基于層次分析判斷矩陣的配用電通信業(yè)務(wù)模型的研究

龔鋼軍，熊 琛，許 剛

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

面向智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)包括智能輸電、智能變電、智能配電和智能用電四大通信模塊。光纖通信已經(jīng)成為電力骨干網(wǎng)的主要通信方式，能夠滿足智能輸電和變電的“實(shí)時(shí)雙向”通信要求。配用電網(wǎng)直接面向用戶，具有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜、業(yè)務(wù)類型多、應(yīng)用場(chǎng)景變化大、業(yè)務(wù)接入點(diǎn)分布無(wú)規(guī)律等特點(diǎn)，但是缺乏科學(xué)規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，導(dǎo)致了配用電通信網(wǎng)中眾多通信技術(shù)共存的現(xiàn)狀，這制約了電力系統(tǒng)的發(fā)展，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、智能的資源優(yōu)化配置。配用電通信網(wǎng)覆蓋了電力“配電”和“用電”兩個(gè)環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“雙向數(shù)據(jù)互動(dòng)，精細(xì)化智能管理”的關(guān)鍵。國(guó)家電網(wǎng)公司明確提出：確保五年完成用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)，達(dá)到“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的要求，并利用十年左右的時(shí)間，使我國(guó)城市10 kV配網(wǎng)的運(yùn)行管理基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化目標(biāo)，大、中城市中心區(qū)供電可靠率達(dá)到99.99%以上[1]。

[2]分析目前配用電業(yè)務(wù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)流量，提高網(wǎng)絡(luò)容量來(lái)應(yīng)對(duì)電力通信資源匱乏的問(wèn)題；參考文獻(xiàn)[3]分析了智能電網(wǎng)中通信網(wǎng)需求，并描述了國(guó)內(nèi)配用電通信網(wǎng)資源匱乏的現(xiàn)狀，但沒(méi)有提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。電力系統(tǒng)對(duì)配用電業(yè)務(wù)的通信要求只限于電力中心業(yè)務(wù)平臺(tái)軟件和末端設(shè)備之間的識(shí)別和處理，終端在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，給特定數(shù)據(jù)流加標(biāo)識(shí)，以區(qū)分不同數(shù)據(jù)類型，而配用電通信網(wǎng)絡(luò)為透明傳輸，通信網(wǎng)絡(luò)并不針對(duì)業(yè)務(wù)類型和要求級(jí)別，實(shí)時(shí)智能地分配和管理業(yè)務(wù)所需資源，業(yè)務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)性只取決于網(wǎng)絡(luò)本身性能參數(shù)和該時(shí)段網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，而網(wǎng)絡(luò)本身并沒(méi)有智能支持和保障業(yè)務(wù)通信要求。

因此，本文根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型對(duì)時(shí)延、傳輸帶寬、可靠性等通信指標(biāo)要求不同，采用基于層次分析判斷矩陣對(duì)配用電通信網(wǎng)承載業(yè)務(wù)進(jìn)行分析建模，從而得到業(yè)務(wù)權(quán)值；使得配用電通信網(wǎng)依據(jù)通信權(quán)值對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行分類排序，并進(jìn)行相應(yīng)的資源分配，從而滿足不同業(yè)務(wù)傳輸要求，并提高配用電業(yè)務(wù)的通信實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和丟包率，有利于實(shí)現(xiàn)配用電高速、實(shí)時(shí)、雙向的數(shù)據(jù)采集、保護(hù)和控制業(yè)務(wù)[4]。

1 配用電業(yè)務(wù)需求分析及層次分析原理

配用電通信網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)包括配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)和營(yíng)銷業(yè)務(wù)，其中配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)主要負(fù)責(zé)配電設(shè)備的遙控、遙信和遙測(cè)功能，而營(yíng)銷業(yè)務(wù)主要負(fù)責(zé)用電信息采集和負(fù)荷管理。相應(yīng)的配用電通信業(yè)務(wù)模型如圖1所示。

