CN114679419A - 一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统。本发明通过需求响应业务分类模块，对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。通过权重动态更新模块，对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块。最后通过权重更新模块传递的队列动态权值确定各需求响应数据队列的虚拟完成时间，根据各需求响应数据队列的最小虚拟完成时间对需要调度的需求响应数据队列进行调度，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

Description

一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统通信技术相关领域，具体涉及一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统。

背景技术

随着电力物联网的不断发展和电气信息技术的深度融合，我国需求响应业务主要集中在负荷预测与调度、新能源消纳、电力现货市场、可调节负荷等。日益增多的智能用电终端接入电力通信网并参与需求响应互动，会产生大量的需求响应业务信息流并造成网络堵塞和延迟，使通信的传输质量变差。如果需求响应业务中的紧急控制类业务没有得到及时响应，可能导致电网的安全运行。为了适应新的发展趋势，满足未来大规模的需求响应试点推广，如何保障需求响应通信过程中信息传输质量并充分发挥需求响应资源作用仍然是首要解决的问题。

在需求响应通信网络中，当某一时刻出现需求响应突发性业务数据流，该数据流产生的速度超过资源的阈值，则需求响应业务的性能将会受到影响，造成通信网络堵塞，导致对需求响应业务的实时性无法满足。当通信网络出现拥塞时，吞吐量会随着负载的增加而减少，严重的会使通信网瘫痪。

针对目前需求响应业务的特点，在保证其服务质量Qos的同时要能够解决带宽有效利用，且还需解决需求响应突发业务产生时的带宽分配问题。大多数的队列调度方法仅采用固定的权值进行队列的调度，没有考虑到变化的需求响应数据流，导致带宽资源分配不公平，无法保障实时性业务的服务质量。

针对以上需求，本发明提出一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统，旨在优化需求响应通信过程中的带宽利用率，提高需求响应业务的服务质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法，其特征在于，所述方法包括：

提供需求响应业务分类模块，对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。

提供权重动态更新模块，对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块。

提供队列调度模块，根据权重动态更新模块传递过来的权重，动态调整各个队列的权值，调度需求响应数据队列，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

在需求响应通信网络中，网络资源主要指链路带宽、交换节点的缓冲区大小等。当某一时刻出现需求响应突发性业务数据流，该数据流产生的速度超过资源的阈值，则需求响应业务的性能将会受到影响，造成通信网络堵塞，导致对需求响应业务的实时性无法满足。

其中，根据需求响应通信过程中报文传输的特征，设计需求响应信号的传输总时延为T，如式(1)。

T＝T_sp+T_sq+T_L+T_rp+T_rq (1)

其中，T_sp为发送节点的处理时延，T_sq为发送节中的排队时延，T_L为链路传输时延，T_rp为接收节点处理时延，T_rq为接收节点排队时延。

进一步，在没有突发业务流出现时，交换节点处的数据流很少，没有发生拥塞，使用传统的调度方法就可，需求响应信号的传输时延可以满足要求。而出现需求响应突发性业务数据流时，在需求响应信息交互汇聚节点的队列中缓存了大量的数据流，会造成排队延迟以及影响到不同等级的需求响应业务的响应速度。

进一步，为了解决需求响应通信过程中的数据包或者信息流在通信网络中的排队时延问题，需要对需求响应信息交互模型展开分析。

在信息交互过程可能会产生大量的需求响应业务数据流，由用电设备上传到聚合商再到需求响应管理者，会造成某个汇聚节点拥塞，通信的传输质量变差。为了保证需求响应业务的服务质量，需要对不同的需求响应业务信息流进行分析，并构建合理的业务流模型。

进一步，基于需求响应信息交互模型，对各类业务的数据流特性展开分析，将需求响应业务划分为4个等级。其中Ⅰ级业务优先级最高，代表紧急控制类业务；Ⅱ级业务代表一般事件类业务，包含选择业务和注册业务；Ⅲ级业务代表监测报告类业务；Ⅳ级业务优先级最低代表辅助支撑类业务，主要有轮询业务。

进一步，在需求响应的业务中，紧急控制类业务属于典型的随机性数据流，当通信网中某处发生故障拥塞等，触发紧急控制业务，此类业务具有数据长度短持续时间长，随机突发等特点。此业务流模型可用泊松随机过程来模拟。设N(t)为需求响应数据流到达的总个数，λ为报文的平均达到率，在时间t内有k个报文到达概率服从泊松分布，时间t大于等于0，如式(2)所示。

