利用波分復(fù)用的電力通信網(wǎng)鏈路故障保護算法

李春紅，張 磊

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 合肥 231603)

電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，在電力生產(chǎn)和經(jīng)營的整個過程中，承擔(dān)著保護電網(wǎng)安全、穩(wěn)定端口信息交流等重要任務(wù)。隨著電網(wǎng)自動化程度的提高和規(guī)模的不斷擴大，電力通信網(wǎng)逐漸龐大并復(fù)雜，其安全性也越發(fā)重要且不可忽視，一旦光連接受損或發(fā)生故障，將會造成嚴(yán)重的鏈路故障，影響通信業(yè)務(wù)的進行及電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，造成極大的不良影響。對電力通信網(wǎng)的故障風(fēng)險進行評估，采取相應(yīng)的鏈路故障保護措施，可有效降低風(fēng)險，提高電力通信網(wǎng)的安全級別。

魏勇等[1]提出一種共享鏈路保護策略，根據(jù)故障鏈路具體位置及優(yōu)先級有針對性地進行頻率重排，同時在轉(zhuǎn)發(fā)器作用下完成業(yè)務(wù)權(quán)重的重新分配并設(shè)置約束條件，實現(xiàn)鏈路故障保護；馬凝芳等[2]提出一種故障業(yè)務(wù)恢復(fù)算法，在混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立網(wǎng)絡(luò)鏈路定位模型，通過分析報警信息對具體故障鏈路進行定位，針對故障鏈路進行可靠度評估排序，優(yōu)先選擇排序靠前的鏈路完成故障恢復(fù)。但這2種方法在完成故障鏈路保護過程中易出現(xiàn)保護冗余問題，效果并不理想。

為此，本研究提出一種基于波分復(fù)用的電力通信網(wǎng)鏈路故障保護算法。在研究過程中針對鏈路的故障保護問題，通過波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)形態(tài)進行深度探究。通過電力通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路模型計算鏈路可靠度，構(gòu)建針對波分復(fù)用鏈路的故障保護模型，重新分配路由和波長容量，并對模型進行優(yōu)化，通過虛擬鏈路標(biāo)記路由，從端點開始執(zhí)行保護，完成最終的鏈路保護。

1 電力通信網(wǎng)絡(luò)鏈路模型可靠性分析

鏈路保護可以提高電力通信系統(tǒng)的可靠性，避免單點故障對整個系統(tǒng)造成影響。當(dāng)一條鏈路出現(xiàn)故障時，鏈路保護可以自動切換到備用鏈路上，保證通信系統(tǒng)的持續(xù)運行。通過對電力通信網(wǎng)絡(luò)鏈路模型可靠性分析的研究，可為鏈路保護機制的優(yōu)化和改進提供依據(jù)，提高鏈路保護的效率和可靠性，從而保障電力通信系統(tǒng)的正常運行。

用G(V，E)表示電力通信網(wǎng)絡(luò)的模型，其中V表示電力通信網(wǎng)中的節(jié)點集合，E表示其中包含的鏈路集合。每條網(wǎng)絡(luò)鏈路k(k∈E)都可能會發(fā)生故障，對應(yīng)的概率為fk，這個概率與電力通信網(wǎng)的鋪設(shè)以及鏈路類型等多方面環(huán)境因素都有關(guān)系[3]。通信網(wǎng)中一個源節(jié)點s和目標(biāo)節(jié)點d的最短路徑可表示為p(s,d) ,假設(shè)s到d之間的最短路徑p有n條，那么路徑可靠度A(s，d)則為s到d的正常傳輸概率，此時的A(s，d)計算公式為

(1)

式中:∏為節(jié)點對的對應(yīng)集合,n為最短路徑的總數(shù)。

電力通信網(wǎng)的可靠性主要描述的是其中所有源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點對路徑可靠度影響的平均值,此時整個電信網(wǎng)絡(luò)的可靠性A(D)計算公式為

(2)

式中,|V|為電力通信網(wǎng)中包含的節(jié)點個數(shù)。

此時,鏈路對通信網(wǎng)絡(luò)可靠度的可信賴貢獻值為該條鏈路在接受保護前后對電力通信網(wǎng)可靠性的增益效果,可使用△(ek)來表示:

(3)

根據(jù)公式(3)可具體得出電力通信網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路對可靠性的實際貢獻值,并獲得一個根據(jù)電力通信網(wǎng)絡(luò)中貢獻值決定的鏈路重要性關(guān)系[4]。

2 波分復(fù)用下電力通信網(wǎng)鏈路故障保護算法

2.1 波分復(fù)用故障保護

波分復(fù)用是一種常見的光通信技術(shù)，在光通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色。由于波分復(fù)用技術(shù)的高帶寬傳輸特性，可將多個不同波長的光信號通過一根光纖傳輸，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。電力通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路故障保護，主要根據(jù)故障的相鄰節(jié)點進行對應(yīng)的路由保護選擇，使用波分復(fù)用技術(shù)可實現(xiàn)全局重配置，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，無論是正常的還是受損的光連接，均須在一定條件下對執(zhí)行路由和波長進行重新分配，重分配的結(jié)果通過最小的保護容量，完成較為全面的業(yè)務(wù)恢復(fù)率。但這只是理想條件下的保護設(shè)想，雖然能完成業(yè)務(wù)節(jié)點和路由分配的靈活重組，但所涉及的計算量是相當(dāng)龐大且復(fù)雜的，變相地延長了網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時間，具有一定的時間局限性[5]。

