基于多協(xié)議標(biāo)記的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸方法研究

趙立英 王敏珍 劉超

摘 ?要： 以往輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸方法，很少考慮傳輸過(guò)程中傳輸路徑的擁塞現(xiàn)象，不能確?？鐚觽鬏斴旊娋€路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和可靠性。為此，提出基于多協(xié)議標(biāo)記的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸方法。多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)模型由標(biāo)簽交換路由器和標(biāo)簽邊緣路由器組成，通過(guò)CMA設(shè)備組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)路由器間相互通信，通信過(guò)程中在智能電網(wǎng)輸電線路中劃分兩個(gè)路由器后，通過(guò)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方向構(gòu)建標(biāo)簽交換路徑，通過(guò)定義數(shù)據(jù)類型確定傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)順序，根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免傳輸路徑擁塞，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用該方法后，輸電線路兩條鏈路上的數(shù)據(jù)流量幾乎相同，數(shù)據(jù)流量大約為1.5 Mb/s，且傳輸精度最高可達(dá)到99.5%，即該方法能實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的負(fù)載平衡，且能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

關(guān)鍵詞： 跨層傳輸; 輸電線路; 狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù); 多協(xié)議標(biāo)記; 路由器; 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)： TN344?34; TM73 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0103?04

Research on multi?protocol label based cross?layer transmission method of

transmission line condition monitoring data

ZHAO Liying， WANG Minzhen， LIU Chao

（School of Computer Technology and Engineering， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： As the traditional cross?layer transmission method of transmission line condition monitoring data can not ensure the timeliness and reliability of cross?layer transmission line condition monitoring data， a multi?protocol label based cross?layer transmission method of transmission line condition monitoring data is proposed. The multi?protocol label switched network model is composed of label switching router and label edge router to realize the communication between two routers by means of CMA equipment networking. In the process of communication， two routers are divided in a smart grid transmission line， and then the label switching path is constructed according to transmission direction of transmission line state monitoring data. The priority order of transmitting the transmission line condition monitoring data is determined by defining data types， and the across?layer transmission of the transmission line condition monitoring data is implemented according to the priority order to avoid transmission path congestion and achieve load balancing. The experimental results show that after adopting this method， the data flow on the two links of the transmission line is almost the same， and the data flow is approximately 1.5 Mb/s， and the transmission accuracy can reach 99.5%. That is， this method can realize load balancing of transmission line condition monitoring data and ensure the reliability of data transmission.

Keywords： cross?layer transmission; transmission line; condition monitoring data; multi?protocol label; router; experiment analysis

目前全球正在進(jìn)行綠色產(chǎn)業(yè)革命，隨著低碳思想的不斷普及，在政府的引導(dǎo)下，世界發(fā)達(dá)國(guó)家提出電力發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，智能電網(wǎng)是戰(zhàn)略規(guī)劃中最為核心的理念[1]。智能電網(wǎng)中主要組成部分是智能輸電網(wǎng)，智能電網(wǎng)對(duì)輸電設(shè)備管理要求較為嚴(yán)格。需要采用有效方法檢測(cè)輸電線路中存在的問(wèn)題。通過(guò)在線跨層傳輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中需保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能在幀中繼、SDH等多個(gè)鏈路層協(xié)議中實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽交換[2]。多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)具有兼容性高、支持DiffServ模型、較多保證機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，而且多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量工程有一定的支持作用，使輸電線路處于負(fù)載均衡狀態(tài)，對(duì)傳輸路徑產(chǎn)生影響。多協(xié)議標(biāo)記交換通過(guò)兩個(gè)方面保證跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分別是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和和通信鏈路[3]。采用多協(xié)議標(biāo)記技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的跨層輸出，能夠提高智能輸電網(wǎng)中輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸速度，使管理人員及時(shí)檢測(cè)輸電線路中存在的問(wèn)題，提升對(duì)智能輸電網(wǎng)中輸電線路的管控能力[4]。

1 ?輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸方法

1.1 ?多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)

