CN111147304A - 基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法 - Google Patents

基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法 Download PDF

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CN111147304A CN201911392069.2A CN201911392069A CN111147304A CN 111147304 A CN111147304 A CN 111147304A CN 201911392069 A CN201911392069 A CN 201911392069A CN 111147304 A CN111147304 A CN 111147304A
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高国华
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王�锋
张欣欣
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汤铭华
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李伟雄
童捷
张天乙
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Abstract

本发明涉及电力通信网可靠性优化技术领域，更具体地，涉及一种基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，包括：基于历史运营数据分析网络节点和网络链路的故障症状、计算网络节点的使用寿命、计算受到市政建设因素影响的网络节点及其之间通信的网络链路，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。本发明能够基于网络运营的历史数据内容、网络设备的剩余使用寿命、市政建设影响的方面找到容易发生故障的网络资源，优化电力通信网的可靠性。

Description

基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法
技术领域
本发明涉及电力通信网可靠性优化技术领域，更具体地，涉及一种基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法。
背景技术
随着智能电网的快速建设和应用，电力通信网规模越来越大，网络设备也越来越多，这给网络的正常运行带来了较大的挑战。当电力通信网中的网络节点或网络链路发生故障时，将会影响到网络的连通性，导致部分电力业务不可用。因此，电力通信网的可靠性优化已成为电力通信网中的一个重要研究方向。根据提升电力通信网可靠性的对象不同，电力通信网可靠性优化研究可以分为网络可靠性提升、电力设备可靠性提升两个研究领域。在网络可靠性提升方面，典型的研究方法包括基于智能算法优化网络路由策略、优化网络抗攻击能力、同时优化网络系统和传输效率等研究方法，能够用于提升电力通信网的可靠性和运行效率。在电力设备可靠性提升方面，典型的研究方法包括基于改进混合云模型优化配电系统、基于频率控制提升效率的网络可靠性方法等，能够用于提示网络设备的可靠性和稳定性。但是，以上方法没有考虑到网络运营的历史数据内容、网络设备的保质期限、市政建设影响方面，导致在网络运营过程中积累大量的历史数据并没能够在网络可靠性提升方面发挥作用。
发明内容
本发明的目的在于克服目前运营历史数据在网络可靠性提升方面没有得到应用的不足，提供一种基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，能够基于网络运营的历史数据内容、网络设备的剩余使用寿命、市政建设影响的方面找到容易发生故障的网络资源，优化电力通信网的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，包括电力通信网资源，所述电力通信网资源包括网络节点和网络链路，所述网络节点之间通过网络链路进行通信，包括以下步骤：
S1.基于历史运营数据分析网络节点和网络链路的故障症状，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份；
S2.计算网络节点的剩余使用寿命性能，然后对其中容易发生故障的网络节点进行备份；
S3.计算受到市政建设因素影响的网络节点及其之间通信的网络链路，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。
本发明为基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，网络资源包括两个网络节点及其它们之间进行通信的网络链路，而一个网络节点表示一个网络设备。对于容易发生故障的网络节点，其再次发生故障的概率较高。因此从历史运营数据中找到容易发生故障的网络节点和网络链路，然后对容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。接着，由于网络设备在正式上线后，都是全天运行，而随着使用时间的增加，网络设备的内置芯片、主板卡等主要部件会老化，这将影响网络设备的性能。因此越接近其保质期限的网络设备将越容易出现故障，即能够通过网络节点的使用寿命找到容易发生故障的网络节点，然后对容易发生故障的网络节点进行备份。还有，由于城市的发展，政府会对城市中的道路、房屋进行修复和拆迁，而在这些修缮的过程中容易导致网络发生故障。因此从市政建设方面能够找到容易受到影响而发生故障的网络节点和网络链路，然后对容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。
