CN106341247B - 一种双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法,所述方法包括：(1)传输可靠性的测度计算(2)业务传输性能测度计算；(3)可靠通信通道配置。本发明针对电力用户信息需求的增长，在一次计算过程中同时规划出满足全程可靠性和多类用电信息传输QoS需求的φ条最优路径配置方案，提升双向互动信息和控制指令在系统中的准确可达性。本发明提出的方法在多约束电网中可实现保证多种类型数据的可靠传输，有效提升用电信息采集系统的双向互动性。

Description

一种双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统领域的方法，具体涉及一种双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法。

背景技术

用电信息采集系统是实现电能计量，电力负荷控制，和电力营销的一体化电力大数据平台。其需要可靠高效的通信网络实现系统主站和现场终端间的数据通信。随着智能电网的发展，双向智能互动成为用电信息采集系统的实现目标，需要更细粒度、多类型用电信息，快速增长的数据量和变得复杂的信息采集网络结构都对电力通信通道的可靠性提出了相当高的要求。

双向智能互动的新需求要求电力通信网络同时承载A～E五类用电信息业务，各业务对于通信的传输要求则不尽相同，因此对电力光纤传输的带宽、时延等传输服务质量(Quality of Service,QoS)提出了多级别的限定需求。因此，通信通道可靠性对于整个系统实现安全运行、准确符合控制和高效电力营销管理具有极其重要的意义。

通信可靠性是指通信网在实际连续运行过程中完成用户正常通信需求的能力。其直接影响用电信息的时效性，负荷控制信息下达的准确性，是保证系统实现双向智能互动的底层支持。常用的求解电力通信网可靠性的方法包括将效能模型引入到电力通信网络，通过对电力通信网网元及网络的效能模拟，获取效能与可靠性之间的数学关系。此外还有采用复杂网络理论研究网络拓扑模型，修改网络脆弱性目标测度进行电力通信网可靠性研究。综上所述，现有研究多从网络结构层面考虑电力通信网络可靠性。较少研究将交换设备的硬件可靠性，通信通道的全程可靠性与承载的不同类型用电信息业务特征相结合，求解电力可靠通信路径，以提升用电信息采集系统的双向互动性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

本发明的双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法，包括如下几个阶段：

(1)电力通信通道测度判定

1)传输可靠性的测度

传输可靠性是指实际连续运行过程中完成用户终端与主站间正常通信需求的能力。在电力通信电路层面上可用有效性测度R表征物理链路和传输设备的可靠性。R既能表征电路的可靠性又能表征电路的可维修性。

a)用电信息采集通信有效性测度

用电信息采集通信有效性R指系统按可接受的通信服务质量标准和业务需求，不间断地向用电信息采集系统提供通道连接能力的测度。

式中，h(t)为系统在时间t内完成维修任务的概率密度函数不同设备有不同的h(t)，具体的设备可以查找对应的说明文档，λ(t')为部件或系统的失效率，其物理含义表示为单位时间内部件或系统失效的次数,通信交换设备采用FIT(Failure In Time)作为失效率单位。

b)通信通道模型

一个用户采集终端到系统主站的数据通信通道为信号从源端开始传输到收端截止所经过的所有硬件交换设备和物理链路。因此一条通信通道是由多个基本网络单元互连的系统。图1～图3给出三种典型通道组建模式，其中TE表示终端采集设备，DF表示配线架，PCM(Pulse Code Modulation)表示PCM设备，OT表示光端机，FE表示中间转发设备，SE表示切换设备，OC表示光缆，EC代表电缆，

通道模式1为分别经过2个配线架DF(distribution frame)和2台PCM设备实现通信互联，则通信有效性表达式为：

其中SP表示供电电源，为电路两端供电；ADM代表分/插复用器(Add/DropMultiplexer)，表示电路两端的SDH设备,整个光通信电路中的s套SDH设备还包括再生中继器REG，此外REG需要供电电源供电，所以需要考虑供电电源SP的有效性；为了准确描述整个光缆的有效性，将光缆划分成以千米为1个单位的n个单位，A、B表示电路的两端，OC表示光缆；

电路2缺省PCM设备，则通信有效性表达式为：

电路3采用主备用传输方式。该方式必须保证主备用链路全程无共享物理硬件，即两条通道的组成单元完全相互独立，其通信有效性表达式为：

式中，s1、n1分别是主用通道的交换设备数量和链路长度，s2、n2分别是备用通道的交换设备数量和链路长度，表示通信双端切换设备的有效性，MP(Multi-Path)为多通道，其它参数与模式1相同。

c)链路衰耗

以传输衰耗作为物理层链路传输质量测度。与光端机等交换设备相比，物理链路的分散度高，常包含“T”接，“π”接等接头。因此传输过程中的衰耗等于各段链路衰耗之和加上所有接头衰耗，即：

