CN107800624B - 一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法 - Google Patents

Abstract

一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择新方法，获取区域性保护通信网络正常运行时的信道长度矩阵D，信道带宽矩阵B，信道载荷量矩阵M；确定中断信道起点s和终点l及中断信道上需转移的载荷量；计算加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S及信道利用率；计算求的各种归一化指标，根据具体系统确定各影响因素权重指标，建立最优化目标函数及相应约束条件；利用计及跳数约束的深度优先搜索算法，求出满足跳数约束的可迂回路径；结合系统参数及实际运行状况，利用模型求解最优解，求出满足约束条件的目标函数最优解作为最优迂回路径。本发明设计了一种适用于关键信息所有迂回路径求解，且兼顾求解速度的计及条数约束的深度优先搜索算法。对所有可行迂回路径进行最优化求解，从而保证所选迂回路径的全局最优性。

Description

一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法

技术领域

本发明属于电力系统中继电保护领域，是一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法。

背景技术

为了克服传统后备保护的问题，基于多源信息的站域保护、广域保护、层次化保护、智能保护中心、系统保护等一系列新型保护被提出。这种利用了区域多源信息的保护统称为区域性保护。区域性保护对多源信息的实时性提出了很高的要求。因其通过光纤网络实现多点信息传输，而电力通信光纤网络一般设置于架空地线中，易因交换机故障、极端天气或人为破坏发生通信中断。当光纤线路发生中断时，将无法满足其实时性要求，此时需要采取迂回路径重构技术为区域性保护关键信息选择其他可行路径，保证其通信时延在允许范围内，从而保证区域性保护在断线情况下仍正常工作。

当前针对区域性保护通信系统断线后关键信息迂回路径重构问题的研究，主要包括两种大类方法：传统IP网络通过重构路由表进行重路由；多协议标签交换(Multi-Protocol Label Switch,MPLS)技术与算法相结合。传统IP网络使用路由协议收集网络的拓扑信息，每个节点根据这些信息使用最短路径优先算法生成一个路由表，节点根据此路由表进行数据转发，当通信系统出现断线情况时，网络就需要重新计算出新的路由表进行数据转发。对于规模较大的网络而言这个过程时间将不满足区域性保护的实时性要求。因此，目前研究较多的是结合蚁群算法或Dijkstra算法的MPLS技术。已有的一种最优迂回路径重构方法基于安全性对网络图节点及信道进行赋值，利用Dijkstra算法求取安全性赋值之和最小的路径作为最优迂回路径(高会生，王慧芳.基于安全性的继电保护光纤迂回通道路径选择.电力系统保护与控制,2014(14):25-31)。但是，仅基于安全性求解最优迂回路径，不能确保其时延满足系统的实时性要求。另一种最优迂回路径重构方法，它综合考虑迂回路径通信可靠性及时延约束，基于蚁群算法求解最优迂回路径(刘宝.应对灾变的广域保护及其通信重构技术研究,武汉：华中科技大学,2013)。但是，未全面考虑影响通信时延的因素及中断信道上的待转移数据流的加入对迂回路径时延的影响。

发明内容

本发明以区域性保护关键信息最优迂回路径的选择方法为研究对象。以通信网络信道中断后能够选择迂回传输时延最短且网络负载较均衡作为目标。针对区域性保护通信时延要求及通信时延的主要影响因素，设计一种适用于区域性保护通信网络中断情况下关键信息选择迂回路径的方法。这种方法综合考虑了影响区域性保护通信时延的信道剩余带宽、信道长度、信道利用率及路径跳数等主要影响因素，构造了迂回路径最优化目标函数，并计及数据流完整性及信道均衡性建立了一系列约束条件。在方法实现时，借助依求解需要进行相应改进的深度优先搜索算法(Depth First Search)，即计及条数约束的深度优先搜索算法，遍历所有可行迂回路径。针对计及条数约束的深度优先搜索算法搜索得到的所有可行迂回路近，利用所建数学模型进行最优化求解，求得的最优解即为兼顾迂回时延最短及迂回后网络均衡性较佳的最优迂回路径。借此实现迂回时延最短，且迂回后路径均留有一定带宽裕度，从而保证系统迂回后的流量更均衡，能够更有效的应对系统变化，流量增大等情况。

