CN114363244B - 一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法,通过建立网络通信延时模型和以节点、链路风险为基础的网络风险模型，在网络风险和业务低时延需求方面有效评估电力通信传输网路由优劣，构建以网络风险均衡和通信延时为目标的多目标电力通信传输网路由优化问题，并基于多目标优化算法，提出一种改进的电力通信传输网路由方法，在满足业务低时延需求的基础上，保障网络可靠稳定运行。

Description

一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法

技术领域

本发明涉及一种电力通信传输网路由方法，特别是一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法。

背景技术

在电力通信传输网优化领域中，路由算法的设计是一个非常重要的研究方向。传统的路由算法重点关注网络流量是否均衡、端到端是否连通，通过相应的通信资源配置，从而为用户提供尽力而为的服务，不能有效地保证电力业务的低延时和可靠性需求。而电力通信传输网承载着众多生产类业务，如继电保护、负荷调控、调度电话等，对网络的延时和可靠性要求极高。因此，对于电力通信传输网来说，一种高可靠和低延时的路由算法是非常必要的。

目前，在电力通信传输网路由算法的设计主要以负载流量均衡与网络风险均衡为目标进行研究。其中以负载流量均衡为目标的研究主要考虑通过优化电力通信传输网路由来均衡网络各节点、链路之间所承载的流量，进而避免出现个别节点、链路因负载过重引发的网络阻塞。以网络风险均衡为目标的研究主要考虑通过对网络中存在风险或可靠性进行评估建模，进而优化电力通信传输网所承载的业务路由，避免网络风险处发生故障而引发的大面积网络瘫痪，从而提高网络可靠性。以负载流量均衡为目标和以网络风险均衡为目标的研究，两者都以保障网络可靠运行为目的，未能考虑电力通信传输网中业务对于低时延通信的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种综合考虑网络风险与通信延时两个因素，提出一种改进的电力通信传输网路由方法，在满足业务低时延需求的基础上，保障网络可靠稳定运行。

一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法,本发明方案包含的具体步骤如下。

步骤一：将某区域的电力通信传输网抽象为无向图G＝(V,E)，V表示以电力通信网中变电站、调度中心为代表的节点集合，E表示以传输通道为代表的边集合，定义网络节点间邻接矩阵X＝[x_ij]来表示节点间连接关系，其中x_ij＝1表示节点v_i和v_j之间存在连接关系，定义网络所承载的业务集合为其中，/>分别表示业务s_k的源节点与目的节点，定义网络中业务路由集合为P＝{p(k)}，初始化种群P1，业务路由p(k)采用固定长度整数编码方法生成染色体，初始化迭代次数t＝1，定义最大迭代次数为t_max；

步骤二：计算是否满足约束条件，如不满足约束条件，需返回步骤一重新修正初始化种群，约束条件如下；

其中，为需求带宽，Z为当前可用带宽，

步骤三：计算节点风险值，计算公式如下，

其中，节点v_i为业务s_k路由上的节点，为节点v_i承载的业务集合，/>为节点故障概率，/>表示节点v_i的重要度，其计算公式分别如下，

其中，表示在时间周期T内任意节点v_i的故障次数，ω₁和ω₂为权重系数，/>为节点v_i的电压等级，/>为节点v_i的重要度指数，/>和/>的计算公式如下，

其中，σ_i为节点v_i的电压值，U表示网络中存在的电压值集合{σ₁,σ₂,…,σ_u}，σ_max与σ_min分别为电压值集合U中的最大值和最小值，表示节点s与节点d之间经过节点v_i的最短路径数，A_s,d表示节点与节点d之间的最短路径数；

步骤四：计算链路风险值，计算公式如下，

其中，表示链路e_ij的故障概率，/>表示链路重要度，/>为所承载的业务集合，/>和/>计算公式如下，

其中，表示在时间周期T内链路e_ij的故障次数，/>为电压等级，/>为链路重要度指数，ω₃和ω₄为权重系数，/>和/>计算公式如下，

其中，σ_ij为链路e_ij的电压值，A_l,f为从节点l到节点f的最短路径条数，为从节点l到节点f经过链路e_ij的最短路径条数；

步骤五：计算网络风险值，计算公式如下，

其中，D_B为网络风险值，m和n分别为节点和链路数；

步骤六：计算网络通信延时，计算公式如下，

其中，表示业务s_k在路由p(k)上的时延，计算公式如下，

其中，c为光传播速率，M为路由p(k)上的交换机数，T_avg为在交换机上经历的转发时延，L_ij为路由p(k)上相邻节点v_i,v_j间链路长度，为0-1变量，当业务s_k的路由p(k)经过节点v_i,v_j时，/>

