CN106506357A - 一种电力通信网的双路由配置方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力通信网的双路由配置方法及装置，属于电力通信技术领域。本发明在最大不相交算法的基础上进行改进，以时延和风险度为权值，在电力通信网的网络拓扑中对现有业务进行路由规划，选出业务的主路径和备用路径。本发明通过在Bhandari算法中增加时延和风险的约束，能够得到两条不相交的路径，且主路径时延最短，备用路径风险度最小，保障了电力通信网业务的正常传输，使之更适合电力通信网业务路由配置。

Description

一种电力通信网的双路由配置方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电力通信网的双路由配置方法及装置，属于电力通信技术领域。

背景技术

在电力通信网中，链路和节点承载了各种各样的业务，不同类型的业务对电力一次系统有着不同的保障作用。随着电力通信网规模不断扩大，网络环境日益复杂，合理分配业务，保证业务的安全传输、提高传输效率、降低业务风险等成为研究的重点和难点。

电力通信网是服务于电力系统的通信专网，其行业特性使其路由配置不能简单地将“最短路径”和“单路由”作为衡量标准，尤其是对于继电保护、安全稳定控制等业务，单路由已经不能满足其安全生产的需求，往往需要配置主备用双路由。由于网络中单个设备故障容易造成业务中断，而保护一条关键的业务路由使它不受个别链路或节点影响，最直接的解决方法就是在源节点和目的节点之间同时建立两条链路和节点均不相交的路由连接，其中一条是主路由，另一条为备用路由。当主路由发生故障中断时，能迅速启用备用路由避免业务中断，这样可以极大程度地减轻突发故障对业务的影响，保障电力通信网可靠稳定地运行。

目前对于电力通信网中业务路由规划主要关注单路由分配问题，常用改进的Dijkstra算法、Floyd算法、K-shortest paths算法等完成路由分配问题。这些算法都能够依据不同的目标函数对业务进行单路由分配，但由于单路由分配算法无法考虑两条路由间的相互关系，所以无法为业务配置双路由。

最短双路由算法(Remove-Find)是最基本的双路由算法，考虑在单一权值下寻找节点分离路径。其算法思想是在给定网络中，采用Dijkstra算法在源点和目的点间搜索一条最短路径作为主路径；之后将该路径从网络中删除，得到一个修正图，然后在这个修正图中找到一条最短路径作为备选路径。搜索得到的双路径不具有相同的元素。RF算法简单直接，但具有一定缺陷：搜索得到的两条路径之和并不是最小的；且该算法具有不完备性，即虽然存在两条不相交的路径，但是该方法并不能找到。

Bhandari.W提出了一种多路由最大不相交算法，该算法通过修改D算法使之允许最短路上的负权重，并将第一最短路的所有链路设为负权重，使用节点分裂规则，得到两条节点不相交的路径，且两条路径的权值和最小。但该算法只考虑了一种参数作为寻路目标，当有更多的约束条件出现时，就需要对该算法进行调整。为了解现有电力通信网中业务路由双配置方法的发展状况，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

技术方案1：专利公开号为CN103873363A的《一种电力光纤通信网业务的双路由配置方法》专利，涉及公开了一种电力光纤通信网业务的双路由配置方法。该方法包括：依据实际工程，建立合理有效的电力光纤通信网业务传输模型G(V,E,W,Q,C)；将业务按照重要度进行排序，并通过改进Bhandari算法，配置两条完全不相交的路由(AP,BP)，新算法根据实际情况处理双边(max﹛q(ek)﹜＝2)网络图，且允许设定每条光缆的最大承载业务量c(ek)。该方案能够满足所有应当配置两条完全分离路径的电力业务的需求，保证在断缆等故障情况下业务仍然安全可靠，对于平衡网络负载有一定成效；但只考虑了一种节点和边的权值，在双路径分配时缺乏考虑业务路径风险度。