进一步地，所述电力通信网资源包括网络节点和网络链路使用G＝(N,E)进行表示；其中，G表示电力通信网资源使用，N表示由网络节点ni∈N构成的集合，E表示由网络链路ej∈E构成的集合。
进一步地，所述步骤S1具体包括如下步骤：
S11.收集所述历史运营数据；
S12.在步骤S11之后，构建故障历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000021
症状历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000022
S13.在步骤S12之后，对时间周期k内的所述故障历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000023
和症状历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000024
进行求和，然后得到故障症状特征矩阵
Figure BDA0002345251240000025
S14.在步骤S13之后，提取所述故障症状特征矩阵
Figure BDA0002345251240000026
中的元素分为对角线元素aii和非对角线元素bij，并使用
Figure BDA0002345251240000027
表示对角线元素aii的集合，使用
Figure BDA0002345251240000028
表示非对角线元素bij的集合；
S15.在步骤S14之后，对集合
Figure BDA0002345251240000029
中的对角线元素aii按照容易发生故障的顺序进行排序，并将其中容易发生故障的H个网络节点构成集合
Figure BDA00023452512400000210
对集合
Figure BDA0002345251240000031
中的非对角线元素bij按照容易发生故障的顺序进行排序，并将其中容易发生故障的L个网络链路构成集合
Figure BDA0002345251240000032
S16.在步骤S15之后，对属于集合
Figure BDA0002345251240000033
的网络节点、属于集合
Figure BDA0002345251240000034
的网络链路进行冗余处理，然后备份。
进一步地，在步骤S12中，所述故障历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000035
的行数量、列数量均为网络节点的数量n；所述症状历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000036
的行数量、列数量均为网络节点的数量n。
进一步地，在步骤S14中，使用
Figure BDA0002345251240000037
表示网络节点ni在时段k内出现故障的数量。
进一步地，在步骤S14中，使用
Figure BDA0002345251240000038
表示网络节点ni和网络节点nj之间的网络链路在时段k内不可用的数量。
进一步地，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21.计算网络节点的剩余使用寿命性能R(ni)；
S22.在步骤S21之后，对剩余使用寿命性能R(ni)的取值按照大小进行排序，并将其中取值较小的D个网络节点构成集合
Figure BDA0002345251240000039
S23.在步骤S22之后，对所述集合
Figure BDA00023452512400000310
中不属于集合
Figure BDA00023452512400000311
的网络节点进行备份。
进一步地，在步骤S21中，所述剩余使用寿命性能R(ni)使用以下公式进行计算：
Figure BDA00023452512400000312
式中，
Figure BDA00023452512400000313
表示网络节点总寿命，
Figure BDA00023452512400000314
表示网络节点已使用寿命，
Figure BDA00023452512400000315
表示网络节点的剩余寿命。
进一步地，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31.构建受到市政建设因素影响的网络资源矩阵；
S32.在步骤S31之后，识别容易受到市政建设因素影响的网络节点和网络链路，并构成关键网络资源集合
Figure BDA00023452512400000316
S33.在步骤S32之后，对关键网络资源集合
Figure BDA00023452512400000317
中不属于集合
Figure BDA00023452512400000318
的网络节点、不属于集合
Figure BDA00023452512400000319
的网络链路、不属于集合
Figure BDA00023452512400000320
的网络节点进行备份。