式中：A(l)为路径p上链路l的衰耗，A(l)＝α_l×L_l；α_l为光纤衰耗系数(dB/km)；L_l为链路长度(km)；n表示光纤接头个数；αS表示平均接头损耗(dB)。

由于光缆工作环境复杂且恶劣，多种因素都会致使光衰增加，光信号传输误码率上升，当全程光衰即大于上限时，则无法正常接收，造成传输信号中断。因此，光衰是计算光传输可靠性的重要指标之一。

2)业务传输性能测度

用电信息采集系统中包含A,B,C,D,E五类用电信息业务，不同业务有着迥异数据结构和传输QoS需求，因此，在进行通信通道配置时，除考虑可靠性外，还需要考虑不同类型业务的QoS传输质量。

a)带宽需求

带宽表示通信通道可通过的最高数据率，反映通道的数据传输能力，单位为bps。只有保证足够的带宽，数据才能在通道中可靠的传输，通信通道的传输能力等于路径中最小链路带宽：

BW(l):L→R⁺为路径p上的链路l的瓶颈带宽。

b)端到端时延

时延是电气信号对承载系统要求的最小端到端传输时间。在用电信息采集系统中，不同种类的业务对时延要求也不同。如提供给电力负荷控制的用电信息则对通信通道有严格的要求。而对于营销管理和费率计算类业务时延要求则低一些，信息传输时延在几秒内即可。

对于一条通信通道上的时延表达式为：

D(l):L→R⁺为路径p上的链路l传输时延。

c)传输丢包率

当网络存在异常时，如光衰增加，链路拥塞时，传输的数据包将有丢失概率，则到达目的端的信息不完整。以丢包率衡量数据传输完整性，计算公式如下：

LR(l):L→R⁺为路径p上的链路l的丢包率。

d)通信成本

成本为组件通信通道的所有设备耗费的总费用。当在材质和型号相同时，采用链路长度衡量。成本计算公式如下：

C(l):L→R⁺为路径p上的链路l的成本。

本发明在通信通道配置过程中，综合考虑上述QoS参量和通信可靠性测度。

(2)双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法

1)模型建立

以式(10)作为对双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道优劣判定量度：

其中，δ_f(e_i)为底层链路e_i上已占用带宽，是为用电信息采集系统自身控制报文预留带宽。当选择带宽使用率最小的通信通道作为最佳配置路径，可均衡信息负载，提升系统双向互动能力。

以式(11)～(16)为约束条件：

有效性：R_p≥R_TH (11)

成本：

时延：

丢包率：

带宽：

光纤衰耗：

R_p表示当前路径p的有效性，C(e_i)表示底层链路ei的成本，Delay(e_i)表示底层链路ei的时延，LR(e_i)表示底层链路ei的丢包率，BW(e_i)表示底层链路ei的带宽，A(e_i)表示底层链路ei的光纤衰耗；n表示光纤接头个数；αS表示平均接头损耗(dB)；

不等式约束中R_TH,C_TH,D_TH,LR_TH,BW_TH,A_TH表示一个完整通信链路的有效性、成本、时延、丢包率、带宽、光纤衰耗测度的约束阈值，在业务的传输需求中给出。

2)复合量度通信通道配置方法

发明一种复合量度φ通道配置方法。可在一次选择过程中完成φ条满足多QoS约束的通信通道配置方案并给出优化排序。方法执行流程如下：

Step1：根据用电信息类型，依照约束条件公式(11)～(16)确定{R_TH,C_TH,D_TH,LR_TH,BW_TH,A_TH}；

Step2：去除不满足式(15)的物理链路，即BW(e_i)<BW_TH链路；

Step3：在用电信息可达传输路径中，执行如下操作寻找无环φ最短通信通道集表示设备i到设备j的φ条通道集，以下将设备表述为节点，物理链路表示为边：

a)标记节点V分为S(标识节点集)和T(未标识节点集)。初始化S＝{i}，未标识节点集T＝V-S，D(i)＝0，u←i；

b)对若D(v)>D(u)+w(u,v)，则D(v)←D(u)+w(u,v)，d是使D(v)取最小值的T中的节点；

c)令标识节点集S为S∪{d}，未标识节点集T为T-{d}，当j∈S时则算法结束，否则再重复步骤b)直至j∈S。输出i-j节点对最佳通道p₀，并把p₀放入最佳通道集合P_ij，即初始时P_ij＝{p₀}。

d)标记p₀.w＝1，表示P_ij中待处理通道。

e)对于P_ij中某条待处理的通道p＝{a₁,a₂…a_x}共x条链路构成。依次禁用链路a_u，获得子系统G^*＝G-a_u。计算G^*中i-j最佳通道，最终获得y条(y≤x)新通道集Q_ij。

f)进行通道集P_ij与Q_ij的合并加法运算P_ij(M)＝P_ij∪Q_ij，并且标记新加入通道为未处理。若||P_ij(M)||<φ，则在P_ij中寻找未处理的通道，标记为当前需处理通道，转(2)。

