CN106877497A - 一种电力终端通信接入网和优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电力终端通信接入网和优化方法，目的是实现快速优化、降低成本，解决电力终端通信接入网规划困难的问题。所述电力终端通信接入网包含第一层以太网和第二层以太网；第一层以太网包含一个高压变电站节点及高压变电站节点在中压配电网中的全部子节点；第一层以太网为环形网络拓扑；第二层以太网的数量与10kV变压器节点数量相同；10kV变压器节点是第一层以太网和第二层以太网的交汇节点；第二层以太网为环形加树形网络拓扑；电力终端通信接入网满足可行解边界条件、增量成本最小。本发明的电力终端通信接入网优化方法，涉及遗传算法框架中的评估函数、交配算法和变异算法。本发明极大地提升了网络规划和优化的效率，降低了算法复杂度。

Description

一种电力终端通信接入网和优化方法

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种电力系统的通信接入网，及网络优化方法。

背景技术

终端通信接入网是电力企业提供智能配用电业务的重要承载网络，承载了包括配电自动化、用电信息采集、电动车充电站接入等需求业务。因此，构建架构合理、性能可靠、安全可控、成本适中的接入网受到电力企业的关注。

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，使用TCP/IP协议，具有技术成熟、性能稳定、耐高温潮湿和强电磁干扰等恶劣环境的特点，且在传输速率、传输距离以及互操作性等方面可以满足电力终端通信的需求，成为一种备选的电力终端通信接入网方案。

在电力终端通信接入网建设成本重要。网络的建设成本主要包括光纤敷设成本和节点设备成本。由于电力终端与电力设备的物理位置有大量重合，因此光纤敷设时可以尽量借用配电网的物理管道来降低成本；同时工业以太网交换机的设计数量会对光纤敷设路径造成影响，在网络规划设计中需权衡考虑交换机的部署位置和数量。部分电力业务，如对智能配电终端的遥控或视频监控等，对网络实时性的要求较高，因此网络规划的侧重点在于保证实时性以及降低建设成本。

在小规模的网络规划设计中，遗传算法框架同样适用。但在配电现网中，中压、低压配电网中包含的通信终端较多，通常1个高压变电站的覆盖范围内存在约100个10kV变电站及各类监测终端，每个10kV变电站覆盖范围内存在约100个台区和10个充电桩，即接入网络的终端数量约为10⁴量级。在如此大的接入终端数下，获得近似最优解的计算复杂度极高，将会消耗大量的计算资源和时间。

发明内容

本发明公开一种电力终端通信接入网和优化方法，本发明的目的是实现电力终端通信接入网快速优化、降低网络建设成本，解决电力终端通信接入网规划困难的问题。

本申请实施例提供一种电力终端通信接入网，由节点和链路组成，所述节点包含高压变电站节点、中压配电节点、低压配电节点；所述高压变电站节点和中压配电节点还组成中压配电网；所述中压配电节点包含开闭所、环网柜、柱上开关、10kV变压器；所述10kv变压器和所述低压配电节点还组成低压配电网；所述中压配电网和低压配电网的拓扑结构为树状，通过已有物理管道连接；树的根节点为所述高压变电站节点；所述中压配电网每个分支的最深节点是10kV变压器节点；所述10kV变压器是中压配电网和低压配电网的分界点；所述低压配电网是每个10kV变压器和至少一个低压配电节点构成的子树。所述高压变电站节点、中压配电节点、低压配电节点包含以太网交换机，通过所述链路连接组成所述电力终端通信接入网；所述电力终端通信接入网包含第一层以太网和第二层以太网；每一个所述第一层以太网包含一个高压变电站节点、及所述高压变电站节点在所述中压配电网中的全部子节点；所述第一层以太网为环形网络拓扑；所述第二层以太网的数量与所述第一层以太网内的10kV变压器节点数量相同；所述10kV变压器节点是所述第一层以太网和所述第二层以太网的交汇节点；所述第二层以太网为环形加树形网络拓扑；所述电力终端通信接入网的相邻节点之间通过物理管道连接，所述物理管道包含可重用的已有物理管道和新增物理管道；所述相邻节点之间的链路为光纤连接；所述电力终端通信接入网满足可行解边界条件，所述可行解边界条件包含通信延时条件、端口数量条件、节点数量条件：设节点L_i至所述高压变电站节点的通信延时为τ_i＝τ₀N_i，所述通信延时条件表示为：τ_i＜τ_Mi，其中τ₀是每个节点处以太网交换机的交换延时，N_i是L_i与高压变电站节点之间通信链路所经过的节点总数，节点L_i业务要求的最大延时为τ_Mi；所述端口数量条件表示为：S_i＜S_M，其中S_i为除高压变电站节点外，第i个以太网交换机连接的节点数；S_M表示以太网交换机的端口数；所述节点数量条件表示为M_i≤P_M，M_i为第i个第二层以太网环网内节点数量，中P_M是预设的环内最多节点数。