进一步，在需求响应的业务中，辅助支撑类业务中的轮询业务属于典型的周期性数据流。此类数据流按照设定好的时间序列触发且具有周期性，数据流到达的时间间隔固定，报文长度已知。则需求响应周期性数据流模型F如式(3)所示。

F＝(L,B,P,D) (3)

式中L为需求响应周期性数据报文的长度，B为报文端到端时延，P为数据流的到达时间间隔，D为业务到达目的节点的最大时延，且端到端时延的值要小于等于需求响应业务到达目的节点的最大时延。

进一步，对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，当需求响应业务队长没有超过预定阈值且网络没有拥塞时，权值还是初始权值，采用传统的加权公平队列方法。如果遇到紧急情况，某一业务数据突发，其队列长度超过既定的长度阈值，则此时开始动态调整该队列的权值。

其中，设有k个优先级队列需要增加权值，第i个队列增加的权值如式(4)所示。

式中，α_i为第i个队列的延迟指数，w_max为该队列最大权值，w_inital为该队列初始权值。

此时引入延迟指数，以该比值作为动态调整权值依据，队列的延迟指数α计算公式如式(5)所示。

式中L为队列长度。

则第i个队列更新后的权值w_i如式(6)所示。

式中L_max为队列长度阈值。

进一步，定义数据包到达或者离开调度服务器为一个事件，当队列到达时，根据系统的虚拟时间V(t)和队列中前一组的虚拟结束时间计算该分组的虚拟结束时间。则在系统的任何一个忙期，令开始时间为0，其虚拟时间V(t)定义如式(7)所示

式中，τ≤t_j-t_j-1，τ为一个短时间间隔，t_j为第j个事件的发生时刻；B_j为(t_j-1,t_j)时间间隔内积压的信息流集合；r_i为队列i的权重。

进一步，设

表示第i个队列中第k个分组到达时间；

表示该分组的长度；F_i ^k表示该分组结束服务的时间；则该分组开始服务的虚拟时间

如式(8)所示。

最后，根据权重更新模块传递的队列动态权值确定各需求响应数据队列的虚拟完成时间，根据各需求响应数据队列的最小虚拟完成时间对需要调度的需求响应数据队列进行调度，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

本发明提供的一种基于加权公平队列的需求响应业务调度系统，其特征在于，所述系统包括：

需求响应业务分类模块，对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。

权重动态更新模块，对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块。

队列调度模块，根据权重动态更新模块传递过来的权重，动态调整各个队列的权值，调度需求响应数据队列，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

在需求响应通信网络中，网络资源主要指链路带宽、交换节点的缓冲区大小等。当某一时刻出现需求响应突发性业务数据流，该数据流产生的速度超过资源的阈值，则需求响应业务的性能将会受到影响，造成通信网络堵塞，导致对需求响应业务的实时性无法满足。

其中，根据需求响应通信过程中报文传输的特征，设计需求响应信号的传输总时延为T，如式(9)。

T＝T_sp+T_sq+T_L+T_rp+T_rq (9)

其中，T_sp为发送节点的处理时延，T_sq为发送节中的排队时延，T_L为链路传输时延，T_rp为接收节点处理时延，T_rq为接收节点排队时延。

进一步，在没有突发业务流出现时，交换节点处的数据流很少，没有发生拥塞，使用传统的调度方法就可，需求响应信号的传输时延可以满足要求。而出现需求响应突发性业务数据流时，在需求响应信息交互汇聚节点的队列中缓存了大量的数据流，会造成排队延迟以及影响到不同等级的需求响应业务的响应速度。

进一步，为了解决需求响应通信过程中的数据包或者信息流在通信网络中的排队时延问题，需要对需求响应信息交互模型展开分析。

在信息交互过程可能会产生大量的需求响应业务数据流，由用电设备上传到聚合商再到需求响应管理者，会造成某个汇聚节点拥塞，通信的传输质量变差。为了保证需求响应业务的服务质量，需要对不同的需求响应业务信息流进行分析，并提出合理的Qos保障机制。

进一步，基于需求响应信息交互模型，对各类业务的数据流特性展开分析，将需求响应业务划分为4个等级。其中Ⅰ级业务优先级最高，代表紧急控制类业务；Ⅱ级业务代表一般事件类业务，包含选择业务和注册业务；Ⅲ级业务代表监测报告类业务；Ⅳ级业务优先级最低代表辅助支撑类业务，主要有轮询业务。