技术方案2：专利公开号为CN105429894A的《一种电力通信网中业务路由选择方法及装置》专利，提供一种电力通信网中业务路由选择方法及装置，该方法根据电力通信网的拓扑结构，为到达业务分配路径，采用Dijsktra算法，获取到达业务的路径集合；遍历路径集合，计算路径对应的全业务风险度、全网络风险度、全网络负载均衡度和全网络风险均衡度；根据全业务风险度、全网络风险度和全网络负载均衡度，对路径集合进行剔除处理，直到遍历完路径集合中的全部路径，获得目标路径集合；若目标路径集合非空，则根据目标路径集合中的每条路径对应的全网络风险均衡度，对目标路径集合中路径进行升序排列，选择第一条路径作为业务路由；使到达业务按照业务路由转发消息，实现将业务路由均衡的分布在电力通信网中，避免风险分布集中。该方案2综合考虑了全业务风险度、全网络风险度和全网络负载均衡度，选择了对应的全网风险均衡度最小的业务路径，实现了在电力通信网中业务路由均衡的分布，避免风险分布集中；但是考虑了业务的风险度，且只为业务分配了一条路由，缺乏备用路径。

专利方案3：专利公开号为CN102231647A的《一种电力专用光纤通信网络业务路由配置方法》专利，提供一种电力专用光纤通信网络业务路由配置方法，将电力通信网承载的业务按照重要性进行业务分类和优先级排序，依次取出业务进行工作路由寻路，工作路由寻路成功，再对此业务根据其设定的保护方式对保护路由进行寻路，如果保护路由寻路成功，则判定此业务被成功路由。该方案针对优先等级最高的电网运行控制业务,提出一种抗断缆风险的专用保护路由方法，使得电力光纤专网在满足不同电网业务可靠性承载要求的同时，同时提高全网的网络资利用率，针对A类业务专用保护,提高了电力光纤专用通信网在重大自然灾害下的可持续通信能力，确保电力通信网所承载的重要电网生产控制业务在断缆故障情景下仍具有较高的可用性。但是其只考虑业务重要度，缺乏更深入地考虑业务风险度，以及只为业务分配了一条路由，缺乏考虑备用路径。

综上所述，目前已有的电力通信网路由分配方法缺乏考虑双路由配置方法，或者分配路由过程中缺乏考虑业务风险度，在考虑双路由分配的方法中，往往也只考虑了一种权值，缺乏考虑多权值约束条件下的双路由配置方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力通信网的双路由配置方法，以解决目前路由配置过程中由于没有考虑时延和风险度的约束的问题。本发明还提供了一种电力通信网的双路由配置装置。

本发明为解决上述技术问题而提供一种电力通信网的双路由配置方法，该配置方法以业务风险度和传输时延为权值来获取两条完全不相交的路径，其对应的目标函数为：

其中MP和BP分别为主路径和备用路径的节点和边的集合，T_MP为主路径的传输时延，R_BP为备用路径的风险度。

进一步地，该配置方法的步骤如下：

1)构建一个无向图G(V,E)表示电力通信网的拓扑结构，其中G为网络拓扑，V为图G的节点集合，E为图G的边集合，即通信链路的集合；

2)以链路和节点上的时延为权值，获取源节点到目的节点的一条最短路径path1；

3)对path1进行节点分裂，修改分裂后的节点和边的连接关系以及它们的权值，得到新的网络拓扑G₁；

4)在新的网络G₁中，以链路和节点风险度为权值，获取源节点到目的节点之间的最短路径path2；

5)将path1和path2组成一个新的网络，并删除二者的共同边，组成网络G₂；

6)在网络G₂中以时延为权值，获取源节点到目标节点的最短路径pathA作为主路径MP；

7)将pathA对应的边在网络G₂上去除，得到另一条路径pathB作为备用路径BP。

进一步地，所述的风险度为业务路径集合的各个元素的风险度之和，表示为：

其中为链路e_ij的风险度，为节点v_i的风险度。

进一步地，所述的节点和

链路的风险度分别为：

为节点v_i的故障发生概率，为节点v_i的重要度，为链路e_ij的故障发生概率，为链路e_ij的重要度，为节点v_i上承载业务s_k的业务重要度，为业务s_k的个数，S为节点v_i上承载业务的集合。

