CN109861852B - 基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法 - Google Patents

基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法 Download PDF

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CN109861852B CN201910030769.0A CN201910030769A CN109861852B CN 109861852 B CN109861852 B CN 109861852B CN 201910030769 A CN201910030769 A CN 201910030769A CN 109861852 B CN109861852 B CN 109861852B
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Abstract

本发明揭示了一种基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法，包括如下步骤：S1、获取配电网中的多元数据；S2、使用网格法确定灾中配电网通信网络状态；S3、判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，并依据判断结果决定配电网通信系统的修复方式；S4、基于移动自组织网络特性研究配电网通信网络的优化修复方案；S5、利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解，选择其最优结果作为最终的修复方案。本发明通过对灾害发生时配电网中多元信息的整合处理，快速确定了灾中配电网通信系统的状态并找出了对应方式下的最优恢复方案，最大限度上地缩短了配电网通信网络的抢修时间。

Description

基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法
技术领域
本发明涉及一种灾害状态下的配电网通信网络恢复方法，具体而言，涉及一种基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法，属于电力配网自动化技术领域。
背景技术
配电网是指从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。由于配电网具有电压等级多、网络结构复杂、设备类型多样、作业点多面广、安全环境相对较差等特点，因此其安全风险因素也相对较多。另外，由于配电网的功能是为各类用户提供电力能源，这也就对配电网的安全可靠运行提出了更高的要求。
当出现台风等极端自然灾害的情况时，配电网的电力和通信都会遭受到很大的破坏。配电网中的通信节点会直接影响到指挥中心对电力节点负荷的监测，且在恢复配电网电力时，需要指挥人员通过通信系统指挥、调度，而通信系统的损坏极大地影响了对电力系统的监测与控制，从而导致调度自动化水平降低，严重的还会危及到电网的安全、经济、稳定运行，进而影响到人们的生产生活。
在当前的技术背景下，研究者的研究内容多是在配电网通信系统发生小规模故障时对于故障位置的快速搜索以及故障恢复方式，以及对于配电网通信系统的风险评估和预防，而对于配电网通信系统发生大规模故障时的抢修和恢复则研究甚少。
近年来强台风频发，以福建电网为例，“莫兰蒂”、“山竹”、“玛丽亚”等对配电网通信系统毁坏巨大。由于缺乏有效的通信系统恢复策略，发生灾害时对配电网通信系统抢修不力，导致恢复灾区的配电网通信所需时间较长，对当地抢险救灾的指挥调度造成严重影响。
综上所述，如何针对极端自然灾害等恶劣情况，在现有技术的基础上提出一种全新的灾害状态下的配电网通信网络恢复方法，从而在最大限度上缩短配电网的抢修时间，也就成为了目前业内研究人员亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法，包括如下步骤：
S1、获取配电网中的多元数据；
S2、使用网格法确定灾中配电网通信网络状态；
S3、判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，并依据判断结果决定配电网通信系统的修复方式；
S4、基于移动自组织网络特性研究配电网通信网络的优化修复方案；
S5、利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解，选择其最优结果作为最终的修复方案。
优选地，S1中所述多元数据包括：配电网管理信息数据、配电网通信拓扑信息数据、台风信息数据、地理信息数据、无人机勘察信息数据以及应急资源分配状态信息数据。
优选地，S2具体包括如下步骤：
S21、以配电网通信拓扑为基础建立边长为a的正方形地理网格，并给各个网格编号，使得配电网通信节点及光纤分布在不同的地理网格中；