多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)的核心是多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）網(wǎng)絡(luò)模型，其由兩個(gè)不同的路由器組成，兩個(gè)路由器分別是標(biāo)簽交換路由器（LSR）和標(biāo)簽邊緣路由器（LER），通過(guò)標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩個(gè)路由器之間的標(biāo)簽交換算法[5]。多協(xié)議標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)集成服務(wù)和DiffServ兩種方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際協(xié)議的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求。在智能電網(wǎng)大規(guī)模輸電線路中，采用集成服務(wù)方式很難實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)際協(xié)議的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求;而只采用DiffServ同樣也無(wú)法實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)際協(xié)議的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求[6]。多協(xié)議標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)模型能合理配置資源，高效控制路由器，在避開(kāi)網(wǎng)絡(luò)故障、網(wǎng)絡(luò)瓶頸和網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽路徑交換。將多協(xié)議標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)模型和DiffServ相結(jié)合，可跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1.2 ?CMA技術(shù)方案

通過(guò)CMA設(shè)備組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)記協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型中的標(biāo)簽交換路由器和標(biāo)簽邊緣路由器間的交互通信，兩種路由器進(jìn)行通信組網(wǎng)過(guò)程中的重要設(shè)備是CMA。在CMA設(shè)備中應(yīng)放置接口通信模塊，并確保接口通信模塊具備附加處理功能和豐富的通信功能，使CMA設(shè)備可作為處理設(shè)備和通信設(shè)備，只具備通信功能的通信設(shè)備不適用智能電網(wǎng)中跨層傳輸輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)[7]。CMA設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

從圖1可以看出，一個(gè)嶄新的CMA組網(wǎng)框架中需包括電源供電模塊、I2接口、安全加密模塊、CMA核心處理模塊和I1接口。其中，I1接口由串口通信模塊、無(wú)線專網(wǎng)通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊構(gòu)成;I2接口模塊由無(wú)線專網(wǎng)通信模塊、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)OLT通信模塊、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)ONU通信模塊等模塊構(gòu)成。在實(shí)際使用過(guò)程中，只需將所需要的通信模塊匹配在CMA中，用來(lái)降低功耗和成本[8]。

圖1 ?CAM組網(wǎng)框架

在實(shí)際使用CMA組網(wǎng)框架實(shí)現(xiàn)兩個(gè)路由器間相互通信時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，采用相應(yīng)的通信模塊減少不必要的成本，降低使用該技術(shù)的能量損耗。

1.3 ?網(wǎng)絡(luò)配置方法

采用CMA設(shè)備組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)記協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型中，LSR和LER兩個(gè)路由器間的相互通信過(guò)程，還應(yīng)構(gòu)建多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)，完成輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的跨層傳輸。在構(gòu)建多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)在智能電網(wǎng)輸電線路中劃分兩個(gè)路由器，將普通智能電網(wǎng)輸電線路廠站中的接入路由器當(dāng)成標(biāo)簽交換路由器，通過(guò)該路由器接入各種信息，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分配，在IP數(shù)據(jù)包中填上標(biāo)簽，將其封裝成多協(xié)議標(biāo)記交換數(shù)據(jù)包[9]。同時(shí)將智能電網(wǎng)輸電線路控制中心接入路由器當(dāng)成標(biāo)簽交換路由器，分離多協(xié)議標(biāo)記交換數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽，將多協(xié)議標(biāo)記交換數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包，將輸電線路中骨干網(wǎng)路由器當(dāng)成標(biāo)簽邊緣路由器，采用標(biāo)簽分配協(xié)議獲取標(biāo)簽交換表和相關(guān)的帶寬和服務(wù)質(zhì)量控制策略，通過(guò)上述策略轉(zhuǎn)發(fā)和交換標(biāo)簽。

劃分好兩個(gè)路由器后，依據(jù)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方向構(gòu)建標(biāo)簽交換路徑，采用定義數(shù)據(jù)類型確定傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)順序，通過(guò)IP包中DSCP字段劃分狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的DiffServ等級(jí)，同時(shí)獲取多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)EXP域映射。在多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)路由器都需要進(jìn)行相應(yīng)的配置，在標(biāo)簽交換路由器上配置控制承諾訪問(wèn)速率，對(duì)管理信息和多媒體信息的傳輸速度進(jìn)行限制;在標(biāo)簽交換路由器中配置加權(quán)隨機(jī)檢測(cè)技術(shù)和加權(quán)公平隊(duì)列，控制擁塞程度，避免過(guò)度擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)，采用多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能有效避免狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擁塞現(xiàn)象[10]。狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擁塞現(xiàn)象主要是由多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型采用最短傳輸路徑導(dǎo)致的，采用多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)能分配輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。同時(shí)當(dāng)某一條狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸路線出現(xiàn)故障時(shí)，多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)能在較短時(shí)間內(nèi)切換輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸路徑，保障輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具，構(gòu)建某智能電網(wǎng)，包括六個(gè)輸電線路、區(qū)域控制中心和上級(jí)控制中心，在跨層傳輸輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)采用的主干網(wǎng)鏈帶寬為160 Mb/s，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入路由器與主干網(wǎng)鏈采用兩條2.5 Mb/s的鏈路，控制中心在接入數(shù)據(jù)網(wǎng)時(shí)采用帶寬為160 Mb/s。