圖1 配用電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)模型Fig.1 Power distribution and utilization access network business model

因?yàn)椴煌瑯I(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流量、動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、設(shè)備操作正確率等通信指標(biāo)不同，本文首先對(duì)各種業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取關(guān)鍵信息以區(qū)分不同業(yè)務(wù)；然后從寬帶需求、實(shí)時(shí)性和可靠性三個(gè)基本準(zhǔn)則來(lái)衡量每種配用電業(yè)務(wù)。其中衡量每種準(zhǔn)則所采用的具體方案不同，對(duì)于帶寬需求，本文從不同業(yè)務(wù)對(duì)象的流量分布進(jìn)行分析，而實(shí)時(shí)性和可靠性分別從業(yè)務(wù)對(duì)象的操作最大響應(yīng)時(shí)間和操作準(zhǔn)確度來(lái)分析。為了進(jìn)一步確定數(shù)據(jù)信息之間的相對(duì)重要性，本文采取層次分析法對(duì)各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分析[5]。

層次分析法通過(guò)將要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)分解為若干個(gè)組成部分，而每個(gè)組成部分可以由一個(gè)或多個(gè)因素共同衡量，通過(guò)各個(gè)因素兩兩比較，可以求解出各個(gè)因素的整體權(quán)重。為了確定配用電業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，首先應(yīng)該確定層次分析模型，如圖2所示。

圖2 配用電業(yè)務(wù)的層次分析模型Fig.2 Power distribution and utilization analytic hierarchy model

然后采用列表法列出判斷矩陣A，見(jiàn)表1，判斷矩陣是各個(gè)因素和準(zhǔn)則相互比較得出的，反映了各個(gè)因素和準(zhǔn)則之間的相對(duì)重要性，其中

表1 Satty列表法Table 1 The Satty list law

最后計(jì)算判斷矩陣A的最大特征值及相應(yīng)的特征向量，其中A的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量則反映了各個(gè)因素對(duì)于某個(gè)準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，如下式所示。

從上可以看出要計(jì)算一組因素中單個(gè)因素的整體權(quán)重W可以通過(guò)計(jì)算這組因素的判斷矩陣A，而最大特征根l對(duì)應(yīng)的特征向量就是單個(gè)因素的整體權(quán)重W。

2 配用電通信業(yè)務(wù)需求分析

假設(shè)每個(gè)變電站有n條配電輸出線路，每條輸出線路上分別包括B1臺(tái)柱上開(kāi)關(guān)、B2座環(huán)網(wǎng)柜、B3臺(tái)開(kāi)關(guān)站、B4座桿上變壓器和B5座箱式變壓器；每個(gè)臺(tái)區(qū)分別包括C1戶居民和C2戶工商用戶。

2.1 配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)流量模型及業(yè)務(wù)流量

配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)主要為遙控、遙信和遙測(cè)，主要對(duì)象為每個(gè)變電站輸出線路上的柱上開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、開(kāi)關(guān)站、桿上變壓器和箱式變壓器等設(shè)備。各種設(shè)備的數(shù)量、業(yè)務(wù)流量和對(duì)應(yīng)表示如表2所示[6-7]。

表2 配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計(jì)Table 2 Distribution production business traffic statistics

所以匯聚到每個(gè)變電站的配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)流量可由下面公式計(jì)算：

其中：Bi表示配電設(shè)備數(shù)量；S1表示滿足配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)的總流量，單位為Kbit/s。

2.2 配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)性需求分析

根據(jù)2011年國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《配電自動(dòng)化建設(shè)與改造標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，主站運(yùn)行系統(tǒng)指標(biāo)和配電自動(dòng)化通信技術(shù)指標(biāo)如表3和表4所示。

表3 主站運(yùn)行系統(tǒng)指標(biāo)Table 3 Master operating system indicators

表4 配電自動(dòng)化通信技術(shù)指標(biāo)Table 4 Distribution automation communication technology indicators