S22、将灾中配电网通信网络状态的确定分为三个时刻，即t1、t2、t3三个时刻；随后依据三个时刻的不同特性进行分析处理，缩小S21中的网格范围，最终确定确定灾中通信网络的状态。
优选地，S22具体包括如下步骤：
S221、在t1时刻下，根据风速大小筛选配电网通信节点及光纤的风险区域；
根据长途通信干线光缆传输系统线路工程设计规范，台风的风速模型建立如下，
Figure BDA0001944153060000031
其中，Vi表示i点处台风风速；ri为i点处到台风中心的距离；Vmax为台风水平结构内部最大风速；Rmax表示台风最大风速半径；当Vi>25m/s时，视为风险区域；
S222、在t2时刻下，根据配网管理信息找出S221中风险区域内的问题集合；
S223、在t3时刻下，根据无人机或人为统计的方式对S222中的问题集合进行判断，最终确定灾中通信网络的状态。
优选地，S3具体包括如下步骤：根据指挥调度人员对电力灾害的监测情况判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，随后决定配电网通信系统的修复方式；如果能够监测到电力灾损，则不需要对配网通信系统进行暂态恢复；所述暂态恢复是指借助应急通信车恢复配电网通信节点的通信功能，其中，应急通信车每经过一个节点，该节点即刻实现与上层节点的通信，应急通信车离开节点，该节点即刻失去通信。
优选地，S4具体包括如下步骤：
S41、建立目标函数，
f1＝max(minT1,minT2,…minTM)，
Figure BDA0001944153060000041
Figure BDA0001944153060000042
Figure BDA0001944153060000043
其中，Tx为抢修队伍x完成分配任务量的时间，M为抢修队伍数量，N为抢修队伍x所需完成任务总数，tj为抢修队伍完成第j个通信节点的所需时间，tG为抢修队伍进行光纤抢修的时间，t0为抢修队伍正常行驶的时间，l为光纤抢修的路程，s为抢修队伍正常行驶的路程，vG为光纤抢修路段的行驶速度，v0为抢修队伍正常行驶的速度；
S42、确定针对配电网通信系统抢修时间短的约束条件，所述约束条件如下，
(1)簇头节点能直接与上层节点通信，其余节点不能直接与上层节点通信，
Figure BDA0001944153060000044
其中，xI取值为1代表配电网通信节点I为簇头节点，能够与上层节点实现通信；取值为0代表不能与上层节点直接通信，EPS为应急电源配备情况；
(2)每个配电网故障通信节点只能分配且必须分配给一个抢修队伍，
Figure BDA0001944153060000045
其中，xik在配电网通信节点i分配给任一抢修队伍j时取值为1，未分配取值为0；
(3)每个配电网通信节点相连的光纤至少有一条正常，
Figure BDA0001944153060000051
其中，lij为第i个通信节点连接的第j根光纤，光纤正常取值为1，光纤断裂取值为0，P为通信节点相连的光纤总数；
(4)修复的任一失效通信节点能够与簇头节点通过光纤实现连接，
Figure BDA0001944153060000052
其中，xJ为已恢复通信的节点，lJi为修复的任一失效节点与恢复通信功能节点间的光纤，光纤正常取值为1，断裂取值为0。
优选地，S4还包括如下步骤：
S43、引入应急通信车概念，将目标函数更改为，
f2＝max{(minT1,minT2,…minTM)，(minTc1,minTc2,…minTcZ)}，
Figure BDA0001944153060000053
其中，Tcy为应急通信车y完成抢修的时间，Z为应急通信车的数量，sche为应急通信车走过的路程，vche为应急通信车的行驶速度；
S44、针对应急通信车经过的节点建立约束条件，
(5)应急通信车每经过一个失效的通信节点，该节点即刻实现与上层节点的通信，应急通信车离开节点，该节点即刻失去通信，
Figure BDA0001944153060000054
Figure BDA0001944153060000055
其中，f2为加入应急通信车后的抢修时间，xK为失效的配电网通信节点，取值为1代表节点K能够与上层节点实现通信；取值为0代表不能与上层节点直接通信，ECV为应急通信车路径情况。
优选地，S5具体包括如下步骤：针对S4中建立的目标函数，利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解其抢修时长，选择其最优结果作为最终的修复方案，并以此方案修复配电网通信网络。
与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明所述的基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法通过对灾害发生时配电网中多元信息的整合处理，快速确定了灾中配电网通信系统的状态并找出了对应方式下的最优恢复方案，最大限度上地缩短了通信网络的抢修时间，保证了灾害发生地的抢险救灾工作能够顺利进行。