步骤七：计算目标函数

步骤八：对种群进行快速非支配排序，对生成的种群进行选择、交叉、变异生成新种群，采用二元锦标赛法和精英策略进行选择，采用基于位置的交叉方法进行交叉；

步骤九：计算t＝t+1，如果t>t_max，则输出帕累托最优解集，否则，返回步骤七。

步骤十：从帕累托解集中从选择具有最小通信延时的路由作为主路由方案，选择最小网络风险值的路由作为备用路由方案。

本发明通过建立网络通信延时模型和以节点、链路风险为基础的网络风险模型，在网络风险和业务低时延需求方面有效评估电力通信传输网路由优劣，构建以网络风险均衡和通信延时为目标的多目标电力通信传输网路由优化问题，并基于多目标优化算法，提出一种改进的电力通信传输网路由方法，在满足业务低时延需求的基础上，保障网络可靠稳定运行。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

本发明通过构建以网络风险均衡和通信延时为目标的多目标电力通信传输网路由优化问题，并基于多目标优化算法，提出一种改进的电力通信传输网路由方法。本发明所求解到的主、备用路由在网络风险值和网络通信延迟方面均比背景技术的技术方案1和技术方案2低，可以实现在满足业务低时延需求的基础上，保障网络可靠稳定运行。

附图说明

图1是一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法的流程图。

图2是网络拓扑图。

图3是不同路由方案业务主备用路由对应的网络风险值图。

图4是不同路由方案业务主备用路由对应的网络通信延迟图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

本发明方案包含的具体步骤如下。

步骤一：将某区域的电力通信传输网抽象为无向图G＝(V,E)，V表示以电力通信网中变电站、调度中心为代表的节点集合，E表示以传输通道为代表的边集合。定义网络节点间邻接矩阵X＝[x_ij]来表示节点间连接关系，其中x_ij＝1表示节点v_i和v_j之间存在连接关系。定义网络所承载的业务集合为其中，/>分别表示业务s_k的源节点与目的节点。定义网络中业务路由集合为P＝{p(k)}。初始化种群P1，业务路由p(k)采用固定长度整数编码方法生成染色体。初始化迭代次数t＝1。定义最大迭代次数为t_max。

步骤二：计算是否满足约束条件。如不满足约束条件，需返回步骤一重新修正初始化种群。约束条件如下。

其中，为需求带宽。Z为当前可用带宽。

步骤三：计算节点风险值。计算公式如下。

其中，节点v_i为业务s_k路由上的节点，为节点v_i承载的业务集合。/>为节点故障概率，/>表示节点v_i的重要度。其计算公式分别如下。

其中，表示在时间周期T内任意节点v_i的故障次数。ω₁和ω₂为权重系数。/>为节点v_i的电压等级。/>为节点v_i的重要度指数。/>和/>的计算公式如下。

其中，σ_i为节点v_i的电压值。U表示网络中存在的电压值集合{σ₁,σ₂,…,σ_u}。σ_max与σ_min分别为电压值集合U中的最大值和最小值。表示节点s与节点d之间经过节点v_i的最短路径数，A_s,d表示节点与节点d之间的最短路径数。

步骤四：计算链路风险值。计算公式如下。

其中，表示链路e_ij的故障概率。/>表示链路重要度。/>为所承载的业务集合。/>和/>计算公式如下。

其中，表示在时间周期T内链路e_ij的故障次数。/>为电压等级。/>为链路重要度指数。ω₃和ω₄为权重系数。/>和/>计算公式如下。

其中，σ_ij为链路e_ij的电压值。A_l,f为从节点l到节点f的最短路径条数。为从节点l到节点f经过链路e_ij的最短路径条数。

步骤五：计算网络风险值。计算公式如下。

其中，D_B为网络风险值。m和n分别为节点和链路数。

步骤六：计算网络通信延时。计算公式如下。

其中，表示业务s_k在路由p(k)上的时延。计算公式如下。

其中，c为光传播速率。M为路由p(k)上的交换机数。T_avg为在交换机上经历的转发时延。L_ij为路由p(k)上相邻节点v_i,v_j间链路长度。为0-1变量，当业务s_k的路由p(k)经过节点v_i,v_j时，/>

步骤七：计算目标函数

步骤八：对种群进行快速非支配排序，对生成的种群进行选择、交叉、变异生成新种群。采用二元锦标赛法和精英策略进行选择。采用基于位置的交叉方法进行交叉。

步骤九：计算t＝t+1。如果t>t_max，则输出帕累托最优解集。否则，返回步骤七。

步骤十：从帕累托解集中从选择具有最小通信延时的路由作为主路由方案，选择最小网络风险值的路由作为备用路由方案。

本发明方案流程如图1所示。

下面结合实例说明：

本发明利用14节点NSFnet对所提方案进行仿真，如图2所示。其中，圆圈内数字表示节点编号，链路上数字表示链路长度，节点11表示调度中心，节点6表示500kV变电站，节点1、5、8、10表示330kV变电站，节点2、3、4、7、9、12、14表示220kV变电站，节点13表示110kV变电站。方案中种群大小为100，最大迭代次数为500，变异概率为0.05。