进一步地，在步骤S32中，通过网络连通性识别容易受到市政建设因素影响的网络节点和网络链路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，能够从网络运营的历史数据内容、网络节点的使用寿命、市政建设影响的方面找到容易发生故障的网络资源，并对其进行备份，实现优化电力通信网的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法的流程图。
图2为本发明区域、网络节点、网络链路之间的示意图。
图3为本发明与传统方法之间的网络可靠性比较示意图。
图4为本发明与传统方法之间的网络通信效率比较示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图2所示为本发明基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法的第一实施例，包括电力通信网资源，电力通信网资源包括网络节点和网络链路，网络节点之间通过网络链路进行通信，包括以下步骤：
S1.基于历史运营数据分析网络节点和网络链路的故障症状，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份；
S2.计算网络节点的剩余使用寿命性能，然后对其中容易发生故障的网络节点进行备份；
S3.计算受到市政建设因素影响的网络节点及其之间通信的网络链路，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。
网络资源包括两个网络节点及其它们之间进行通信的网络链路，而一个网络节点表示一个网络设备，两个网络设备之间通过网络链路进行通信。对于容易发生故障的网络节点，其再次发生故障的概率较高。因此从历史运营数据中找到容易发生故障的网络节点和网络链路，然后对容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。接着，由于网络设备在正式上线后，都是全天运行，而随着使用时间的增加，网络设备的内置芯片、主板卡等主要部件会老化，这将影响网络设备的性能。因此越接近其保质期限的网络设备将越容易出现故障，即能够通过网络节点的使用寿命找到容易发生故障的网络节点，然后对容易发生故障的网络节点进行备份。还有，由于城市的发展，政府会对城市中的道路、房屋进行修复和拆迁，而在这些修缮的过程中容易导致网络发生故障。因此从市政建设方面能够找到容易受到影响而发生故障的网络节点和网络链路，然后对容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。
另外，电力通信网资源包括网络节点和网络链路使用G＝(N,E)进行表示；其中，G表示电力通信网资源使用，N表示由网络节点ni∈N构成的集合，E表示由网络链路ej∈E构成的集合。
还有，步骤S1具体包括如下步骤：
S11.收集历史运营数据；
S12.在步骤S11之后，构建故障历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000051
症状历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000052
其中，故障历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000053
的行数量、列数量均为网络节点的数量n；症状历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000054
的行数量、列数量均为网络节点的数量n；
S13.在步骤S12之后，对时间周期k内的故障历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000055
和症状历史数据矩阵
Figure BDA0002345251240000056
进行求和，然后得到故障症状特征矩阵
Figure BDA0002345251240000057
S14.在步骤S13之后，提取故障症状特征矩阵
Figure BDA0002345251240000058
中的元素分为对角线元素aii和非对角线元素bij，并使用
Figure BDA0002345251240000059
表示对角线元素aii的集合，使用
Figure BDA00023452512400000510
表示非对角线元素bij的集合；
其中，使用
Figure BDA00023452512400000511
表示网络节点ni在时段k内出现故障的数量；使用
Figure BDA00023452512400000512
表示网络节点ni和网络节点nj之间的网络链路在时段k内不可用的数量；
S15.在步骤S14之后，对集合
Figure BDA00023452512400000513
中的对角线元素aii按照容易发生故障的顺序进行排序，并将其中容易发生故障的H个网络节点构成集合
Figure BDA0002345251240000061
对集合
Figure BDA0002345251240000062
中的非对角线元素bij按照容易发生故障的顺序进行排序，并将其中容易发生故障的L个网络链路构成集合
Figure BDA0002345251240000063
S16.在步骤S15之后，对属于集合
Figure BDA0002345251240000064
的网络节点、属于集合
Figure BDA0002345251240000065