此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于其他关于配电网维修的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为灾中配电网通信网络状态图；
图3为两层簇状结构的配电网通信节点结构图。
具体实施方式
本发明结合灾害发生时配电网的多元信息，确定灾中配电网通信系统网络状态，根据指挥中心对电力负荷的监测情况以及时效性要求，确定对通信网络的抢修方式，考虑通信网络恢复时间最短的抢修目标，提出了台风灾害下基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法。
具体而言，如图1所示，本发明的一种基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取配电网中的多元数据。
S2、使用网格法确定灾中配电网通信网络状态。
S3、判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，并依据判断结果决定配电网通信系统的修复方式。
S4、基于移动自组织网络特性研究配电网通信网络的优化修复方案。
S5、利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解，选择其最优结果作为最终的修复方案。
S1中所述多元数据包括：配电网系统是一个由信息系统和物理系统组成的大规模复杂系统，内部积累了大量的信息数据，同时在极端灾害环境下，外部物理环境也产生了大量的信息数据。
考虑到配电网通信系统与电力系统密不可分，所述多元数据既包括配电网通信相关数据，也包括配电网电力相关数据。同样考虑到配电网内部数据与外部数据都对配电网通信系统有影响，因此所述多元数据不仅还包括配电网内部信息数据，也还包括配电网外部信息数据。
在本方案中，主要包括配电网管理信息数据、配电网通信拓扑信息数据、台风信息数据、地理信息数据、无人机勘察信息数据以及应急资源分配状态信息数据等。
S2具体包括如下步骤：
S21、以配电网通信拓扑为基础建立边长为a的正方形地理网格，并给各个网格编号，使得配电网通信节点及光纤分布在不同的地理网格中。
S22、将灾中配电网通信网络状态的确定分为三个时刻，即t1、t2、t3三个时刻。灾中配电网通信网络状态图如图2所示。
随后依据三个时刻的不同特性进行分析处理，缩小S21中的网格范围，最终确定确定灾中通信网络的状态。
其中t1时刻在台风发生前即可完成。t2时刻在台风期间完成。t3时刻在台风发生后完成。通过灾前、灾中、灾后三个阶段，一步步的缩小风险区域的范围，避免了台风后大片区的排查。并且t1时刻的预测可以指导分配应急抢修物资，提高灾后配电网通信网络的抢修效率。
S22具体包括如下步骤：
S221、在t1时刻下，根据风速大小筛选配电网通信节点及光纤的风险区域。
根据长途通信干线光缆传输系统线路工程设计规范，在不考虑风向的前提下，长途架空光缆线路在结冰环境设计的适宜风速为10m/s，非结冰环境设计的适宜风速为25m/s，由于台风发生在夏季，不易出现结冰现象，因此选取适宜风速为25m/s。台风的风速模型建立如下，
Figure BDA0001944153060000081
其中，Vi表示i点处台风风速。ri为i点处到台风中心的距离。Vmax为台风水平结构内部最大风速。Rmax表示台风最大风速半径。当Vi>25m/s时，视为风险区域，进而可以缩小S21中的网格范围。
S222、在t2时刻下，根据配网管理信息找出S221中风险区域内的问题集合。这些问题有可能是真实的亦可能是虚假的，比如说簇头节点出问题，一片区都不能监测到，但实际上其余节点可能未出问题。进一步缩小了S21中的网格范围。
S223、在t3时刻下，根据无人机或人为统计的方式对S222中的问题集合进行判断，最终确定灾中通信网络的状态。
S3具体包括如下步骤：根据指挥调度人员对电力灾害的监测情况判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，随后决定配电网通信系统的修复方式。如果能够监测到电力灾损，则不需要对配网通信系统进行暂态恢复。所述暂态恢复是指借助应急通信车恢复配电网通信节点的通信功能，其中，应急通信车每经过一个节点，该节点即刻实现与上层节点的通信，应急通信车离开节点，该节点即刻失去通信。
S4的步骤思路为考虑配电网通信网络抢修时间最短的恢复目标。S4具体包括如下步骤：
S41、建立目标函数。由于发生灾害后，工程上不计代价的快速恢复供电与通信，本专利建立抢修时间短的目标函数，抢修时间最短方案为M个抢修队伍完成分配的抢修任务中耗时最多的队伍确定。
f1＝max(minT1,minT2,…minTM)，