进一步地，所述电力终端通信接入网满足增量成本最小，所述增量成本包含光纤成本C_f、新增物理管道成本C_t和以太网交换机成本C_s。

本发明实施例还提供一种电力终端通信接入网优化方法，用于本发明任意一项实施例所述电力终端通信接入网，包含以下步骤：

改变所述第一层以太网中节点的连接次序，对所述第一层以太网的成本进行优化，优化目标为第一层以太网增量成本最小，得到所述第一层以太网的最优解；改变每一个第二层以太网中节点的连接次序，对所述每一个第二层以太网的成本进行优化，优化目标为每一个第二层以太网增量成本最小，得到每一个第二层以太网的最优解；所述第一层以太网增量成本为第一层以太网光纤成本C_1f、第一层以太网新增物理管道成本C_1t和第一层以太网交换机成本C_1s的总和；所述第二层以太网增量成本为第二层以太网光纤成本C_2f、第二层以太网新增物理管道成本C_2t和第二层以太网交换机成本C_2s的总和。

进一步优选地，本发明所述电力终端通信接入网优化方法，还包含以下步骤：检查所述电力终端通信接入网中任意一个第二层以太网节点与所述高压变电站节点之间是否满足所述通信延时条件，如果不满足，则取所述第二层以太网的次优解。

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第一层以太网进行优化的步骤包括：

用遍历方法得到第一层以太网的拓扑结构，并满足所述可行解边界条件，得到多个初始化的第一层以太网可行解；

以所述初始化的第一层以太网可行解为基础，通过遗传算法获得新第一层以太网可行解，每遗传一次经过交配的步骤和变异的步骤，直到满足预设的遗传次数；

在所有的第一层以太网可行解中选择第一层以太网增量成本最小的第一层以太网可行解。

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法，对所述第二层以太网进行优化的步骤包括：

用随机的方法得到第二层以太网的拓扑结构，并满足所述可行解边界条件，得到多个初始化的第二层以太网可行解；所述第二层以太网可行解中，一部分节点组成第二层以太网环网，另一部分节点直接与所述环网的节点就近相连，构成第二层以太网分支；

以所述初始化的第二层以太网可行解为基础，通过遗传算法获得新第二层以太网可行解，每遗传一次经过交配的步骤和变异的步骤，直到满足预设的遗传次数；

在所有的第二层以太网可行解中选择第二层以太网增量成本最小的第二层以太网可行解。

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第一层以太网进行优化时，所述交配的步骤包括：

取两个第一层以太网可行解，分别表示为第一层第一可行解节点序列、第一层第二可行解节点序列；

将两个可行解分别随机分成两段，按照第一层第一可行解节点序列前段、第一层第二可行解节点序列前段、第一层第一可行解节点序列后段、第一层第二可行解节点序列后段的顺序排列，得到新第一层以太网节点序列；

除了保留首尾节点外，将所述新第一层以太网节点序列中每个节点的重复节点删除，得到第一层以太网交配结果序列。

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第一层以太网进行优化时，所述变异的步骤包括：

取所述第一层以太网交配结果序列，表示为向量{y_i}，y_i表示第一层以太网交配结果序列中第i个节点，如果节点y_m和y_m+1之间没有可复用的物理管道，且L_m，n<min(L_n-1，n，L_n，n+1)，则调换y_m+1和y_n的位置；其中，L_m，n为y_m至y_n的连接距离，L_n-1，n为y_n-1至y_n的连接距离，L_n，n+1为y_n至y_n+1的连接距离。

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第二层以太网进行优化时，所述交配的步骤针对每一个第二层以太网，包括以下步骤：

取两个第二层以太网可行解，所述环网分别表示为第二层第一可行解节点序列、第二层第二可行解节点序列；

将所述第二层第一可行解节点序列、第二层第二可行解节点序列首尾相连，得到新第二层以太网环网节点序列；除了保留首尾节点外，将所述新第二层以太网环网节点序列中每个节点的重复节点删除；

随机选择所述新第二层以太网环网节点序列中的至少一个节点改为所述分支的节点，和/或随机选择所述分支的至少一个节点加入所述新第二层以太网环网节点序列中，得到第二层以太网交配结果序列，得到第二层以太网交配结果序列。

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第二层以太网进行优化时，所述变异的步骤包括

取所述第二层以太网交配结果序列，表示为{b_i}，b_i表示第二层以太网交配结果序列中第i个节点，如果在第二层以太网环网内节点满足L_m，n+L_n，m+1<L_n-1，n+L_n，n+1，则将b_n移至b_m和b_m+1之间；其中，L_m，n为b_n和b_m之间的距离，L_n，m+1是b_n和b_m+1之间的距离，L_n-1，n是b_n-1和b_n之间的距离，L_n，n+1是b_n和b_n+1之间的距离。

本发明提出了一种针对基于工业以太网的电力终端通信接入网、利用分层遗传算法对网络进行规划设计的方法。本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本方法针对电力终端通信接入网的建设需求，设计了网络拓扑结构以及遗传算法框架中的评估函数、交配算法和变异算法：设计了基于增量成本的评估函数构建方法，更符合施工装维的现实情况；设计了基于环形网络拓扑的随机交配算法，具有快速高效的特点；设计了基于地理位置信息的变异算法，加速算法的收敛速度。特别地，该方法针对配电网拓扑、电力终端通信接入网业务类型和数据流量，采用分层规划的方案：将中压电力终端与低压电力终端分成两层，每一层分别规划后再将两层联合规划，极大地提升了算法效率，降低了算法复杂度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为中低压配电网拓扑及电力通信终端位置示意图；