Step4：对通道集中的所有通信通道计算复合权值，进行选优排序。其具体数学描述如下：

a)计算的{R(p_k),C(p_k),D(p_k),LR(p_k),A(p_k)}；

b)验证是否满足约束条件(11)～(16)，若不满足，则即去掉该不满足约束条件的通信通道；若满足约束，则计算下一条通道，直至k＝φ，转下一步；

c)将中的通道按带宽利用率Utilization(p)从低到高排序，选择minUtilization(p)的通道p_u作为此次用电信息通信通道p_prm，并选择即与此通道无共享链路的剩余通道集作为后备通道。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对电力用户信息需求的增长，在一次计算过程中同时规划出满足全程可靠性和多类用电信息传输QoS需求的φ条最优路径配置方案，提升双向互动信息和控制指令在系统中的准确可达性。本发明提出的方法在多约束电网中可实现保证多种类型数据的可靠传输，有效提升用电信息采集系统的双向互动性。

附图说明

图1为本发明带PCM电路的典型光纤通信模式图；

图2为本发明E1电路的典型光纤通信模式图；

图3为本发明主备用电路的典型光纤通信模式图；

图4为本发明的用电信息采集系统的通道传输拓扑图；

图5为本发明的各用电信息通信通道的业务传输性能测度分布图；

图6为本发明的各用电信息通信通道有效性分析图；

图7为本发明的各用电信息通信通道衰耗分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明对某城区用电信息采集系统进行仿真实验，网络中各用电信息采集终端和交换设备之间采用不同型号的物理通信链路进行连接，如图2所示。

根据物理通信链路的有效性、带宽、时延、丢包率等测度不同设定权值集合为：W(e_i)＝{R(e_i),C(e_i),D(e_i),LR(e_i),BW(e_i),A(e_i)}，根据公式(1)到(9)计算各权值，其链路权重如表1所示。

表1链路权值数据

依据《电力系统通信业务导则》(GB/T 17246)设定约束条件为：R_t＝99.999％，C_t＝20万元，D_t＝5ms，LR_t＝6‰，BW_t＝2M，A_t＝8dB。计算站点A到站点J的通信通道配置。根据复合量度配置算法，求出φ＝10条可达通信通道，构成的集合P_AJ(10)＝{(A,E,J),(A,B,E,J),(A,D,F,J),(A,D,I,J),(A,E,I,J),(A,C,D,F,J),(A,B,E,I,J),(A,C,D,I,J),(A,C,G,H,F,J),(A,D,G,H,F,J)}

对集合P_AJ(10)中各通道的测度分析如下。

1)各通道对业务传输性能测度分析

图3所示为以时延、丢包率和成本为测度计算各通道对用电信息业务传输性能。其中p₆,p₈,p₉和p₁₀的时延大于约束条件D_TH＝5ms，因此排除p₆,p₈,p₉和p₁₀。通道p₂和p₇的丢包率大于约束条件LR_TH＝6‰，因此去除p₂和p₇。通道p₉和p₁₀的成本最高，大于成本约束C_t＝20(万元)。因此，排除p₉和p₁₀两条通道。

综上分析结果，选择p₁,p₃,p₄和p₅四条通信通道作为可选择配置集，根据带宽使用率从小到大排序为BW(p₁)>BW(p₃)＝BW(p₄)>BW(p₅)。确定p₁为最优可达通道。

2)各路径电路可靠性测度分析

a)有效性分析

假设站点有效性均为99.9999％，根据公式(2)可计算出各可达通信通道有效性数值如图4所示。其中max[R(p)]＝R(p₁)＝99.9993％，min[R(p)]＝R(p₁₀)＝99.99857％，根据R_TH＝99.999％，则去除不满足有效性约束的p₆、p₇、p₉、p₁₀通道。最终双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置的有效性：

b)通道物理衰耗分析

计算各通道物理衰耗，如图5所示。由图可知只有通道p₉,p₁₀的衰耗高于约束A_TH＝8dB，其余满足衰耗需求。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道配置方法,其特征在于，所述方法包括：