配電自動(dòng)化通信網(wǎng)需要具備非常高的可靠性，操作正確率不小于98%，同時(shí)實(shí)時(shí)性要求也很高，操作頻率為秒級(jí)，當(dāng)采用無(wú)線通信方式時(shí)，遙測(cè)和遙信的響應(yīng)時(shí)間不高于30 s，而遙控的響應(yīng)時(shí)間則不高于60 s。

2.3 用電信息采集業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)流量

用電信息采集業(yè)務(wù)種類繁多，數(shù)據(jù)集中，主要由采集居民和大客戶上傳用電信息產(chǎn)生的。每個(gè)臺(tái)區(qū)對(duì)應(yīng)的居民和工商用電信息采集數(shù)量、業(yè)務(wù)流量和對(duì)應(yīng)表示如表5所示。

表5 用電信息采集業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計(jì)Table 5 Electricity information gathering traffic statistics

則匯聚到每個(gè)變電站的用電信息采集業(yè)務(wù)流量可由下面公式計(jì)算為

其中：Ci表示用電信息采集數(shù)量；S2表示滿足用電信息采集業(yè)務(wù)的總流量，單位為Kbit/s。

2.4 用電信息采集業(yè)務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)性需求分析

根據(jù)2009年國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)管理規(guī)范 第五部分：通信信道運(yùn)行管理規(guī)范》，在采集終端完好和采集系統(tǒng)主站工作正常的情況下，通信部門(mén)提供的通信信道在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)滿足以下指標(biāo)（見(jiàn)表6和表7）。

表6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集成功率分級(jí)Table 6 System data acquisition success rate grading

表7 用電信息響應(yīng)時(shí)間Table 7 Response time of electricity information

與配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)相比，用電信息采集業(yè)務(wù)無(wú)線采集一次成功率不低于85%，周期采集成功率不低于98%；而用電信息響應(yīng)時(shí)間根據(jù)具體信息類型而變化，其中遙控操作響應(yīng)時(shí)間最短為5 s，而用戶事件響應(yīng)時(shí)間有30 min。

3 基于層次分析法的配用電通信業(yè)務(wù)權(quán)重確定算法

3.1 各個(gè)準(zhǔn)則間的相對(duì)權(quán)值

對(duì)于配用電業(yè)務(wù)權(quán)重而言，帶寬需求、可靠性和實(shí)時(shí)性都不同程度地影響著業(yè)務(wù)權(quán)重，而且對(duì)于具有更多指標(biāo)的業(yè)務(wù)而言，很難單獨(dú)確定每種指標(biāo)對(duì)配用電業(yè)務(wù)的權(quán)重大小，而采用判斷矩陣的方法可以很容易地解決多指標(biāo)權(quán)重的情況[8]。根據(jù)Satty列表法，可得配用電業(yè)務(wù)指標(biāo)的判斷矩陣為

計(jì)算得到判斷矩陣的最大特征值為lmax=3，特征向量為d=[ 0.3015 0.9045 0.3015]，配用電業(yè)務(wù)對(duì)寬帶需求和實(shí)時(shí)性要求相同，而可靠性的要求略高于寬帶需求與實(shí)時(shí)性；然后將特征向量值歸一化到[0,1]之間的隸屬度，反映了各個(gè)因素對(duì)目標(biāo)的權(quán)重，其中0表示某種因素與目標(biāo)沒(méi)有關(guān)系，而1表示只有該因素影響目標(biāo)，得p=[0.2 0.6 0.2]。

3.2 單個(gè)準(zhǔn)則下各種業(yè)務(wù)間的相對(duì)權(quán)重

配用電業(yè)務(wù)的帶寬需求由每種業(yè)務(wù)總流量來(lái)標(biāo)度，所以由各種業(yè)務(wù)之間業(yè)務(wù)總流量的兩兩比較可得寬帶需求的判斷矩陣為

計(jì)算該判斷矩陣的最大特征值為l1，相應(yīng)的特征向量為，特征向量歸一化得

配用電業(yè)務(wù)的可靠性由配用電主站系統(tǒng)操作的最小正確率和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一次采集成功率來(lái)標(biāo)度，所以可得相應(yīng)的判斷矩陣為