本发明采取的技术方案为：

一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，包括以下步骤：

步骤一：获取区域性保护通信网络正常运行时的信道长度矩阵D，信道带宽矩阵B，信道载荷量矩阵M；

步骤二：确定中断信道起点s和终点l及中断信道上需转移的载荷量△M；

步骤三：计算加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S及信道利用率；

步骤四：计算求的各种归一化指标，根据具体系统确定各影响因素权重指标，建立最优化目标函数及相应约束条件；

步骤五：利用计及跳数约束的深度优先搜索算法，求出满足跳数约束的可迂回路径；

步骤六：结合系统参数及实际运行状况，利用模型求解最优解，求出满足约束条件的目标函数最优解作为最优迂回路径。

步骤一中，通过获取区域性保护通信网络的系统信息，确定信道长度矩阵D，信道带宽矩阵B；通过确定系统实时运行状态，确定信道载荷量矩阵M。

步骤二中，通过通信系统中的实时监测系统，获取中断信道起点s和终点l及中断信道上需转移的载荷量△M等信息。

步骤三中，将信道载荷量矩阵M中的每个元素加上△M，从而计算加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S及加入转移载荷量后对应的信道利用率。

步骤四中，信道剩余带宽倒数归一化

(1/S)_max为整个通信网中信道剩余带宽倒数的最大值；

(1/S)_min为整个通信网中信道剩余带宽倒数的最小值；

信道长度归一化

d_max为整个通信网中信道长度最大值；

d_min为整个通信网中信道长度最小值；

迂回路径总跳数归一化

J_max为通信网允许最大跳数；

迂回路径最优化模型如下所示：

上述模型中，K为断线导致的转移数据流所有可选迂回路径的集合，对于给定的迂回路径k，包含m条信道，(1/S_i)、d_i ¹、μ_i分别为该迂回路径的第i段信道归一化后信道剩余带宽倒数、归一化后信道长度、信道利用率；J¹为归一化后迂回路径总跳数；ω₁、ω₂、ω₃和ω₄分别为其权重系数，且均为相对值，在不同的系统下，根据系统中实时测量的四种时延构成的的权重占比，确定目标函数中的权重系数；k为

中最小值对应的可迂回路径；

约束条件如下所示：

上述约束条件中，L_in、L_out分别为一中间节点的数据流流入信道集合和流出信道集合；R_all为所有数据请求的集合；L_all为系统所有信道的集合；对于给定的可迂回路径k，包含m_k条信道；m为所选迂回路径包含信道的条数；K为集合K的元素个数，即可迂回路径的总条数；μ_i为第i条信道的信道利用率

步骤五中，利用计及跳数约束的深度优先搜索算法求出满足跳数约束的可迂回路径，从中断信道起点s对每一个可能的分支路径深入搜索到不能再深入为止，同时考虑跳数约束J≤J_max，即在跳数达到上限时也停止搜索；此外，在搜索至目标节点后亦停止向下搜索，根据情况回溯至上一节点或起始节点继续搜索，得到起点到达所有可达终点的最小生成树。

步骤六中，结合具体系统参数及实际运行状况，确定适合该系统的ω₁，ω₂，ω₃，ω₄，结合约束条件利用迂回路径最优化模型求解最优解，求出满足约束条件的目标函数最优解作为最优迂回路径。

本发明一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，优点在于：

1)、本发明针对区域性保护关键信息对实时性要求较高的特点，为区域性保护的通信网络中的关键信息优先选择时延最短的迂回路径，从而保证跳闸、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能够快速可靠传输。