进一步地，所述步骤2)、步骤4)和步骤6)均采用改进的Dijkstra算法获取相应的最短路径。

进一步地，若得到的path2中包含有分裂节点，需对分裂节点进行还原。

本发明还提供了一种电力通信网的双路由配置装置，该配置装置以业务风险度和传输时延为权值来获取两条完全不相交的路径，其对应的目标函数为：

其中MP和BP分别为主路径和备用路径的节点和边的集合，T_MP为主路径的传输时延，R_BP为备用路径的风险度。

进一步地，该配置装置包括：

用于构建一个无向图G(V,E)表示电力通信网的拓扑结构的模块，其中G为网络拓扑，V为图G的节点集合，E为图G的边集合，即通信链路的集合；

用于以链路和节点上的时延为权值，获取源节点到目的节点的一条最短路径path1的模块；

用于对path1进行节点分裂，修改分裂后的节点和边的连接关系以及它们的权值，得到新的网络拓扑G₁的模块；

用于在新的网络G₁中，以链路和节点风险度为权值，获取源节点到目的节点之间的最短路径path2的模块；

用于将path1和path2组成一个新的网络，并删除二者的共同边，组成网络G₂的模块；

用于在网络G₂中以时延为权值，获取源节点到目标节点的最短路径pathA作为主路径MP的模块；

用于将pathA对应的边在网络G₂上去除，得到另一条路径pathB作为备用路径BP的模块。

进一步地，所述的风险度为业务路径集合的各个元素的风险度之和，表示为：

其中为链路e_ij的风险度，为节点v_i的风险度。

进一步地，所述的节点和链路的风险度分别为：

为节点v_i的故障发生概率，为节点v_i的重要度，为链路e_ij的故障发生概率，为链路e_ij的重要度，为节点v_i上承载业务s_k的业务重要度，为业务s_k的个数，S为节点v_i上承载业务的集合。

本发明的有益效果是:本发明在最大不相交算法的基础上进行改进，以时延和风险度为权值，在电力通信网的网络拓扑中对现有业务进行路由规划，选出业务的主路径和备用路径。本发明通过在Bhandari算法中增加时延和风险的约束，能够得到两条不相交的路径，且主路径时延最短，备用路径风险度最小，保障了电力通信网业务的正常传输，使之更适合电力通信网业务路由配置。

附图说明

图1是电力通信网中传输时延计算原理图；

图2是本发明电力通信网双路由配置方法的流程图；

图3是本发明仿真验证时所参考的电力通信网拓扑图。

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说明。

本发明一种电力通信网的双路由配置方法的实施例

本发明在图论、风险度理论的基础上，构建电力通信网双路由的目标函数，通过求解该目标函数来配置双路由。首先构建一个无向图G(V,E)表示电力通信网的拓扑结构，其中G为网络拓扑；V为图G的节点集合，即传输设备的集合，v_i表示V中第i个节点；E为图G的边集合，即通信链路的集合，E中的每个元素eij(即V中某两个元素vi和vj的无序对)为该图的一条从v_i到v_j的边；定义网络中业务s的传输路径为w，w表示起点v_s到终点v_t所有节点和链路的集合，w_k＝{V_k,E_k|v_i∈V_k,e_ij∈E_k}路径w_k上节点个数为|V_k|，链路个数为|E_k|。

对双路由算法的目标函数阐释如下：

1)基于时延的最短路径

对于单一业务，为了满足对电力系统稳定控制和快速决策的需求，其电力通信网必然要求具备较高的通信速率，以减少传输时延，通常情况下，是以时延作为业务路径选择的标准。电力通信网的业务通常是点对点通信，业务的传输时延是由传输通道时延和传输节点处理时延两部分组成，为传输路径集合中各元素的时延之和。则对于业务s的传输时延可以表示为：

其中，为业务贯穿设备的传输时延，c为真空中的光速(3×105km/s)，为节点v_i节点v_j之间的传输距离，n为光纤芯区的折射率，典型值为1.48。

2)基于风险度的最短路径

从一条业务路径考虑，其风险度取决于路径中各个节点和边的风险度，则业务s的风险度为业务路径集合的各个元素的风险度之和，可以表示为：

为链路e_ij的风险度，为节点v_i的风险度。

3)双路由算法的目标函数

若双路由的两条路径完全不相交，则两条路径必须节点分离，即两条路径之间不存在相同节点(源点、目的点除外)，由于不存在相同节点，因此也不存在相同链路。若主路径MP(Main Path)和备用路径BP(Backup Path)分别为两条分离路径的节点和边的集合，则除源点和目标节点以外，MP和BP应满足