計(jì)算該判斷矩陣的最大特征值為l2=2，相應(yīng)的特征向量為d2=[0.7554 0.6552]，特征向量歸一化得

配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性由每種業(yè)務(wù)的最大響應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)來(lái)標(biāo)度，配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)的最大響應(yīng)時(shí)間是60 s，而用電信息采集最大響應(yīng)時(shí)間是15 min，則該判斷矩陣為

計(jì)算該判斷矩陣的最大特征值為l3=2，相應(yīng)的特征向量為d3=[0.9978 0.0665]，特征向量歸一化得

3.3 各種配用電業(yè)務(wù)的綜合業(yè)務(wù)權(quán)重

配用電業(yè)務(wù)優(yōu)先權(quán)重可以由單個(gè)準(zhǔn)則在各種業(yè)務(wù)間的相對(duì)權(quán)重、特征向量組成的矩陣與各準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)值p的乘積表示，即

3.4 實(shí)例分析與仿真

某變電站有32條配電輸出線路，每條輸出線路上分別包括15臺(tái)柱上開(kāi)關(guān)、8座環(huán)網(wǎng)柜、2臺(tái)開(kāi)關(guān)站、50座桿上變壓器和30座箱式變壓器；每個(gè)臺(tái)區(qū)分別包括120戶居民和6戶工商用戶。通過(guò)計(jì)算可得，計(jì)算下面判斷矩陣為

配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)和用電信息采集業(yè)務(wù)的綜合業(yè)務(wù)權(quán)重為w=[0.6422 0.3578]，其中配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)的權(quán)重較高。

因此在仿真中，在傳輸相同流量的配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)和用電信息業(yè)務(wù)時(shí)，相應(yīng)增加傳輸配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)子載波，提高配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)傳輸帶寬，達(dá)到優(yōu)先傳輸配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)的目的。

本文利用NS2仿真軟件對(duì)采用分開(kāi)策略傳輸配用電業(yè)務(wù)和集中傳輸配用電業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，對(duì)基站網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的隊(duì)列情況和丟包率的仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處隊(duì)列情況Fig.3 Circumstances of gateway node in the queue

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)丟包率Fig.4 Packet loss rate of gateway node

如圖所示，圖3表示網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的隊(duì)列情況，其中隊(duì)列情況為FIFO隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包數(shù)量表示，該隊(duì)列最大隊(duì)列長(zhǎng)度為50，當(dāng)集中傳輸配用電業(yè)務(wù)和用電信息采集業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的隊(duì)列一直處于較高水平，而優(yōu)先傳輸配用電業(yè)務(wù)的隊(duì)列低于前者；而圖4表示網(wǎng)關(guān)處的丟包率，它由單獨(dú)檢測(cè)數(shù)據(jù)流每秒中丟包個(gè)數(shù)來(lái)表示，從圖中看出前者丟包率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者。從仿真結(jié)果看出分開(kāi)發(fā)送配用電業(yè)務(wù)可以大大降低路由處隊(duì)列擁塞情況和丟包率。

4 結(jié)論

層次分析法綜合考慮配用電業(yè)務(wù)的帶寬、可靠性、實(shí)時(shí)性等多個(gè)指標(biāo)[9-10]；對(duì)于業(yè)務(wù)權(quán)值較高的業(yè)務(wù)，在傳輸過(guò)程中分配更多子載波，可以降低路由處隊(duì)列擁塞情況和丟包率。本文僅將配電生產(chǎn)業(yè)務(wù)和營(yíng)銷業(yè)務(wù)作為研究對(duì)象，而對(duì)于分布式電源、汽車(chē)充放電業(yè)務(wù)、寬帶上網(wǎng)、視頻監(jiān)控等其他配電業(yè)務(wù)[11-13]，也可以參照該配用電業(yè)務(wù)模型并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化，從而改變透明傳輸，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)參與的目的。

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