图2a为配电网结构与终端通信接入网结构示意图；

图2b为终端通信接入网拓扑结构示意图；

图3为遗传算法示意图；

图4为本发明网络优化方法流程图；

图5为第一层以太网优化方法流程图；

图6为第一层以太网可行解进行交配的步骤示意图；

图7为第一层以太网可行解进行编译的步骤示意图；

图8为第二层以太网优化方法流程图；

图9为第二层以太网可行解进行交配的步骤示意图；

图10是第二层以太网可行解进行变异的步骤示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

综合上述背景，本发明提出了一种基于遗传算法框架的网络规划设计方法，该方法考虑了配电现网的拓扑结构和电力终端物理位置，针对电力终端通信接入网的建设需求设计了网络拓扑结构以及遗传算法框架中的评估函数、交配算法和变异算法，能够快速地实现基于工业以太网的电力终端通信接入网规划设计。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为中低压配电网拓扑及电力通信终端位置示意图。在配电现网中，从高压变电站的出线开始进入中低压配电环节，如图1所示。我国配电线网中的中、低压配电网基本拓扑结构呈树状，树的根节点是高压变电站节点(220kV/110kV/35kV至10kV)。开闭所、环网柜、柱上开关和10kV变压器(包括杆变、箱变或者配电室)组成中压配电节点，中压配电网每个分支的最深节点都是10kV变压器，即10kV变压器只能作为开闭所、环网柜或柱上开关的子节点，它是中、低压配电的分界点。低压配电网指的是每个10kV变压器及其子节点构成的子树，现网中10kV变压器的子节点主要包括楼宇配电箱、电动车充电桩和分布式能源站。随着智能电网建设的不断推进，配电网中正在逐步部署多种电力通信终端。它们的主要用途是对电力设备的运行状态进行监控、检测，对其运行参数进行调度、遥控，或执行数据采集和传输等任务。图1展示了几种常见的电力通信终端(用圆形表示，其中DTU-配电自动化终端，FTU-馈线终端，TTU-配变终端)在中、低压配电网中的物理位置。电力终端通信接入网的设计和优化目标即为：在保证各类终端实现网络接入的同时，实现网络性能和成本的优化。

图2包含电力配电网、电力终端通信接入网的结构和拓扑示意图。其中，图2a为配电网结构与终端通信接入网结构示意图。需要注意的是，在配电网拓扑中，中、低压配电网分界清晰且节点分工明确，因此适于对终端通信接入网进行分层优化。还需要说明，各节点中，进一步包含通信装置和配电装置，因此节点有通信和电力两类接口。这些节点既构成电力终端接入网、也构成配电网。当然电力终端接入网是由各个节点通过通信接口连接组成，配电网是由各个节点通过电力接口连接组成。因此，本申请实施例提供的一种电力终端通信接入网，由节点和链路5组成，所述节点包含高压变电站节点1、中压配电节点2、低压配电节点3；所述高压变电站节点和中压配电节点还组成中压配电网；所述中压配电节点包含开闭所21、环网柜22、柱上开关23、10kV变压器24；所述10kv变压器和所述低压配电节点还组成低压配电网；所述低压配电节点包含集中器31、充电桩32或分布式能源站33；所述中压配电网和低压配电网的拓扑结构为树状，通过已有物理管道连接60，61，其中包含配电线4；树的根节点为所述高压变电站节点；所述中压配电网每个分支的最深节点是10kV变压器节点；所述10kV变压器是中压配电网和低压配电网的分界点；所述低压配电网是每个10kV变压器和至少一个低压配电节点构成的子树。所述高压变电站节点、中压配电节点、低压配电节点包含以太网交换机，通过所述链路相互连接组成所述电力终端通信接入网；所述电力终端通信接入网包含第一层以太网和第二层以太网；每一个所述第一层以太网包含一个高压变电站节点、及所述高压变电站节点在所述中压配电网中的全部子节点；所述第一层以太网为环形网络拓扑；所述第二层以太网的数量与所述第一层以太网内的10kV变压器节点数量相同；所述10kV变压器节点是所述第一层以太网和所述第二层以太网的交汇节点；所述第二层以太网为环形加树形网络拓扑；所述电力终端通信接入网的相邻节点之间通过物理管道连接，所述物理管道包含可重用的已有物理管道61和新增物理管道62；所述相邻节点之间的链路为光纤连接7。