2)、本发明在考虑区域性保护关键信息迂回时，综合考虑了加入转移数据流之后的信道利用率，即被转移的数据流对原有通信网络载荷情况的影响，使得转移数据流选择最优迂回路径后给信道中断后通信网络的实际情况带来的不利影响最小。

3)、本发明根据区域性保护通信网络和其关键信息的特点，设计了一种全面考虑所有对通信时延有影响的因素的最优化模型，尽可能的确保了最优化模型求解的最优迂回路径在通信时延及系统均衡性等方面最优。

4)、本发明根据区域性保护关键信息迂回路径选择的跳数约束及迂回到达中断信道末端即可等特点，设计了一种适用于关键信息所有迂回路径求解，且兼顾求解速度的计及条数约束的深度优先搜索算法。对所有可行迂回路径进行最优化求解，从而保证所选迂回路径的全局最优性。

附图说明

图1为系统总体工作流程图。

图2为IEEE39节点系统对应的通信网络拓扑图。

图3为计及跳数约束的深度优先搜索算法流程图。

图4为由OPNET仿真软件搭建的IEEE39节点系统对应的通信网络模型图。

具体实施方式

一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，包括以下步骤：

步骤1：根据相应系统具体情况获取其信道长度矩阵D，其中矩阵元素d_ij为第i站点与第j站点间信道长度，不直接相连节点间信道长度设置为无穷大；信道带宽矩阵B，其中矩阵元素b_ij为第i站点与第j站点间信道带宽；利用通信仿真软件OPNET建立模型，获取通信网络正常运行时的信道载荷量矩阵M，其中矩阵元素m_ij为第i站点与第j站点间信道载荷量。

步骤2：在通信网络中监测网络运行情况，检测故障发生位置，确定故障信道的起点s、终点l及经过该故障信道的载荷量△M。

步骤3：依据步骤1中的信道带宽矩阵B、信道载荷量矩阵M及步骤2中得到的中断信道上需转移的载荷量△M，求得加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S，其中矩阵元素s_ij为第i站点与第j站点间信道剩余带宽；加入转移载荷量后的信道利用率矩阵μ，其中矩阵元素μ_ij为第i站点与第j站点间信道信道利用率。

步骤4：依据步骤1中的信道距长度矩阵D、步骤3中的加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S，计算剩余带宽利用率倒数归一化后对应矩阵(1/S)¹及信道长度归一化矩阵D¹，其中，对于任一信道

建立最优化目标函数及相应约束条件。

迂回路径最优化目标函数如式(1)所示：

式中，K为断线导致的转移数据流所有可选迂回路径的集合，对于给定的迂回路径k，包含n条信道，(1/S_i)¹、d_i ¹、μ_i分别为该迂回路径的第i段信道归一化后信道剩余带宽倒数、归一化后信道长度、信道利用率；J¹为归一化后迂回路径总跳数；ω₁、ω₂、ω₃和ω₄分别为其权重系数，且均为相对值，在不同的系统下，根据系统中实时测量的四种时延构成的的权重占比，确定目标函数中的权重系数；k为

中最小值对应的可迂回路径。

约束条件如式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)所示：

式中，L_in、L_out分别为一中间节点的数据流流入信道集合和流出信道集合，M_i为给定信道i上的数据流载荷量；

J_m≤J_max，m∈R_all (3)

式中，R_all为所有数据请求的集合，对于给定的数据请求m，传输路径总跳数为J_m，J_max为通信网允许最大跳数，通常取5跳，在诸如2008年雪灾的极端天气条件下，为保证存在合适迂回路径，可适当增大J_max的值；

M_i≤B_i，i∈L_all (4)

式中，L_all为系统所有信道的集合，M_i、B_i分别为给定信道i对应的实际载荷量及信道带宽；

其中：

式中，对于给定的可迂回路径k，包含n_k条信道；n为所选迂回路径包含信道的条数；K为集合K的元素个数，即可迂回路径的总条数；μ_i为第i条信道的信道利用率，μ_b为系统允许信道利用率，通常取0.5，在数据负载较重的情况下可适当增大。