(1)传输可靠性的测度计算；

(2)业务传输性能测度计算；

(3)可靠通信通道配置；

所述传输可靠性的测度计算包括:

a)用电信息采集通信有效性测度

式中，有效性R指系统按可接受的通信服务质量标准和业务需求，不间断地向用电信息采集系统提供通道连接能力的测度；h(t)为系统在时间t内完成维修任务的概率密度函数，λ(t')为部件或系统的失效率，其物理含义表示为单位时间内部件或系统失效的次数，通信交换设备采用FIT作为失效率单位；

b)通信通道模型

带PCM电路的典型光纤通信模式通信有效性表达式为：

其中SP表示供电电源，为电路两端供电；DF表示配线架；PCM表示PCM设备；ADM代表分/插复用器，表示电路两端的SDH设备，整个光通信电路中的s套SDH设备还包括再生中继器REG，REG需要供电电源供电；将光缆划分成以千米为1个单位的n个单位，A、B表示电路的两端，OC表示光缆；j＝1,....,s-2；k＝1,.....,n；

E1电路的典型光纤通信模式，缺省PCM设备，则通信有效性表达式为：

采用主备用传输方式，其通信有效性表达式为：

式中，s1、n1分别是主用通道的交换设备数量和链路长度，s2、n2分别是备用通道的交换设备数量和链路长度，表示通信双端切换设备的有效性，SE表示切换设备；j1＝1,....,s1-2；k1＝1,....,n1；j2＝1,....,s2-2；k2＝1,....,n2；MP为多通道；

c)链路衰耗

以传输衰耗作为物理层链路传输质量测度,传输过程中的衰耗等于各段链路衰耗之和加上所有接头衰耗，即：

式中：A(l)为路径p上链路l的衰耗，A(l)＝α_l×L_l；αl为光纤衰耗系数(dB/km)；L_l为链路长度(km)；n表示光纤接头个数；αS表示平均接头损耗(dB)；

所述业务传输性能测度计算包括带宽需求、端到端时延、传输丢包率、通信成本的计算；

a)带宽需求

通信通道的传输能力等于路径中最小链路带宽：

BW(l):当前路径p上的链路l的瓶颈带宽；

b)端到端时延

对于一条通信通道上的时延表达式为：

D(l):当前路径p上的链路l传输时延；

c)传输丢包率

以传输丢包率衡量数据传输完整性，计算公式如下：

LR(l):当前路径p上的链路l的传输丢包率；

d)通信成本

通信成本计算公式如下：

C(l):当前路径p上的链路l的通信成本；

所述可靠通信通道配置包括：

(1)建立可靠通信通道配置模型；

(2)针对所述配置模型提出一种复合量度通道配置方法。

2.如权利要求1所述配置方法，其特征在于，所述配置模型的建立包括：以式(10)作为对双向互动用电信息采集系统的可靠通信通道优劣判定量度：

其中，δ_f(e_i)为底层链路e_i上已占用带宽，是为用电信息采集系统自身控制报文预留带宽，当选择带宽使用率最小的通信通道作为最佳配置路径，可均衡信息负载，提升系统双向互动能力；

以式(11)～(16)为约束条件：

有效性：R_p≥R_TH (11)

成本：

时延：

丢包率：

带宽：

光纤衰耗：

R_p表示当前路径p的有效性，C(e_i)表示底层链路ei的成本，Delay(e_i)表示底层链路ei的时延，LR(e_i)表示底层链路ei的丢包率，BW(e_i)表示底层链路ei的带宽，A(e_i)表示底层链路ei的光纤衰耗；n表示光纤接头个数；αS表示平均接头损耗(dB)；

不等式约束中R_TH,C_TH,D_TH,LR_TH,BW_TH,A_TH表示一个完整通信链路的有效性、成本、时延、丢包率、带宽、光纤衰耗测度的约束阈值，在业务的传输需求中给出。

3.如权利要求2所述配置方法，其特征在于，所述复合量度通道配置方法包括：

第1步：根据用电信息类型，依照约束条件公式(11)～(16)确定{R_TH,C_TH,D_TH,LR_TH,BW_TH,A_TH}；

第2步：去除不满足式(15)的物理链路，即BW(e_i)<BW_TH链路；

第3步：在用电信息可达传输路径中，寻找无环最短通信通道集表示设备i到设备j的条通道集；

第4步：对通道集中的所有通信通道计算复合权值，将带宽利用率从低到高排序，选择带宽利用率最低的通道作为本次用电信息通信通道并确认后备通道。