图3展示了不同路由方案业务主备用路由对应的网络风险值。针对主路由来说，本发明的网络风险值分别比技术方案1、技术方案2和技术方案3低28.9％、5.4％和40.5％。针对备用路由来说，本发明的网络风险值分别比技术方案1和技术方案2低32.1％、2.1％和45.3％。另外，本发明的业务主路由相对应的网络风险值高于备用路由对应的网络风险值。原因在于本发明在筛选备用路由时优先考虑降低网络风险值。

图4展示了不同路由方案业务主备用路由对应的网络通信延迟。针对主路由来说，本发明的网络通信延迟分别比技术方案1、技术方案2和技术方案3低5.2％、25.3％和34.6％。针对备用路由来说，本发明的网络通信延迟与技术方案1几乎相等，但比技术方案2和技术方案3分别低5.6％、33.4％。另外，本发明的业务备用路由相对应的网络通信延迟高于主路由对应的网络风险值。原因在于本发明在筛选主路由时优先考虑降低网络通信延迟。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种计及网络风险和通信延时的电力通信传输网路由方法，本方法包含的具体步骤如下，其特征在于：

步骤一：将某区域的电力通信传输网抽象为无向图G＝(V，E)，V表示以电力通信网中变电站、调度中心为代表的节点集合，E表示以传输通道为代表的边集合，定义网络节点间邻接矩阵X＝[x_ij]来表示节点间连接关系，其中x_ij＝1表示节点v_i和v_j之间存在连接关系，定义网络所承载的业务集合为其中，/>分别表示业务s_k的源节点与目的节点，定义网络中业务路由集合为P＝{p(k)}，初始化种群P1，业务路由p(k)采用固定长度整数编码方法生成染色体，初始化迭代次数t＝1，定义最大迭代次数为t_max；

步骤二：计算是否满足约束条件，如不满足约束条件，需返回步骤一重新修正初始化种群，约束条件如下；

其中，为需求带宽，Z为当前可用带宽，

步骤三：计算节点风险值，计算公式如下，

其中，节点v_i为业务s_k路由上的节点，为节点v_i承载的业务集合，/>为节点故障概率，/>表示节点v_i的重要度，其计算公式分别如下，

其中，表示在时间周期T内任意节点v_i的故障次数，ω₁和ω₂为权重系数，/>为节点v_i的电压等级，/>为节点v_i的重要度指数，/>和/>的计算公式如下，

其中，σ_i为节点v_i的电压值，U表示网络中存在的电压值集合{σ₁，σ₂，...，σ_u}，σ_max与σ_min分别为电压值集合U中的最大值和最小值，表示节点s与节点d之间经过节点v_i的最短路径数，A_s，d表示节点与节点d之间的最短路径数；

步骤四：计算链路风险值，计算公式如下，

其中，表示链路e_ij的故障概率，/>表示链路重要度，/>为所承载的业务集合，/>和计算公式如下，

其中，表示在时间周期T内链路e_ij的故障次数，/>为电压等级，/>为链路重要度指数，ω₃和ω₄为权重系数，/>和/>计算公式如下，

其中，σ_ij为链路e_ij的电压值，A_l，f为从节点l到节点f的最短路径条数，为从节点l到节点f经过链路e_ij的最短路径条数；

步骤五：计算网络风险值，计算公式如下，

其中，D_B为网络风险值，m和n分别为节点和链路数；

步骤六：计算网络通信延时，计算公式如下，

其中，表示业务s_k在路由p(k)上的时延，计算公式如下，

其中，c为光传播速率，M为路由p(k)上的交换机数，T_avg为在交换机上经历的转发时延，L_ij为路由p(k)上相邻节点v_i，v_j间链路长度，为0-1变量，当业务s_k的路由p(k)经过节点v_i，v_j时，/>

步骤七：计算目标函数

步骤八：对种群进行快速非支配排序，对生成的种群进行选择、交叉、变异生成新种群，采用二元锦标赛法和精英策略进行选择，采用基于位置的交叉方法进行交叉；

步骤九：计算t＝t+1，如果t＞t_max，则输出帕累托最优解集，否则，返回步骤七；

步骤十：从帕累托解集中从选择具有最小通信延时的路由作为主路由方案，选择最小网络风险值的路由作为备用路由方案。