例如，本方法设计的电力终端通信接入网由双层工业以太网构成，每一层工业以太网均以为环状拓扑结构为基础。第一层工业以太网环的实现原则为：在高压变电站处部署工业以太网交换机，作为整个接入网接入核心网的接入节点；在开闭所、环网柜、柱上开关、10kV变压器等处部署工业以太网交换机，作为第一层网环中的节点，并将这些位置处的各类终端(包括DTU、FTU及其他RTU等)接入网络；一台高压变电站覆盖的区域内只包含一个第一层网环。第二层工业以太网的实现原则为：第二层工业以太网中环的数量与区域内10kV变压器的数量一致，10kV变压器处的工业以太网交换机作为第二层工业以太网的网环与第一层工业以太网网环的交汇节点；在集中器、充电桩或分布式能源站处选择性的部署工业以太网交换机，作为第二层工业以太网的网环中的节点；低压配电网中的通信终端(例如，集中器和控制器等)按照就近原则通过附近的工业以太网交换机接入网络。

为了清楚地反映网络层次关系，图2b是电力终端通信接入网拓扑结构示意图，与图2a的网络结构相对应。高压配电站节点和中压配电节点部署交换机并共同构成第一层网环；低压配电节点有选择地部署交换机并与10kV变压器处处交换机共同构成第二层网环。第一层工业以太网结构为简单的环形拓扑，本申请文件中称为第一层以太网8；第二层工业以太网结构为环形+树形拓扑，本申请文件中称为第二层以太网9，所述第二层以太网包含多个，每一个第二层以太网进一步包含第二层以太网环网91、第二层以太网分支92。

进一步地，为降低成本，第二层以太网分支节点包含的通信装置仅具备数据收发功能，代替以太网交换机。

需要说明的是，图2a～b简要地示意了各类通信终端选择接入某层网环的原则。实际上，所述第一层以太网中中压配电节点(包含开闭所21、环网柜22、柱上开关23、10kV变压器24)的数量、所述第二层以太网中低压配电节点(包含集中器31、充电桩32或分布式能源站33)的数量>>2。

所述电力终端通信接入网满足可行解边界条件，所述可行解边界条件包含通信延时条件、端口数量条件、节点数量条件：

设第i个节点L_i至所述高压变电站节点的通信延时为τ_i＝τ₀N_i，所述通信延时条件表示为：τ_i＜τ_Mi，其中τ₀是每个节点处以太网交换机的交换延时，N_i是L_i与高压变电站节点之间通信链路所经过的节点总数，节点L_i业务要求的最大延时为τ_Mi。

当所有业务要求的最大延时均为τ_M时，通信延时条件可以简化为：τ₀(N+M-1)＜τ_M，其中N是第一层以太网中的交换机数，M是最大的第二层以太网环网中交换机数。

所述端口数量条件表示为：S_i＜S_M，其中S_i为除高压变电站节点外，第i个以太网交换机连接的节点数；S_M表示以太网交换机的端口数。

所述节点数量条件表示为M_i≤P_M，M_i为第i个第二层以太网环网内节点数量，中P_M是预设的环内最多节点数。

进一步地，所述电力终端通信接入网满足增量成本最小，所述增量成本包含所述光纤成本C_f、所述新增物理管道成本C_t和所述以太网交换机成本C_s。

评估函数为

f_c＝C_f+C_t+C_s 公式1

有

C_f＝L_tC_f0 公式1.1

C_t＝(L_t-L_e)C_t0 公式1.2

其中L_t为所有链路连接的长度，L_e为可重用的已有物理管道的长度，N是第一层网环中的交换机数，M_i是第i个第二层以太网中的交换机数，k是第二层以太网的数量，C_f0、C_t0和C_s0分别为光纤、物理管道和交换机的单价。

图3为遗传算法示意图。遗传算法框架是一种借鉴生物进化论的随机化搜索方法，通过将可行解集合中的元素不断进行交配、变异产生进化，维护可行解集合不断趋于更优，从而在足够多的进化次数后，得到近似最优解。遗传算法用于本发明的网络，基本步骤包括：

步骤10、在本发明所述第一层以太网和第二层以太网中初始化可行解集合，生成一组可行解。

步骤20、构造评估函数，即公式1，按照评估函数对可行解进行评估，获得评估结果，根据评估函数测算可行解的适应度。

然后，根据适应度保留某些候选解，并生成一些新的候选解。

步骤30、遗传过程，采用交配算法，并依据所述评估函数公式1选择2个可行解进行交配。

步骤40、变异过程，采用变异算法，对交配结果做进一步优化。

步骤50、判断是否获得足够多的可行解集合。如果不足，则不断进行步骤30～步骤40的操作，直到获得足够多的可行解集合。

步骤60、判断是否达到足够的遗传次数(遗传次数可以预先设定)，如果不够则回到步骤20，继续下一代遗传和变异算法。

步骤70、利用评估函数对最终生成的可行解进行评估得到最优评估结果。

图4为本发明网络优化方法流程图。本发明实施例还提供一种电力终端通信接入网优化方法，用于本发明任意一项实施例所述电力终端通信接入网，包含以下步骤：

步骤100、改变所述第一层以太网中节点的连接次序，对所述第一层以太网的成本进行优化，优化目标为第一层以太网增量成本最小，得到所述第一层以太网的最优解；所述第一层以太网增量成本为第一层以太网光纤成本C_1f、第一层以太网新增物理管道成本C_1t和第一层以太网交换机成本C_1s的总和；