在降低电力通信网业务传输时延的同时，当链路或节点出现故障时，能够快速调整至风险较低的备用路由，来确保业务的稳定传输，则基于业务风险度和传输时延的电力通信网业务双路由目标函数定义为：

其中，TMP为主路径的传输时延，RBP为备用路径的风险度。则该双路由算法将得到两条不相交的路径，且主路径时延最短，备用路径风险度最小。

在搜索备用路径时，将路径集合中各个元素的风险度作为权值进行路径选择，需要对路径元素的风险度进行定量计算。风险评估是指依据一定的标准，基于网络或系统的资产、面临的威胁，存在的脆弱性、采取的措施，定性或定量的评估网络或系统的风险状况，判断危险事件发生的可能性和危险事件带来的损失。一般来说，风险定义为损失的不确定性，则业务路径集合中各元素的风险定义为该元素可能因为故障中断而对电力通信网造成损失的大小。由于各种各样的因素(如自然灾害、施工破环、设备老化等)，电力通信网中的链路和节点无法确保承载的业务百分之百的安全，都有发生故障的概率。则链路和节点风险度与故障发生的概率相关，且成正比，链路和节点故障的可能性越大，链路和节点的风险越大。电力通信网承载着各种类型的业务，不同类型的业务对电力一次系统有着不同的保障作用，某些类型的业务对电力系统的安全运行起着支撑作用，比如安稳控制业务和继电保护业务，这些业务的中断会对电力系统造成不可弥补的损失，而某些类型的业务在电力通信网中有不同的重要性，则节点和链路风险度与其上承载的业务重要度成正相关，业务的重要度越大，承载这条业务的节点和链路的风险也越大。

对于链路和节点来说，其上承载的业务个数越多，该节点和链路中断影响的业务也越多，对电力通信网造成的危害也越大。电力通信网的通信节点所在的站点在实际情况中有不同类型，如调度中心、500KV站点、200VK站点等，这些站点在电网系统中存在电压等级或管理等级以及规模大小区别，不同站点等级的大小反映了其在电力通信网中的影响程度，节点所在的站点重要度越高，当节点出现故障时，所造成的影响范围和程度也就越大。

因此，链路的风险度与链路故障发生的概率、链路重要度、链路上承载业务的重要度和业务数量有关，节点的风险度与节点链路故障发生的概率、节点重要度、节点上承载业务的重要度和业务数量有关，具体地，可采用如下公式进行表示：

为节点v_i的故障发生概率，为节点v_i的重要度，为链路e_ij的故障发生概率，为链路e_ij的重要度，为节点v_i上承载业务s_k的业务重要度，为业务s_k的个数，S为节点v_i上承载业务的集合。

本发明在提出的最大不相交算法的基础上进行改进，以时延和风险度为权值，在电力通信网的网络拓扑中对现有业务进行路由规划，选出业务的主路径、备用路径，该方法的流程如图2所示，具体的实现步骤如下。

1.初始化，设置网络G(V,E,W)；设置W为网络中各元素的权值集合，W(v_i)和W(e_ij)分别表示为节点v_i和边e_ij的二维权值向量，即以节点v_i为例，W(v_i)＝{w₁(v_i),w₂(v_i)}，其中w₁为时延，w₂为节点风险度；设置业务列表(v_s,v_t)，并按业务重要度降序排列，其中v_s为源节点，v_t为目的节点。

2.从业务列表中选择当前待配置业务(v_s,v_t)。

3.使用改进的Dijkstra算法，以节点时延和链路时延w₁为权值，获取源节点v_s到目的节点v_t的一条最短路径path1。

4.对获取的最短路径path1进行节点分裂，修改分裂后的节点和边的连接关系，以及它们的权值，得到新的网络拓扑G₁，节点分裂与现有的最大不相交算法中的节点分裂过程相同，这里不再赘述。

5.在新的网络G₁中，使用改进的Dijkstra算法，根据公式(4)和(5)计算节点风险度和链路风险度，以节点风险度和链路风险度之和w₂为权值，搜索源节点v_s和目的节点v_t之间的最短路径path2。