根据通信网络中实时测量的四种时延构成的的权重占比，确定目标函数中的权重系数ω₁，ω₂，ω₃，ω₄。

步骤5：在原有深度优先搜索算法的基础上加入了跳数约束，即在跳数达到上限时也停止搜索，且在搜索至目标节点后亦停止向下搜索，根据情况回溯至上一节点或起始节点继续搜索，得到适用于区域性保护关键信息迂回路径搜索的计及跳数约束的深度优先搜索算法。利用此计及跳数约束的深度优先搜索算法求出满足跳数约束的可迂回路径；

步骤6：结合系统参数及实际运行状况，验证所有可迂回路径是否满足约束条件，选择满足约束条件的迂回路径代入迂回路径最优化目标函数，求的最优迂回路径。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

针对本发明的内容和工作步骤，建立系统总体工作流程，如图1所示。为更好地说明具体实施方式，本发明利用IEEE39节点(李振兴，尹项根，张哲.有限广域继电保护系统的分区原则与实现方法.电力系统自动化,2010,34(19):48-52)经通信合并后的17节点系统模型为例来展开。通信合并时将位于同一站点的母线合为一个点，得到IEEE39合并后的17节点系统通信网络模型，如图2所示。以图2的通信网络仿真模型为例，一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，其具体实施方式如下：

步骤1：根据合并后17节点系统数据获取其信道长度矩阵D，信道带宽矩阵B；利用通信仿真软件OPNET建立相应模型，获取通信网络正常运行时的信道载荷量矩阵M。矩阵D、B、M分别如式(7)、(8)、(9)所示，矩阵内具体值如附表1所示，矩阵中未涉及元素取无穷大。

矩阵内具体值如表1所示，矩阵中未涉及元素取无穷大：

表1 IEEE39节点系统对应17节点通信网络矩阵D、B及M对应值

步骤2：实时监测区域性保护范围内通信网络运行状态，假设检测到站5和站6之间信道发生故障断开，站5-站6原有载荷量m₅₆＝25Mbit，方向由站5流向站6。因此，中断信道上需转移的载荷量△M＝m₅₆＝25Mbit。

步骤3：依据步骤1中的信道带宽矩阵B、信道载荷量矩阵M及步骤2中得到的中断信道上需转移的载荷量△M，求得加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S及相应的信道利用率矩阵μ分别如式(10)、(11)。

矩阵内具体值如表2所示，矩阵中未涉及元素取无穷大。

表2 IEEE39节点系统对应17节点通信网络计算矩阵S和μ对应值

步骤4：依据步骤1中的信道距长度矩阵D、步骤3中的加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S，计算剩余带宽利用率倒数归一化后对应矩阵(1/S)¹及信道长度归一化矩阵D¹，其中，对于任一信道

计算(1/s)_max时，若存在s_ij＝0时将此信道舍去。建立最优化目标函数及相应约束条件。

根据发明内容，建立迂回路径最优化目标函数如：

根据发明内容，建立约束条件如所示：

其中

根据通信网络中实时测量的四种时延构成的权重占比，17节点系统对应的通信网络中的权重系数ω₁，ω₂，ω₃，ω₄分别取0.3，0.15，0.35，0.1。

步骤5：在原有深度优先搜索算法(Depth First Search)的基础上加入了跳数约束，即在跳数达到上限时也停止搜索，且在搜索至目标节点后亦停止向下搜索，根据情况回溯至上一节点或起始节点继续搜索，得到适用于区域性保护关键信息迂回路径搜索的计及跳数约束的深度优先搜索算法。算法流程如图3所示。利用计及跳数约束的深度优先搜索算法求出满足跳数约束的可迂回路径：

(1)：sub7-sub5-sub1-sub2；

(2)：sub7-sub11-sub8-sub6-sub2；

(3)：sub7-sub10-sub15-sub1-sub2。

步骤6：结合系统参数及实际运行状况，验证所有可迂回路径是否满足约束条件，选择满足约束条件的迂回路径代入迂回路径最优化目标函数，求的最优迂回路径为线路(2)sub7-sub11-sub8-sub6-sub2。