第一层以太网评估函数为

f_1c＝C_1f+C_1t+C_1s 公式2

有，

C_1f＝L₁t_Cf0 公式2.1

C_1t＝(L_1t-L_1e)C_t0 公式2.2

C_1s＝NC_s0 公式2.3

其中，L_1t为第一层以太网中所有链路连接的长度；L_1e为第一层以太网中可重用的已有物理管道的长度；N是第一层网环中的交换机数；C_f0、C_t0和C_s0分别为光纤、物理管道和交换机的单价。

步骤200、改变每一个第二层以太网中节点的连接次序，对所述每一个第二层以太网的成本进行优化，优化目标为每一个第二层以太网增量成本最小，得到每一个第二层以太网的最优解；所述第二层以太网增量成本为第二层以太网光纤成本C_2f、第二层以太网新增物理管道成本C_2t和第二层以太网交换机成本C_2s的总和。

第二层以太网评估函数为

f_2c＝C_2f+C_2t+C_2s 公式3

有，

C_2f＝L_2tC_f0 公式3.1

C_2t＝(L_2t-L_2e)C_t0 公式3.2

其中，L_2t为第二层以太网中所有链路连接的长度；L_2e为第二层以太网中可重用的已有物理管道的长度；M_i是第i个第二层以太网中的交换机数；C_f0、C_t0和C_s0分别为光纤、物理管道和交换机的单价。

进一步优选地，本发明所述电力终端通信接入网优化方法，将步骤100和步骤200中规划设计的结果组合起来获得网络规划方案X_t，整体检查X_t是否满足通信延时条件，若某些终端的实时性无法满足通信延时条件，则取该终端所在第二层以太网环网的规划结果的次优解组成新的X_t′，再次检查X_t′直至满足边界条件为止。因此还包含以下步骤：

步骤300、检查所述电力终端通信接入网中任意一个第二层以太网节点与所述高压变电站节点之间是否满足所述通信延时条件，如果不满足，则取所述第二层以太网的次优解，直至满足所述通信延时条件。

步骤400、进一步地，检查X_t中第二层网环中每个节点连接交换机的路径是否满足就近原则，对不满足原则的终端进行链路调整。

图5为第一层以太网优化方法流程图。利用本方案中描述的遗传算法框架(包括评估函数、遗传算法、变异算法等)对第一层工业以太网环进行规划设计。在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第一层以太网进行优化的步骤包括：

步骤110、用遍历方法得到第一层以太网的拓扑结构，并满足所述可行解边界条件，得到多个初始化的第一层以太网可行解；

例如，删除中、低压配电网的树型拓扑中所有属于第二层网环的节点(集中器、充电桩和分布式能源站的控制器等)，仍将获得一个树型拓扑结构，记为T₁；对T₁进行深度优先的前序遍历，获得遍历序列V₁，将V₁首尾连接获得一个环状的第一层以太网并进行边界条件检验；随机调换T₁中若干子树或叶子节点的位置获得树T₂，使T₂与T₁表示形式不一样但拓扑结构等价(为理解，举一个最简单例子，例如父节点为A，子节点为B、C的树，当B与C位置交换后树的表示形式改变，但拓扑结构等价；经深度优先前序遍历得到的可行解结果不同，分别为ABC、ACB)，再对T₁进行深度优先的前序遍历……重复上述过程直至第一层以太网的可行解初始化完毕，获得第一层以太网多个初始化可行解。

需要指出，此可行解初始化算法的特点在于：利用深度优先前序遍历算法可以快速地初始化可行解；更重要的是，通过此算法生成的第一层以太网能对已有物理管道进行较为充分的复用。

步骤120、以所述初始化的第一层以太网可行解为基础，通过遗传算法获得新第一层以太网可行解，每遗传一次经过交配的步骤和变异的步骤，直到满足预设的遗传次数；

步骤130、在所有的第一层以太网可行解中选择第一层以太网增量成本最小的第一层以太网可行解。

图6为第一层以太网可行解进行交配的步骤示意图。在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第一层以太网进行优化时，所述交配的步骤包括：

步骤121、取两个第一层以太网可行解，分别表示为第一层第一可行解节点序列、第一层第二可行解节点序列；如图所示，O表示高压变电站节点，两个交配对象分别记为{x_i}和{w_i}；首尾元素相同，表示按照节点序列顺序相连形成的环形网络。

例如，{x_i}＝{O，x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，O}，

{w_i}＝{O，w₁，w₂，w₃，w₄，w₅，w₆，O}

步骤122、将两个可行解分别随机分成两段，按照第一层第一可行解节点序列前段、第一层第二可行解节点序列前段、第一层第一可行解节点序列后段、第一层第二可行解节点序列后段的顺序排列，得到新第一层以太网节点序列；例如，将{x_i}和{w_i}分别在随机位置截为两段{x_1i}、{x_2i}、{w_1i}和{w_2i}，并将它们按照{x_1i，w_1i，x_2i，w_2i}的顺序排列获得新的向量{y_i}；具体表示为