6.判断最短路径path2中是否包含有分裂节点，若有，则还原path2中的分裂节点，得到path3。

7.将path1和path2或者path1与path3组成一个新的网络，并删除二者的共同边，组成网络G₂。当path2中包含有分裂节点时，将path1与path3组成一个新的网络；当path2中没有分裂节点时，将path1与path2组成一个新的网络。

8.在G₂上实行以w₁为权值的改进的Dijkstra算法，得到源节点v_s到目的节点v_t的最短路径pathA，输出作为主路径MP。

9.将pathA对应的边在图G₂上去除，得到另一条路径pathB，输出作为备选路径BP。

10.将输出的主路径配置在该网络中，更新网络分布，若有业务未分配，则返回步骤2中，执行步骤3-10进行路由配置，直至所有业务的路由配置完成。

本发明一种电力通信网的双路由配置装置的实施例

本实施例中的电力通信网配置装置以业务风险度和传输时延为权值来获取两条完全不相交的路径，建立以下目标函数：

其中MP和BP分别为主路径和备用路径的节点和边的集合，T_MP为主路径的传输时延，R_BP为备用路径的风险度。

具体地，该配置装置包括：用于构建一个无向图G(V,E)表示电力通信网的拓扑结构的模块，其中G为网络拓扑，V为图G的节点集合，E为图G的边集合，即通信链路的集合；用于以链路和节点上的时延为权值，获取源节点到目的节点的一条最短路径path1的模块；用于对path1进行节点分裂，修改分裂后的节点和边的连接关系以及它们的权值，得到新的网络拓扑G₁的模块；用于在新的网络G₁中，以链路和节点风险度为权值，获取源节点到目的节点之间的最短路径path2的模块；用于将path1和path2组成一个新的网络，并删除二者的共同边，组成网络G₂的模块；用于在网络G₂中以时延为权值，获取源节点到目标节点的最短路径pathA作为主路径MP的模块；用于将pathA对应的边在网络G₂上去除，得到另一条路径pathB作为备用路径BP的模块。各模块的具体实现手段已在方法的实施例中进行了说明，这里不再赘述。

为了验证本发明的有效性，下面以某电力公司SDH网络的部分拓扑为例进行仿真，其采用的网络拓扑如图2所示，共有17个节点以及25条链路(光缆)，现在网络中共有20条继电保护业务。

结合网络实际拓扑，可以得到各节点之间链路长度，进一步利用公式(1)得到相邻节点之间的传输时延，利用公式(4)和(5)，结合节点重要度、链路重要度、业务重要度和业务数量得到节点和链路的风险度，对于得到的节点和链路重要度，利用公式(2)可以得到各条业务的业务风险度。现为业务2-15配置双路由，其中主路由以时延最小为目标，备选路由以风险度最小为目标。

以节点和链路时延为权值，利用改进的Dijkstra算法得到业务15-3的最短实验路径path1为[15,16,17,13,14,12,3]，业务时延为0.379ms；以path1为基础进行节点分裂，根据本发明中的步骤5-9，得到备选路由[15,8,7,5,4,3]，风险度为4.94E-13。

本发明在现有最大不相交路由算法的基础上，考虑了时延和风险度约束，以时延为权值确定主路径，以风险度为权值确定备用路径，在降低电力通信网业务传输时延的同时，当链路或节点出现故障时，能够快速调整至风险较低的备用路由，来确保业务的稳定传输。

Claims (10)