进一步，在需求响应的业务中，紧急控制类业务属于典型的随机性数据流，当通信网中某处发生故障拥塞等，触发紧急控制业务，此类业务具有数据长度短持续时间长，随机突发等特点。此业务流模型可用泊松随机过程来模拟。设N(t)为需求响应数据流到达的总个数，λ为报文的平均达到率，在时间t内有k个报文到达概率服从泊松分布，时间t大于等于0，如式(10)所示。

进一步，在需求响应的业务中，辅助支撑类业务中的轮询业务属于典型的周期性数据流。此类数据流按照设定好的时间序列触发且具有周期性，数据流到达的时间间隔固定，报文长度已知。则需求响应周期性数据流模型F如式(11)所示。

F＝(L,B,P,D) (11)

式中L为需求响应周期性数据报文的长度，B为报文端到端时延，P为数据流的到达时间间隔，D为业务到达目的节点的最大时延，且端到端时延的值要小于等于需求响应业务到达目的节点的最大时延。

进一步，通过式(4)-(8)对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并得到各个队列的虚拟完成时间。

根据权重更新模块传递的队列动态权值确定各需求响应数据队列的虚拟完成时间，根据各需求响应数据队列的最小虚拟完成时间对需要调度的需求响应数据队列进行调度，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：本发明公开一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法及系统，其中需求响应业务分类模块对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。权重动态更新模块对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块。队列调度模块根据权重动态更新模块传递过来的权重，动态调整各个队列的权值，调度需求响应数据队列。本发明提供更加公平的带宽资源分配，可以改善需求响应业务的服务质量。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法流程图；

图2为本发明提供的一种基于加权公平队列的需求响应业务调度系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法流程图。具体包括：

S10，对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。

S20，对传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块，

S30，根据权重动态更新模块传递过来的权重，动态调整各个队列的权值，调度需求响应数据队列，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

图2为本发明提供的一种基于加权公平队列的需求响应业务调度系统示意图。

需求响应业务分类模块，此模块对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。

权重动态更新模块，此模块对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块。

队列调度模块，此模块根据权重动态更新模块传递过来的权重，动态调整各个队列的权值，调度需求响应数据队列，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

在需求响应通信网络中，网络资源主要指链路带宽、交换节点的缓冲区大小等。当某一时刻出现需求响应突发性业务数据流，该数据流产生的速度超过资源的阈值，则需求响应业务的性能将会受到影响，造成通信网络堵塞，导致对需求响应业务的实时性无法满足。

其中，根据需求响应通信过程中报文传输的特征，设计需求响应信号的传输总时延为T，如下式。

T＝T_sp+T_sq+T_L+T_rp+T_rq

其中，T_sp为发送节点的处理时延，T_sq为发送节中的排队时延，T_L为链路传输时延，T_rp为接收节点处理时延，T_rq为接收节点排队时延。

进一步，在没有突发业务流出现时，交换节点处的数据流很少，没有发生拥塞，使用传统的调度方法就可，需求响应信号的传输时延可以满足要求。而出现需求响应突发性业务数据流时，在需求响应信息交互汇聚节点的队列中缓存了大量的数据流，会造成排队延迟以及影响到不同等级的需求响应业务的响应速度。

进一步，为了解决需求响应通信过程中的数据包或者信息流在通信网络中的排队时延问题，需要对需求响应信息交互模型展开分析。

在信息交互过程可能会产生大量的需求响应业务数据流，由用电设备上传到聚合商再到需求响应管理者，会造成某个汇聚节点拥塞，通信的传输质量变差。为了保证需求响应业务的服务质量，需要对不同的需求响应业务信息流进行分析，并构建合理的业务流模型。

进一步，基于需求响应信息交互模型，对各类业务的数据流特性展开分析，将需求响应业务划分为4个等级。其中Ⅰ级业务优先级最高，代表紧急控制类业务；Ⅱ级业务代表一般事件类业务，包含选择业务和注册业务；Ⅲ级业务代表监测报告类业务；Ⅳ级业务优先级最低代表辅助支撑类业务，主要有轮询业务。

进一步，在需求响应的业务中，紧急控制类业务属于典型的随机性数据流，当通信网中某处发生故障拥塞等，触发紧急控制业务，此类业务具有数据长度短持续时间长，随机突发等特点。此业务流模型可用泊松随机过程来模拟。设N(t)为需求响应数据流到达的总个数，λ为报文的平均达到率，在时间t内有k个报文到达概率服从泊松分布，时间t大于等于0，如下式所示。

进一步，在需求响应的业务中，辅助支撑类业务中的轮询业务属于典型的周期性数据流。此类数据流按照设定好的时间序列触发且具有周期性，数据流到达的时间间隔固定，报文长度已知。则需求响应周期性数据流模型F如下式所示。