2.1 ?負(fù)載平衡狀態(tài)分析

為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)智能電網(wǎng)采用本文方法跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡狀態(tài)，將未采用本文方法的輸電線路負(fù)載平衡狀態(tài)與采用本文方法后的輸電線路負(fù)載均衡狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。未采用本文方法時(shí)，根據(jù)最短路徑跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置6個(gè)輸電線路跨層傳輸數(shù)據(jù)的2條傳輸路徑分別是a，b，傳輸狀態(tài)如圖2所示。采用本文方法設(shè)置6個(gè)輸電線路跨層傳輸數(shù)據(jù)傳輸路徑為c，d，傳輸狀態(tài)如圖3所示。

圖2 ?未采用本文方法的傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)

從圖2可以看出，在未采用本文方法前傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，a鏈路上的數(shù)據(jù)流量在3.6～4.6 Mb/s之間;b鏈路上的數(shù)據(jù)流量為0，表示未采用本文方法前六個(gè)輸電線路跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全在a鏈路上。從圖3中可以看出，c，d兩條鏈路上的數(shù)據(jù)流量幾乎相同，數(shù)據(jù)流量大約為1.5 Mb/s，即采用本文方法后實(shí)驗(yàn)輸電線路跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為平均，處于負(fù)載均衡狀態(tài)，說(shuō)明本文方法能夠提高數(shù)據(jù)線路的數(shù)據(jù)傳輸效果。

2.2 ?自愈性故障恢復(fù)分析

對(duì)比未采用本文方法和采用本文方法時(shí)，實(shí)驗(yàn)輸電線路在傳輸鏈路出現(xiàn)故障的情況下接收數(shù)據(jù)流情況，結(jié)果如圖4所示。

從圖4a）中可以看出，在未采用本文方法，實(shí)驗(yàn)輸電線路在通信鏈路發(fā)生故障的情況下，終端接收的數(shù)據(jù)流會(huì)中斷，中斷時(shí)間大約為12 ms，然后恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)流。而從圖4b）中可以看出，采用本文方法跨層輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，在通信鏈路出現(xiàn)故障的情況下，終端仍能接收數(shù)據(jù)流，表明采用本文方法的輸電線路具有自愈性故障恢復(fù)能力，可以在多條標(biāo)簽交換路徑中切換數(shù)據(jù)流，達(dá)到有效傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的目的。

2.3 ?跨層傳輸數(shù)據(jù)精度對(duì)比

為研究采用本文方法的輸電線路跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度，分析隨著輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的增加，實(shí)驗(yàn)輸電線路采用本文方法、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)方法和ARM方法的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸精度變化情況，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，與另外兩種方法相比，采用本文方法的輸電線路跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度最高，最高可達(dá)到99.5%。

3 ?結(jié) ?論

本文提出基于多協(xié)議標(biāo)記的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸方法，充分考慮傳輸過(guò)程中傳輸路徑擁塞現(xiàn)象，能提升傳輸數(shù)據(jù)速度，保證傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量。該方法有上述優(yōu)點(diǎn)主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：

1） 由于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求，多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)通過(guò)集成服務(wù)和DiffServ兩種方式，合理配置資源，高效控制路由器，有效避開(kāi)網(wǎng)絡(luò)故障和網(wǎng)絡(luò)擁塞，完成標(biāo)簽路徑交換，并能劃分、選取所需的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類，將轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類綁定到相關(guān)的標(biāo)簽交換路徑上，在標(biāo)簽交換路由器和標(biāo)簽邊緣路由器上配置所需的帶寬和服務(wù)質(zhì)量，保證跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的速度和質(zhì)量。

2） 多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到跨層傳輸數(shù)據(jù)的負(fù)載平衡，減少傳統(tǒng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跨層傳輸方法存在的傳輸延遲問(wèn)題。

3） 本文方法自愈性故障恢復(fù)功能較好，當(dāng)在跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)故障時(shí)，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效、傳輸路徑失效等，本文方法能保障輸電線路跨層傳輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和可靠性。

注：本文通訊作者為王敏珍。

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