宽裕度；若超过,按短板信道带宽最大可用裕度值取分配SV报文量,对剩余的SV报文量基于步骤五～六进行二次分配。

2.根据权利要求1所述一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法，其特征在于，步骤一中将单一轻负载通道迂回路径重构算法用于重负载网络中为GOOSE报文选择最优迂回路径。GOOSE报文由于信息量小且时延要求、重要程度均最高，仅考虑时延最短选择单一迂回路径。

3.根据权利要求1所述一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法，其特征在于，步骤二中构建的信道权重指标公式是其中，为第i条信道带宽倒数归一化后的值，为第i条信道距离归一化后的值，u'为流入转移数据后计算的信道利用率，u'＝(△T+T_i)/B，△T为待转移的GOOSE量，T_i为第i条信道原有吞吐量。ω₁，ω₂和ω₃的取值，根据实际通信网路的统计时延得到；构建的单一轻负载通道迂回路径重构算法模型如下示：

上述模型中，Q_sl是构成该路径的所有信道权重值之和，带宽约束用来初步筛选可用于迂回的信道。

4.根据权利要求1所述一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法，其特征在于：步骤三中SV报文是在GOOSE报文优先选路之后进行的，考虑重负载通信情况,建立分流迂回路径重构主要是将SV报文分成多股，分别迂回至多条迂回路径中，该算法的目标是重载通信分流后网络负载较为均衡。

5.根据权利要求1所述一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法，其特征在于：步骤四中路径跳数计算公式为：A_i表示源节点与目的节点间第i条迂回路径的路由器总数，m为原节点和目的节点间迂回路径总数，适合分流迂回的路径应满足跳数约束公式：h_p≤M；通过M值可以限定迂回路径的跳数，一方面可剔除跳数过多的迂回路径，另一方面可以使所选多条迂回路径跳数基本相同，使SV报文通过各个迂回路径传输时时延大体相同；信道利用率约束公式为：设定任意一段信道的利用率不超过75％，是因为当信道利用率增长到75％时，再增加数据流量，在该信道上产生的时延就会急剧增大，甚至产生堵塞和丢包等严重情况。

6.根据权利要求1所述一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法，其特征在于：步骤五中分流系数应满足的等式约束为：(K₁+K₂+…+K_p)×T_SV＝T_SV，K_p指第p条路径的分流系数，分流系数乘以SV报文总量即为第p条路径分得的SV量，T_SV指中断信道上SV报文总量，短板信道带宽裕度比公式为： 指第p条路径其短板信道的带宽可用裕度，K_p指第p条迂回路径分配SV报文的分流系数，带宽可用裕度的计算公式为： 指短板信道i的带宽可用裕度，BW_i为短板信道i的带宽，T_i为短板信道i在网络正常情况下的原有流量,TG_i指如果i信道也作为GOOSE迂回通道时，被转移的GOOSE信息流量。

7.根据权利要求1所述一种重负载下广域保护通信中断时迂回路径重构方法，其特征在于：步骤六中短板信道带宽裕度约束公式为： 指短板信道i的带宽可用裕度，K_i为第i条路径的分流系数。当某一条迂回路径分得SV量，不满足步骤六中的短板信道带宽裕度约束时，对于该条迂回路径，令它分配得SV报文量为相应短板信道的最大裕度值，用公式表示为：when