F＝(L,B,P,D)

式中L为需求响应周期性数据报文的长度，B为报文端到端时延，P为数据流的到达时间间隔，D为业务到达目的节点的最大时延，且端到端时延的值要小于等于需求响应业务到达目的节点的最大时延。

进一步，对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，当需求响应业务队长没有超过预定阈值且网络没有拥塞时，权值还是初始权值，采用传统的加权公平队列方法。如果遇到紧急情况，某一业务数据突发，其队列长度超过既定的长度阈值，则此时开始动态调整该队列的权值。

其中，设有k个优先级队列需要增加权值，第i个队列增加的权值如下式所示。

式中，α_i为第i个队列的延迟指数，w_max为该队列最大权值，w_inital为该队列初始权值。

此时引入延迟指数，以该比值作为动态调整权值依据，队列的延迟指数α计算公式如下式所示。

式中L为队列长度。

则第i个队列更新后的权值w_i如下式所示。

式中L_max为队列长度阈值。

进一步，定义数据包到达或者离开调度服务器为一个事件，当队列到达时，根据系统的虚拟时间V(t)和队列中前一组的虚拟结束时间计算该分组的虚拟结束时间。则在系统的任何一个忙期，令开始时间为0，其虚拟时间V(t)定义如下式所示

式中，τ≤t_j-t_j-1，τ为一个短时间间隔，t_j为第j个事件的发生时刻；B_j为(t_j-1,t_j)时间间隔内积压的信息流集合；r_i为队列i的权重。

进一步，设

表示第i个队列中第k个分组到达时间；

表示该分组的长度；F_i ^k表示该分组结束服务的时间；则该分组开始服务的虚拟时间

如下式所示。

最后，根据权重更新模块传递的队列动态权值确定各需求响应数据队列的虚拟完成时间，根据各需求响应数据队列的最小虚拟完成时间对需要调度的需求响应数据队列进行调度，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于加权公平队列的需求响应业务调度方法，其特征在于，所述方法包括：

根据需求响应数据流进行分析并对其业务特性分类。

根据分类好的需求响应业务对其队列长度进行动态权值更新。

根据队列动态权值确定各需求响应数据队列的虚拟完成时间，对需要调度的需求响应数据队列进行调度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据需求响应数据流进行分析并对其业务特性分类包括：

在需求响应信息交互过程可能会产生大量的需求响应业务数据流，由用电设备上传到聚合商再到需求响应管理者，会造成某个汇聚节点拥塞，通信的传输质量变差。为了保证需求响应业务的服务质量，需要对不同的需求响应业务信息流进行分析，构建合理的业务流模型。

在需求响应的业务中，紧急控制类业务属于典型的随机性数据流，当通信网中某处发生故障拥塞等，触发紧急控制业务，此类业务具有数据长度短持续时间长，随机突发等特点。此业务流模型可用泊松随机过程来模拟。

辅助支撑类业务中的轮询业务属于典型的周期性数据流。此类数据流按照设定好的时间序列触发且具有周期性，数据流到达的时间间隔固定，报文长度已知。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据分类好的需求响应业务对其队列长度进行动态权值更新包括：

对需求响应业务的队列根据其队列长度进行动态权值更新，当需求响应业务队长没有超过预定阈值且网络没有拥塞时，权值还是初始权值，采用传统的加权公平队列方法。如果遇到紧急情况，某一业务数据突发，其队列长度超过既定的长度阈值，则此时开始动态调整该队列的权值。

设有k个优先级队列需要增加权值，第i个队列增加的权值Δw_i：

式中，α_i为第i个队列的延迟指数，w_max为该队列最大权值，w_inital为该队列初始权值。

此时引入延迟指数，以该比值作为动态调整权值依据，队列的延迟指数α：

式中L为队列长度。

则第i个队列更新后的权值w_i：

式中L_max为队列长度阈值。

4.一种基于加权公平队列的需求响应业务调度系统，其特征在于，所述系统包括：

需求响应业务分类模块，对需求响应数据流进行分析并根据业务特性分类，将分好类的业务传递给权重动态更新模块。

权重动态更新模块，对需求响应业务分类模块传递过来的队列根据其队列长度进行动态权值更新，并将更新的权值传递给队列调度模块。

队列调度模块，根据权重动态更新模块传递过来的权重，动态调整各个队列的权值，调度需求响应数据队列，提供更加公平的带宽资源分配，改善需求响应业务的服务质量。

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