1.一种电力通信网的双路由配置方法，其特征在于，该配置方法以业务风险度和传输时延为权值来获取两条完全不相交的路径，其对应的目标函数为：

其中MP和BP分别为主路径和备用路径的节点和边的集合，T_MP为主路径的传输时延，R_BP为备用路径的风险度。

2.根据权利要求1所述的电力通信网的双路由配置方法，其特征在于，该配置方法的步骤如下：

1)构建一个无向图G(V,E)表示电力通信网的拓扑结构，其中G为网络拓扑，V为图G的节点集合，E为图G的边集合，即通信链路的集合；

2)以链路和节点上的时延为权值，获取源节点到目的节点的一条最短路径path1；

3)对path1进行节点分裂，修改分裂后的节点和边的连接关系以及它们的权值，得到新的网络拓扑G₁；

4)在新的网络G₁中，以链路和节点风险度为权值，获取源节点到目的节点之间的最短路径path2；

5)将path1和path2组成一个新的网络，并删除二者的共同边，组成网络G₂；

6)在网络G₂中以时延为权值，获取源节点到目标节点的最短路径pathA作为主路径MP；

7)将pathA对应的边在网络G₂上去除，得到另一条路径pathB作为备用路径BP。

3.根据权利要求1或2所述的电力通信网的双路由配置方法，其特征在于，所述的风险度为业务路径集合的各个元素的风险度之和，表示为：

$R_s=\underset{e_{ij}\∈s}{\Σ}{R}_{e_{ij}}+\underset{v_i\∈s}{\Σ}{R}_{v_i}$

其中为链路e_ij的风险度，为节点v_i的风险度。

4.根据权利要求3所述的电力通信网的双路由配置方法，其特征在于，所述的节点和链路的风险度分别为：

$R_{v_i}=P_{v_i}\×I_{v_i}\×\underset{s_k\∈S}{\Σ}{d}_{s_k}{n}_{s_k}$

$R_{e_{ij}}=P_{e_{ij}}\×I_{e_{ij}}\×\underset{s_k\∈S}{\Σ}{d}_{s_k}{n}_{s_k}$

为节点v_i的故障发生概率，为节点v_i的重要度，为链路e_ij的故障发生概率，为链路e_ij的重要度，为节点v_i上承载业务s_k的业务重要度，为业务s_k的个数，S为节点v_i上承载业务的集合。

5.根据权利要求2所述的电力通信网的双路由配置方法，其特征在于，所述步骤2)、步骤4)和步骤6)均采用改进的Dijkstra算法获取相应的最短路径。

6.根据权利要求2所述的电力通信网的双路由配置方法，其特征在于，若得到的path2中包含有分裂节点，需对分裂节点进行还原。

7.一种电力通信网的双路由配置装置，其特征在于，该配置装置以业务风险度和传输时延为权值来获取两条完全不相交的路径，其对应的目标函数为：

其中MP和BP分别为主路径和备用路径的节点和边的集合，T_MP为主路径的传输时延，R_BP为备用路径的风险度。

8.根据权利要求7所述的电力通信网的双路由配置装置，其特征在于，该配置装置包括：

用于构建一个无向图G(V,E)表示电力通信网的拓扑结构的模块，其中G为网络拓扑，V为图G的节点集合，E为图G的边集合，即通信链路的集合；

用于以链路和节点上的时延为权值，获取源节点到目的节点的一条最短路径path1的模块；

用于对path1进行节点分裂，修改分裂后的节点和边的连接关系以及它们的权值，得到新的网络拓扑G₁的模块；

用于在新的网络G₁中，以链路和节点风险度为权值，获取源节点到目的节点之间的最短路径path2的模块；

用于将path1和path2组成一个新的网络，并删除二者的共同边，组成网络G₂的模块；

用于在网络G₂中以时延为权值，获取源节点到目标节点的最短路径pathA作为主路径MP的模块；

用于将pathA对应的边在网络G₂上去除，得到另一条路径pathB作为备用路径BP的模块。

9.根据权利要求7或8所述的电力通信网的双路由配置装置，其特征在于，所述的风险度为业务路径集合的各个元素的风险度之和，表示为：

$R_s=\underset{e_{ij}\∈s}{\Σ}{R}_{e_{ij}}+\underset{v_i\∈s}{\Σ}{R}_{v_i}$

其中为链路e_ij的风险度，为节点v_i的风险度。

10.根据权利要求9所述的电力通信网的双路由配置装置，其特征在于，所述的节点和链路的风险度分别为：

$R_{v_i}=P_{v_i}\×I_{v_i}\×\underset{s_k\∈S}{\Σ}{d}_{s_k}{n}_{s_k}$

$R_{e_{ij}}=P_{e_{ij}}\×I_{e_{ij}}\×\underset{s_k\∈S}{\Σ}{d}_{s_k}{n}_{s_k}$

为节点v_i的故障发生概率，为节点v_i的重要度，为链路e_ij的故障发生概率，为链路e_ij的重要度，为节点v_i上承载业务s_k的业务重要度，为业务s_k的个数，S为节点v_i上承载业务的集合。