的网络链路进行冗余处理，然后备份。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中，步骤S2具体包括如下步骤：
S21.计算网络节点的剩余使用寿命性能R(ni)；
其中，剩余使用寿命性能R(ni)使用以下公式进行计算：
Figure BDA0002345251240000066
式中，
Figure BDA0002345251240000067
表示网络节点总寿命，
Figure BDA0002345251240000068
表示网络节点已使用寿命，
Figure BDA0002345251240000069
表示网络节点的剩余寿命；
S22.在步骤S21之后，对剩余使用寿命性能R(ni)的取值按照大小进行排序，并将其中取值较小的D个网络节点构成集合
Figure BDA00023452512400000610
S23.在步骤S22之后，对集合
Figure BDA00023452512400000611
中不属于集合
Figure BDA00023452512400000612
的网络节点进行备份。
实施例3
本实施例与实施例2类似，所不同之处在于，本实施例中，步骤S3具体包括如下步骤：
S31.构建受到市政建设因素影响的网络资源矩阵；
S32.在步骤S31之后，通过网络连通性识别容易受到市政建设因素影响的网络节点和网络链路，并构成关键网络资源集合
Figure BDA00023452512400000613
S33.在步骤S32之后，对关键网络资源集合
Figure BDA00023452512400000614
中不属于集合
Figure BDA00023452512400000615
的网络节点、不属于集合
Figure BDA00023452512400000616
的网络链路、不属于集合
Figure BDA00023452512400000617
的网络节点进行备份。
如图2所示，C1、C2、C3表示一个城市的三个区域，n1～n11表示网络节点，e1～e4表示网络链路，若已知区域C2为市政建设因素影响的区域，那么为了保证区域C1和C3能够正常通信，那么区域C2的边网络节点n5和边网络链路e2、e4被视为容易受到市政建设因素影响的边网络节点和边网络链路，需要对其进行迁移或备份，从而能够确保市政建设因素不影响区域C1、C3。
如图3、图4所示为验证通过本发明的方法或传统方法在不同网络规模下的性能比较。为了模拟网络环境，使用BRITE工具生成网络拓扑。模拟中的网络节点数量从100增长到600，步长为50。在模拟电力通信业务时，以10％的网络节点作为电力业务的起始节点，剩余的网络节点中的任意未使用节点作为目标节点。在网络节点的故障模拟方面，使用LLRD1模型生成网络故障。通过模拟网络故障，分析电力通信业务的可用性来评估网络的可靠性。为验证本发明的方法的性能，从网络可靠性和通信效率两个方面进行评价。在图3、图4中，本发明的方法使用RIAoNFC方法表示，传统方法使用ENIoNI方法表示。
在网络可靠性方面，使用R(G)表示网络可靠性，使用以下公式进行计算：
Figure BDA0002345251240000071
式中，Su(G)表示可用的业务总数，So(G)表示业务总数。
在通信效率方面使用E(G)表示全网任意两个网络节点之间通信效率的平均值，使用以下公式进行计算：
Figure BDA0002345251240000072
式中，N表示网络节点的数量，dij表示网络节点ni和网络节点nj之间的最短距离。
从如上公式可知，当网络资源故障时，网络节点ni和网络节点nj之间的最短距离可能被阻断，导致网络节点ni和网络节点nj的路由距离变长，网络的通信效率降低。为了统一网络通信效率的特性，使用Eo(G)表示网络无故障时的通信效率。归一化后的通信效率使用以下公式进行计算：
Figure BDA0002345251240000073
式中，E(G)表示全网任意两个网络节点之间通信效率的平均值。
网络可靠性比较结果如图3所示，其中，x轴表示网络节点规模，y轴表示网络可靠性取值。从图3可知，ENIoNI方法的网络可靠性维持在0.75左右，RIAoNFC方法的网络可靠性维持在0.85。由此可得，RIAoNFC方法提高了网络可靠性。
网络通信效率比较的结果如图4所示，其中，x轴表示网络节点规模，y轴表示网络通信效率取值。从图4可知，ENIoNI方法的网络通信效率维持在0.61左右，RIAoNFC方法的网络通信效率维持在0.77。由此可得，RIAoNFC方法提高了网络通信效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，包括电力通信网资源，所述电力通信网资源包括网络节点和网络链路，所述网络节点之间通过网络链路进行通信，其特征在于，包括以下步骤：
S1.基于历史运营数据分析网络节点和网络链路的故障症状，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份；
S2.计算网络节点的剩余使用寿命性能，然后对其中容易发生故障的网络节点进行备份；
S3.计算受到市政建设因素影响的网络节点及其之间通信的网络链路，然后对其中容易发生故障的网络节点和网络链路进行备份。
2.根据权利要求1所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，所述电力通信网资源包括网络节点和网络链路使用G＝(N，E)进行表示；其中，G表示电力通信网资源使用，N表示由网络节点ni∈N构成的集合，E表示由网络链路ej∈E构成的集合。