{x_1i}＝{O，x₁，x₂，x₃}

{x_2i}＝{x₄，x₅，x₆，O}

{w_1i}＝{O，w₁，w₂}

{w_2i}＝{w₃，w₄，w₅，w₆，O}

{y_i}＝{O，x₁，x₂，x₃，O，w₁，w₂，x₄，x₅，x₆，O，w₃，w₄，w₅，w₆，O}

步骤123、除了保留首尾节点外，将所述新第一层以太网节点序列中每个节点的重复节点删除，经过边界条件检验后得到第一层以太网交配结果序列。

例如，{y_i}中x₁＝w₁，x₂＝w₃，x₃＝w₆，x₄＝w₄，x₅＝w₅，x₆＝w₂，则得到的第一层以太网交配序列为：{O，x₁，x₂，x₃，w₂，x₄，x₅，O}。

图7为第一层以太网可行解进行变异的步骤示意图。在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第一层以太网进行优化时，所述变异的步骤包括：

步骤124、取所述第一层以太网交配结果序列，表示为向量{y_i}，y_i表示第一层以太网交配结果序列中第i个节点，如果节点y_m和y_m+1之间没有可复用的物理管道，且L_m，n<min(L_n-1，n，L_n，n+1)，则调换y_m+1和y_n的位置(即在节点序列中的顺序号码交换，见图7b)；其中，L_m，n为y_m至y_n的连接距离，L_n-1，n为y_n-1至y_n的连接距离，L_n，n+1为y_n至y_n+1的连接距离。图7中，a表示变异前的节点位置，b变异后的节点位置。仅为说明相关节点的关系，图7的拓扑结构中只表示出节点m，m+1，n-1，n，n+1，及连接相邻节点链路，省略了其他节点和链路。

图8为第二层以太网优化方法流程图；利用本方案中描述的遗传算法框架(包括评估函数、遗传算法、变异算法等)对各个第二层工业以太网环进行规划设计。在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法，对所述第二层以太网进行优化的步骤包括：

步骤210、用随机的方法得到第二层以太网的拓扑结构，并满足所述可行解边界条件，得到多个初始化的第二层以太网可行解；所述第二层以太网可行解中，一部分节点组成第二层以太网环网，另一部分节点直接与所述环网的节点就近相连，构成第二层以太网分支；

例如，取出低压配电网拓扑结构中某个以10kV变压器为根节点的子树，该子树的深度为2，即根节点下只有叶子节点，记其为T_s1；从T_s1的叶子节点中随机选出t个节点作为放置工业以太网交换机的位置，将根节点和这t个节点依次构成环形；将其他叶子节点的终端按照就近原则连接至它们附近的交换机处并进行边界条件检验；重复以上过程直至第二层网络的可行解初始化完毕。

步骤220、以所述初始化的第二层以太网可行解为基础，通过遗传算法获得新第二层以太网可行解，每遗传一次经过交配的步骤和变异的步骤，直到满足预设的遗传次数；

步骤230、在所有的第二层以太网可行解中选择第二层以太网增量成本最小的第二层以太网可行解。

图9为第二层以太网可行解进行交配的步骤示意图；

在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第二层以太网进行优化时，所述交配的步骤针对每一个第二层以太网，包括以下步骤：

步骤221、取两个第二层以太网可行解，所述环网分别表示为第二层第一可行解节点序列、第二层第二可行解节点序列；将交配对象中的环形拓扑结构用向量的形式表示，此时o表示10kV变压器处的交换机节点，两个交配对象的环形拓扑结构分别记为{a_i}和{v_i}；首尾元素相同，表示按照节点序列顺序相连形成的环形网络。

例如，{a_i}＝{o，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，o}

{v_i}＝{o，v₁，v₂，v₃，v₄，v₅，v₆，o}

步骤222、将所述第二层第一可行解节点序列、第二层第二可行解节点序列首尾相连，得到新第二层以太网环网节点序列；除了保留首尾节点外，将所述新第二层以太网环网节点序列中每个节点的重复节点删除；

例如，将{a_i}和{v_i}按照{a_i，v_i}的顺序排列获得新的向量{b_i}，

{o，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，o，o，v₁，v₂，v₃，v₄，v₅，v₆，o}；

删除{b_i}中除首尾外的o元素，删除{b_i}中的重复元素。例如a₁，a₂，a₃分别等同于v₃，v₄，v₅，则得到

{o，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，v₁，v₂，v₆，o}；

步骤223、随机选择所述新第二层以太网环网节点序列中的至少一个节点改为所述分支节点，和/或随机选择至少一个所述分支节点加入所述新第二层以太网环网节点序列中，其他分支节点不变，得到第二层以太网交配结果序列。

例如，第二层以太网还包含分支节点d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，从分支节点中随机选择节点d₁，d₂，增加到{b_i}中，得到的第二层以太网环网节点为