Figure BDA0001944153060000091
Figure BDA0001944153060000092
Figure BDA0001944153060000093
其中，Tx为抢修队伍x完成分配任务量的时间，M为抢修队伍数量，N为抢修队伍x所需完成任务总数，tj为抢修队伍完成第j个通信节点的所需时间，tG为抢修队伍进行光纤抢修的时间，t0为抢修队伍正常行驶的时间，l为光纤抢修的路程，s为抢修队伍正常行驶的路程，vG为光纤抢修路段的行驶速度，v0为抢修队伍正常行驶的速度。
S42、确定针对配电网通信系统抢修时间短的约束条件，所述约束条件如下，
(1)如图3所示，簇头节点能直接与上层节点通信，其余节点不能直接与上层节点通信，而需要通过光纤连接簇头节点实现与上层节点的通信。
Figure BDA0001944153060000101
其中，xI取值为1代表配电网通信节点I为簇头节点，能够与上层节点实现通信。取值为0代表不能与上层节点直接通信，EPS为应急电源配备情况(配有应急电源取值为1，未配应急电源取值为0)。
(2)每个配电网故障通信节点只能分配且必须分配给一个抢修队伍，
Figure BDA0001944153060000102
其中，xik在配电网通信节点i分配给任一抢修队伍j时取值为1，未分配取值为0。
(3)每个配电网通信节点相连的光纤至少有一条正常，
Figure BDA0001944153060000103
其中，lij为第i个通信节点连接的第j根光纤，光纤正常取值为1，光纤断裂取值为0，P为通信节点相连的光纤总数。
(4)修复的任一失效通信节点能够与簇头节点通过光纤实现连接。失效通信节点只需要与任意一个簇头节点实现通信，不一定与原本所在分簇的簇头节点实现通信，此处利用了移动自组织自组成网的特点。
Figure BDA0001944153060000111
其中，xJ为已恢复通信的节点，lJi为修复的任一失效节点与恢复通信功能节点间的光纤，光纤正常取值为1，断裂取值为0。
S4还包括如下步骤：
S43、上述目标函数及约束条件不含有应急通信车，引入应急通信车概念，将目标函数更改为，
f2＝max{(minT1,minT2,…minTM)，(minTc1,minTc2,…minTcZ)}，
Figure BDA0001944153060000112
其中，Tcy为应急通信车y完成抢修的时间，Z为应急通信车的数量，sche为应急通信车走过的路程，vche为应急通信车的行驶速度。
S44、针对抢修队伍抢修的节点仍需满足上述四个约束条件，针对应急通信车经过的节点建立约束条件，应急通信车经过的节点满足约束条件(5)即可。
(5)应急通信车每经过一个失效的通信节点，该节点即刻实现与上层节点的通信，应急通信车离开节点，该节点即刻失去通信。应急通信车的加入属于暂态通信的方式，可以加速配电网通信网络的恢复。
Figure BDA0001944153060000113
Figure BDA0001944153060000114
其中，f2为加入应急通信车后的抢修时间，xK为失效的配电网通信节点，取值为1代表节点K能够与上层节点实现通信。取值为0代表不能与上层节点直接通信，ECV为应急通信车路径情况(应急通信车经过通信节点取值为1，离开取值为0)。
S5具体包括如下步骤：针对S4中建立的目标函数，利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解其抢修时长，选择其最优结果作为最终的修复方案，并以此方案修复配电网通信网络。
本发明所述的基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法通过对灾害发生时配电网中多元信息的整合处理，快速确定了灾中配电网通信系统的状态并找出了对应方式下的最优恢复方案，最大限度上地缩短了通信网络的抢修时间，保证了灾害发生地的抢险救灾工作能够顺利进行。
此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于其他关于配电网维修的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于移动自组织的灾中配电网通信网络优化恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取配电网中的多元数据；
S2、使用网格法确定在中配电网通信网络状态；
S3、判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，并依据判断结果决定配电网通信系统的修复方式；
S4、基于移动自组织网络特性研究配电网通信网络的优化修复方案；
S5、利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解，选择其最优结果作为最终的修复方案；