3.根据权利要求2所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：
S11.收集所述历史运营数据；
S12.在步骤S11之后，构建故障历史数据矩阵
Figure FDA0002345251230000011
症状历史数据矩阵
Figure FDA0002345251230000012
S13.在步骤S12之后，对时间周期k内的所述故障历史数据矩阵
Figure FDA0002345251230000013
和症状历史数据矩阵
Figure FDA0002345251230000014
进行求和，然后得到故障症状特征矩阵
Figure FDA0002345251230000015
S14.在步骤S13之后，提取所述故障症状特征矩阵
Figure FDA0002345251230000016
中的元素分为对角线元素aii和非对角线元素bij，并使用
Figure FDA0002345251230000017
表示对角线元素aii的集合，使用
Figure FDA0002345251230000018
表示非对角线元素bij的集合；
S15.在步骤S14之后，对集合
Figure FDA0002345251230000019
中的对角线元素aii按照容易发生故障的顺序进行排序，并将其中容易发生故障的H个网络节点构成集合
Figure FDA00023452512300000110
对集合
Figure FDA00023452512300000111
中的非对角线元素bij按照容易发生故障的顺序进行排序，并将其中容易发生故障的L个网络链路构成集合
Figure FDA00023452512300000112
S16.在步骤S15之后，对属于集合
Figure FDA00023452512300000113
的网络节点、属于集合
Figure FDA00023452512300000114
的网络链路进行冗余处理，然后备份。
4.根据权利要求3所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，在步骤S12中，所述故障历史数据矩阵
Figure FDA0002345251230000021
的行数量、列数量均为网络节点的数量n；所述症状历史数据矩阵
Figure FDA0002345251230000022
的行数量、列数量均为网络节点的数量n。
5.根据权利要求3所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，在步骤S14中，使用
Figure FDA0002345251230000023
表示网络节点ni在时段k内出现故障的数量。
6.根据权利要求3所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，在步骤S14中，使用
Figure FDA0002345251230000024
表示网络节点ni和网络节点nj之间的网络链路在时段k内不可用的数量。
7.根据权利要求3所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21.计算网络节点的剩余使用寿命性能R(ni)；
S22.在步骤S21之后，对剩余使用寿命性能R(ni)的取值按照大小进行排序，并将其中取值较小的D个网络节点构成集合
Figure FDA0002345251230000025
S23.在步骤S22之后，对所述集合
Figure FDA0002345251230000026
中不属于集合
Figure FDA0002345251230000027
的网络节点进行备份。
8.根据权利要求7所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，在步骤S21中，所述剩余使用寿命性能R(ni)使用以下公式进行计算：
Figure FDA0002345251230000028
式中，
Figure FDA0002345251230000029
表示网络节点总寿命，
Figure FDA00023452512300000210
表示网络节点已使用寿命，
Figure FDA00023452512300000211
表示网络节点的剩余寿命。
9.根据权利要求7所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31.构建受到市政建设因素影响的网络资源矩阵；
S32.在步骤S31之后，识别容易受到市政建设因素影响的网络节点和网络链路，并构成关键网络资源集合
Figure FDA00023452512300000212
S33.在步骤S32之后，对关键网络资源集合
Figure FDA00023452512300000213
中不属于集合
Figure FDA00023452512300000214
的网络节点、不属于集合
Figure FDA00023452512300000215
的网络链路、不属于集合
Figure FDA00023452512300000216
的网络节点进行备份。
10.根据权利要求9所述的基于网络故障特征的电力通信网可靠性提升方法，其特征在于，在步骤S32中，通过网络连通性识别容易受到市政建设因素影响的网络节点和网络链路。
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