{o，a₁，a₂，d₁，a₃，a₄，d₂，a₅，a₆，v₁，v₂，v₆，o}；

剩余的第二层以太网分支节点为d₃，d₄，d₅。

再例如，随机删除{b_i}中的a₂，a₃节点，变为分支节点，得到的第二层以太网环网元素为

{o，a₁，a₄，a₅，a₆，v₁，v₂，v₆，o}；

剩余的第二层以太网分支节点为d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，a₂，a₃。

(4)将未出现在{b_i}中的终端节点(即剩余的第二层以太网分支节点)按照就近原则连接至{b_i}中的节点，经过边界条件检测后即获得交配结果。

图10是第二层以太网可行解进行变异的步骤示意图。在本申请实施例中提供的一种电力终端通信接入网优化方法中，对所述第二层以太网进行优化时，所述变异的步骤包括：

步骤224、取所述第二层以太网交配结果序列，表示为{b_i}，b_i表示第二层以太网交配结果序列中第i个节点，如果在第二层以太网环网内节点满足L_m，n+L_n，m+1<L_n-1，n+L_n，n+1，则将b_n移至b_m和b_m+1之间；其中，L_m，n为b_n和b_m之间的距离，L_n，m+1是b_n和b_m+1之间的距离，L_n-1，n是b_n-1和b_n之间的距离，L_n，n+1是b_n和b_n+1之间的距离。图10中，a表示变异前的节点位置，b变异后的节点位置。仅为说明相关节点的关系，图10的拓扑结构中只表示出节点m，m+1，n-1，n，n+1，及连接相邻节点链路，省略了其他节点和链路。

本发明专利的保护内容包括所有利用两层遗传算法对基于环形工业以太网的电力终端通信接入网进行拓扑设计和网络规划的方法，不仅限于必须使用本文中描述的可行解初始化算法、遗传算法、变异算法等具体算法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电力终端通信接入网，由节点和链路组成，所述节点包含高压变电站节点、中压配电节点、低压配电节点；所述高压变电站节点和中压配电节点还组成中压配电网；所述中压配电节点包含开闭所、环网柜、柱上开关、10kV变压器；所述10kv变压器和所述低压配电节点还组成低压配电网；所述中压配电网和低压配电网的拓扑结构为树状，通过已有物理管道连接；树的根节点为所述高压变电站节点；所述中压配电网每个分支的最深节点是10kV变压器节点；所述10kV变压器是中压配电网和低压配电网的分界点；所述低压配电网是每个10kV变压器和至少一个低压配电节点构成的子树；其特征在于，

所述高压变电站节点、中压配电节点、低压配电节点包含以太网交换机，通过所述链路连接组成所述电力终端通信接入网；

所述电力终端通信接入网包含第一层以太网和第二层以太网；

每一个所述第一层以太网包含一个高压变电站节点、及所述高压变电站节点在所述中压配电网中的全部子节点；所述第一层以太网为环形网络拓扑；

所述第二层以太网的数量与所述第一层以太网内的10kV变压器节点数量相同；所述10kV变压器节点是所述第一层以太网和所述第二层以太网的交汇节点；所述第二层以太网为环形加树形网络拓扑；

所述电力终端通信接入网的相邻节点之间通过物理管道连接，所述物理管道包含可重用的已有物理管道和新增物理管道；所述相邻节点之间的链路为光纤连接；

所述电力终端通信接入网满足可行解边界条件，所述可行解边界条件包含通信延时条件、端口数量条件、节点数量条件：

设节点L_i至所述高压变电站节点的通信延时为τ_i＝τ₀N_i，所述通信延时条件表示为：其中τ₀是每个节点处以太网交换机的交换延时，N_i是L_i与高压变电站节点之间通信链路所经过的节点总数，节点L_i业务要求的最大延时为τ_Mi；

所述端口数量条件表示为：S_i＜S_M，其中S_i为除高压变电站节点外，第i个以太网交换机连接的节点数；S_M表示以太网交换机的端口数；

所述节点数量条件表示为M_i≤P_M，M_i为第i个第二层以太网环网内节点数量，中P_M是预设的环内最多节点数。

2.如权利要求1所述电力终端通信接入网，其特征在于，

增量成本最小，所述增量成本包含光纤成本c_f、新增物理管道成本C_t和以太网交换机成本C_s；

C_f＝L_tC_f0

C_t＝(L_t-L_e)C_t0

$C_s=(N+{\mathrm{\&Sigma;}}_1^k{M}_i-k)C_{s0}$

其中L_t为所有链路连接的长度，L_e为可重用的已有物理管道的长度，N是第一层网环中的交换机数，M_i是第i个第二层以太网中的交换机数，k是第二层以太网的数量，C_f0、C_t0和C_s0分别为光纤、物理管道和交换机的单价。