S1中所述多元数据包括：配电网管理信息数据、配电网通信拓扑信息数据、台风信息数据、地理信息数据、无人机勘察信息数据以及应急资源分配状态信息数据；
S2具体包括如下步骤：
S21、以配电网通信拓扑为基础建立边长为a的正方形地理网格，并给各个网格编号，使得配电网通信节点及光纤分布在不同的地理网格中；
S22、将灾中配电网通信网络状态的确定分为三个时刻，即t1、t2、t3三个时刻；随后依据三个时刻的不同特性进行分析处理，缩小S21中的网格范围，最终确定灾中通信网络的状态；
S22具体包括如下步骤：
S221、在t1时刻下，根据风速大小筛选配电网通信节点及光纤的风险区域；
根据长途通信干线光缆传输系统线路工程设计规范，台风的风速模型建立如下，
Figure FDA0002859544260000021
其中，Vi表示i点处台风风速；ri为i点处到台风中心的距离；Vmax为台风水平结构内部最大风速；Rmax表示台风最大风速半径；当Vi＞25m/s时，视为风险区域；
S222、在t2时刻下，根据配网管理信息找出S221中风险区域内的问题集合；
S223、在t3时刻下，根据无人机或人为统计的方式对S222中的问题集合进行判断，最终确定灾中通信网络的状态；
S3具体包括如下步骤：根据指挥调度人员对电力灾害的监测情况判断配电网通信系统是否需要暂态恢复，随后决定配电网通信系统的修复方式；如果能够监测到电力灾损，则不需要对配网通信系统进行暂态恢复；所述暂态恢复是指借助应急通信车恢复配电网通信节点的通信功能，其中，应急通信车每经过一个节点，该节点即刻实现与上层节点的通信，应急通信车离开节点，该节点即刻失去通信；
S4具体包括如下步骤：
S41、建立目标函数，
f1＝max(minT1，minT2，…minTM)，
Figure FDA0002859544260000031
Figure FDA0002859544260000032
Figure FDA0002859544260000033
其中，Tx为抢修队伍x完成分配任务量的时间，M为抢修队伍数量，N为抢修队伍x所需完成任务总数，tj为抢修队伍完成第j个通信节点的所需时间，tG为抢修队伍进行光纤抢修的时间，t0为抢修队伍正常行驶的时间，I为光纤抢修的路程，s为抢修队伍正常行驶的路程，vG为光纤抢修路段的行驶速度，v0为抢修队伍正常行驶的速度；
S42、确定针对配电网通信系统抢修时间短的约束条件，所述约束条件如下，
(1)簇头节点能直接与上层节点通信，其余节点不能直接与上层节点通信，
Figure FDA0002859544260000034
其中，xI取值为1代表配电网通信节点I为簇头节点，能够与上层节点实现通信；取值为0代表不能与上层节点直接通信，EPS为应急电源配备情况，配有应急电源取值为1、未配应急电源取值为0；
(2)每个配电网故障通信节点只能分配且必须分配给一个抢修队伍，
Figure FDA0002859544260000041
其中，xik在配电网通信节点i分配给任一抢修队伍j时取值为1，未分配取值为0；
(3)每个配电网通信节点相连的光纤至少有一条正常，
Figure FDA0002859544260000042
其中，lij为第i个通信节点连接的第j根光纤，光纤正常取值为1，光纤断裂取值为0，P为通信节点相连的光纤总数；
(4)修复的任一失效通信节点能够与簇头节点通过光纤实现连接，
Figure FDA0002859544260000043
其中，xJ为已恢复通信的节点，lJi为修复的任一失效节点与恢复通信功能节点间的光纤，光纤正常取值为1，断裂取值为0；
S4还包括如下步骤：
S43、引入应急通信车概念，将目标函数更改为，
f2＝max{(minT1，minT2，…minTM)，(minTc1，minTc2，…minTcZ)}，
Figure FDA0002859544260000044
其中，Tcy为应急通信车y完成抢修的时间，Z为应急通信车的数量，sche为应急通信车走过的路程，vche为应急通信车的行驶速度；
S44、针对应急通信车经过的节点建立约束条件，
(5)应急通信车每经过一个失效的通信节点，该节点即刻实现与上层节点的通信，应急通信车离开节点，该节点即刻失去通信，
Figure FDA0002859544260000051
Figure FDA0002859544260000052
其中，f2为加入应急通信车后的抢修时间，xK为失效的配电网通信节点，取值为1代表节点K能够与上层节点实现通信；取值为0代表不能与上层节点直接通信；ECV为应急通信车路径情况，应急通信车经过通信节点取值为1、离开取值为0；
S5具体包括如下步骤：
针对S4中建立的目标函数，利用网络简化和深度优先遍历的路径搜索算法找出目标下的可行方案集合，对各个可行方案求解其抢修时长，选择其最优结果作为最终的修复方案，并以此方案修复配电网通信网络。
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