步骤7：利用通信仿真软件OPNET对上述情形进行仿真，如图4所示。仿真结果如下表所示：

表3 IEEE39节点系统对应17节点通信网络故障迂回仿真结果

Claims (4)

1.一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：获取区域性保护通信网络正常运行时的信道长度矩阵D，信道带宽矩阵B，信道载荷量矩阵M；

步骤二：确定中断信道起点s和终点l及中断信道上需转移的载荷量△M；

步骤三：计算加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S及信道利用率；

步骤四：计算求的各种归一化指标，根据具体系统确定各影响因素权重指标，建立最优化目标函数及相应约束条件，包括：

依据步骤一中的信道距长度矩阵D、步骤三中的加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S，计算信道剩余带宽倒数归一化矩阵(1/S)¹、以及信道长度归一化矩阵D¹，其中，对于任一信道

建立最优化目标函数及相应约束条件；

迂回路径最优化目标函数如式(1)所示：

式中，K为断线导致的转移数据流所有可选迂回路径的集合，对于给定的迂回路径k，包含n条信道，(1/S_i)¹、d_i ¹、μ_i分别为该迂回路径的第i段信道归一化后信道剩余带宽倒数、归一化后信道长度、信道利用率；J¹为归一化后迂回路径总跳数；ω₁、ω₂、ω₃和ω₄分别为其权重系数，且均为相对值，在不同的系统下，根据系统中实时测量的四种时延构成的的权重占比，确定目标函数中的权重系数；k为

中最小值对应的可迂回路径；

约束条件如式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)所示：

式中，L_in、L_out分别为一中间节点的数据流流入信道集合和流出信道集合，M_i为给定信道i对应的实际载荷量；

J_m≤J_max，m∈R_all (3)

式中，R_all为所有数据请求的集合，对于给定的数据请求m，传输路径总跳数为J_m，J_max为通信网允许最大跳数；

M_i≤B_i，i∈L_all (4)

式中，L_all为系统所有信道的集合，M_i、B_i分别为给定信道i对应的实际载荷量、以及信道带宽；

其中：

式中，对于给定的可迂回路径k，包含n_k条信道；n为所选迂回路径包含信道的条数；K为集合K的元素个数，即可迂回路径的总条数；μ_i为第i条信道的信道利用率，μ_b为系统允许信道利用率，通常取0.5，在数据负载较重的情况下可适当增大；

根据通信网络中实时测量的四种时延构成的的权重占比，确定目标函数中的权重系数ω₁，ω₂，ω₃，ω₄；

步骤五：利用计及跳数约束的深度优先搜索算法，求出满足跳数约束的可迂回路径；

步骤六：结合系统参数及实际运行状况，利用模型求解最优解，求出满足约束条件的目标函数最优解作为最优迂回路径。

2.根据权利要求1所述的一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，其特征在于，步骤二中，通过通信系统中的实时监测系统，获取中断信道起点s和终点l及中断信道上需转移的载荷量△M信息。

3.根据权利要求1所述的一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，其特征在于：步骤三中，将信道载荷量矩阵M中的每个元素加上△M，从而计算加入转移载荷量后的剩余带宽矩阵S及加入转移载荷量后对应的信道利用率。

4.根据权利要求1所述的一种区域性保护关键信息最优迂回路径选择方法，其特征在于：

步骤五中，利用计及跳数约束的深度优先搜索算法，求出满足跳数约束的可迂回路径，从中断信道起点s对每一个可能的分支路径深入搜索到不能再深入为止，同时考虑跳数约束J≤J_max，即在跳数达到上限时也停止搜索；此外，在搜索至目标节点后亦停止向下搜索，根据情况回溯至上一节点或起始节点继续搜索，得到起点到达所有可达终点的最小生成树。

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