3.一种电力终端通信接入网优化方法，用于权利要求1～2任意一项所述电力终端通信接入网，特征在于，包含以下步骤：

改变所述第一层以太网中节点的连接次序，对所述第一层以太网的成本进行优化，优化目标为第一层以太网增量成本最小，得到所述第一层以太网的最优解；

改变每一个第二层以太网中节点的连接次序，对所述每一个第二层以太网的成本进行优化，优化目标为每一个第二层以太网增量成本最小，得到每一个第二层以太网的最优解；

所述第一层以太网增量成本为第一层以太网光纤成本C_1f、第一层以太网新增物理管道成本C_1t和第一层以太网交换机成本C_1s的总和；

所述第二层以太网增量成本为第二层以太网光纤成本C_2f、第二层以太网新增物理管道成本C_2t和第二层以太网交换机成本C_2s的总和；

C_1f＝L_1tC_f0，C_1t＝(L_1t-L_1e)C_t0，C_1s＝NC_s0；

C_2f＝L_2tC_f0，C_2t＝(L_2t-L_2e)C_t0，

其中，L_1t为第一层以太网中所有链路连接的长度；L_1e为第一层以太网中可重用的已有物理管道的长度；N是第一层网环中的交换机数；L_2t为第二层以太网中所有链路连接的长度；L_2e为第二层以太网中可重用的已有物理管道的长度；M_i是第i个第二层以太网中的交换机数；C_f0、C_t0和C_s0分别为光纤、物理管道和交换机的单价。

4.如权利要求3所述电力终端通信接入网优化方法，其特征在于，包含以下步骤

检查所述电力终端通信接入网中任意一个第二层以太网节点与所述高压变电站节点之间是否满足所述通信延时条件，如果不满足，则取所述第二层以太网的次优解。

5.如权利要求3所述电力终端通信接入网优化方法，对所述第一层以太网进行优化的步骤，其特征在于，

用遍历方法得到第一层以太网的拓扑结构，并满足所述可行解边界条件，得到多个初始化的第一层以太网可行解；

以所述初始化的第一层以太网可行解为基础，通过遗传算法获得新第一层以太网可行解，每遗传一次经过交配的步骤和变异的步骤，直到满足预设的遗传次数；

在所有的第一层以太网可行解中选择第一层以太网增量成本最小的第一层以太网可行解。

6.如权利要求3所述电力终端通信接入网优化方法，对所述第二层以太网进行优化的步骤，其特征在于，

用随机的方法得到第二层以太网的拓扑结构，并满足所述可行解边界条件，得到多个初始化的第二层以太网可行解；所述第二层以太网可行解中，一部分节点组成第二层以太网环网，另一部分节点直接与所述环网的节点就近相连，构成第二层以太网分支；

以所述初始化的第二层以太网可行解为基础，通过遗传算法获得新第二层以太网可行解，每遗传一次经过交配的步骤和变异的步骤，直到满足预设的遗传次数；

在所有的第二层以太网可行解中选择第二层以太网增量成本最小的第二层以太网可行解。

7.如权利要求5所述电力终端通信接入网优化方法，对所述第一层以太网进行优化时，其特征在于，所述交配的步骤包括

取两个第一层以太网可行解，分别表示为第一层第一可行解节点序列、第一层第二可行解节点序列；

将两个可行解分别随机分成两段，按照第一层第一可行解节点序列前段、第一层第二可行解节点序列前段、第一层第一可行解节点序列后段、第一层第二可行解节点序列后段的顺序排列，得到新第一层以太网节点序列；

除了保留首尾节点外，将所述新第一层以太网节点序列中每个节点的重复节点删除，得到第一层以太网交配结果序列。

8.如权利要求7所述电力终端通信接入网优化方法，对所述第一层以太网进行优化时，所述变异的步骤，其特征在于，包括

取所述第一层以太网交配结果序列，表示为向量{y_i}，y_i表示第一层以太网交配结果序列中第i个节点，如果节点y_m和y_m+1之间没有可复用的物理管道，且L_m，n<min(L_n-1，n，L_n，n+1)，则调换y_m+1和y_n的位置；其中，L_m，n为y_m至y_n的连接距离，L_n-1，n为y_n-1至y_n的连接距离，L_n，n+1为y_n至y_n+1的连接距离。

9.如权利要求6所述电力终端通信接入网优化方法，对所述第二层以太网进行优化时，所述交配的步骤针对每一个第二层以太网，其特征在于，包括

取两个第二层以太网可行解，所述环网分别表示为第二层第一可行解节点序列、第二层第二可行解节点序列；

将所述第二层第一可行解节点序列、第二层第二可行解节点序列首尾相连，得到新第二层以太网环网节点序列；除了保留首尾节点外，将所述新第二层以太网环网节点序列中每个节点的重复节点删除；

随机选择所述新第二层以太网环网节点序列中的至少一个节点改为所述分支的节点，和/或随机选择所述分支的至少一个节点加入所述新第二层以太网环网节点序列中，得到第二层以太网交配结果序列。

10.如权利要求9所述电力终端通信接入网优化方法，对所述第二层以太网进行优化时，其特征在于，所述变异的步骤包括

取所述第二层以太网交配结果序列，表示为{b_i}，b_i表示第二层以太网交配结果序列中第i个节点，如果在第二层以太网环网内节点满足L_m，n+L_n，m+1<L_n-1，n+L_n，n+1，则将b_n移至b_m和b_m+1之间；其中，L_m，n为b_n和b_m之间的距离，L_n，m+1是b_n和b_m+1之间的距离，L_n-1，n是b_n-1和b_n之间的距离，L_n，n+1是b_n和b_n+1之间的距离。