本文算法主要傾向面向鏈路故障的重配置[6]，通過波分復(fù)用技術(shù)針對受損的通信光連接進行路由和波長的容量分配[7]，而無須考慮正常的光連接，在此基礎(chǔ)上得到網(wǎng)絡(luò)生存模型[8]。此模型使用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)Z來優(yōu)化，Z的計算公式為

(4)

對目標(biāo)函數(shù)建立對應(yīng)的約束條件:

1)通信光鏈路處于正常狀態(tài)下時,通信業(yè)務(wù)節(jié)點對光連接的需求Dπ計算公式為

(5)

2)電力通信網(wǎng)絡(luò)中光鏈路的保護容量須保證在任何故障條件下的受損恢復(fù)。其中，波長信道總?cè)萘康挠嬎愎綖?/p>

(6)

3)針對電力通信網(wǎng)絡(luò)中任意的故障狀態(tài)，通信業(yè)務(wù)節(jié)點對其中的受損光連接將依據(jù)預(yù)先設(shè)定的恢復(fù)比例進行路由保護，使網(wǎng)絡(luò)得到恢復(fù)，其中，有限光連接的計算公式為

我老伴上個月做了胃腫瘤切除手術(shù)，后續(xù)一直需要化療，身體較為虛弱，除了營養(yǎng)補充外，治療康復(fù)期間該怎樣鍛煉身體？吃哪些食物補充營養(yǎng)呢？

(7)

式中：Ω(π，r，s)為網(wǎng)絡(luò)鏈路l(l∈L)處于s(s∈S)狀態(tài)時的候選光路由集合。其中，設(shè)定Ω(π，r，s)中針對0和1的取值規(guī)律為

(8)

式中:Fs為在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的故障部件集合,pπ為節(jié)點處于π(π∈∏)條件下所對應(yīng)的源節(jié)點和宿節(jié)點集合,N為電力通信網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)節(jié)點集合。

4)電力通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)節(jié)點對應(yīng)的工作和保護路由均承載著一定的非負數(shù)流量：

(9)

在上述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中，業(yè)務(wù)節(jié)點的工作容量和保護能力都在一定的函數(shù)影響范圍內(nèi)，即對一條線路的保護不允許使用相鄰鏈路的工作波長通道，甚至在那些通道中工作節(jié)點所在的光連接在失敗情況下，也要維持這樣相對的分離關(guān)系，在光鏈路上使用波長資源，根據(jù)冗余釋放理論，可將受損光學(xué)連接在經(jīng)過原始正常鏈路條件下的波長信道完整的釋放，以起到對電力通信網(wǎng)絡(luò)的保護容量。因此，鏈接的物理波長通道不會被設(shè)置為只能在工作的光路上使用，也可以在保護光路上使用，這樣的通信信道保護方式可有效降低光鏈路中的波長信道需求。波長的容量分配結(jié)果計算公式為

(10)

電力通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路故障保護通常針對受到光鏈路故障影響的光連接，需要通過對故障模式進行切換來完成對應(yīng)的節(jié)點故障處理，鏈路節(jié)點故障保護處理如圖1所示。

由圖1可知，在業(yè)務(wù)節(jié)點B發(fā)生故障的情況下，所有經(jīng)過該節(jié)點的通信光連接都將會被切斷，而與業(yè)務(wù)節(jié)點B相鄰的A、C這2個節(jié)點可以跳過故障節(jié)點，并重新構(gòu)建單個虛擬光鏈路A—C。重建過程中將業(yè)務(wù)節(jié)點B處的故障有效地轉(zhuǎn)換成虛擬光鏈路A—C的故障，在鏈路保護機制下可完成對所有受損光連接的恢復(fù)，針對受損光連接的保護需要通過虛擬鏈路對路由進行標(biāo)記，并從端點開始執(zhí)行保護。

在鏈路故障保護模型下，對電力通信進行光傳送網(wǎng)絡(luò)保護，在特定的保護容量下完成故障保護需求優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)與公式(4)相同。

對故障網(wǎng)絡(luò)鏈路建立相應(yīng)的約束條件：

2)正常狀態(tài)下的電力通信光鏈路中，其對應(yīng)的波長信道必須能容納故障鏈路路由下承載的所有流量，即

(11)

3)電力通信網(wǎng)中的故障光鏈路發(fā)生中斷時，已經(jīng)發(fā)生故障的光連接遵循預(yù)先設(shè)定好的恢復(fù)比率，在對應(yīng)的保護鏈路上完成故障保護，其中，有限光連接的計算公式為

(12)

4)電力通信網(wǎng)中的業(yè)務(wù)節(jié)點需要對不同工作路由和傳輸鏈路保護路由具備一定的流量承載力，流量不能是負數(shù)，此時設(shè)定

(13)

2.2 算法實現(xiàn)流程

算法的最終目的就是在一定的網(wǎng)絡(luò)可靠度下，確保被保護鏈路中各鏈路重要性之和達到最大值時，找到數(shù)量最少的安全鏈路數(shù)目。

在保護某一條鏈路時，對該鏈路進行可靠度分析，如果該可靠度已經(jīng)達到提前設(shè)定好的要求，那么在所有滿足條件的保護鏈路中，選擇其中最重要的一條，作為受保護的鏈路。

如果被保護的一條鏈路達不到規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)可靠度，則再計算針對2條鏈路進行保護的可靠度，并與規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)可靠度進行比較。在滿足網(wǎng)絡(luò)可靠度的情況下，選擇2個鏈路重要性總和最大的保護鏈路作為受保護鏈路。

如果在上述情況下仍然無法達到規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)可靠度,則需要再添加一個新的保護鏈,依次進行選擇,直到選擇出能夠達到網(wǎng)絡(luò)可靠度的一組保護鏈。

算法具體步驟：

1)針對電力通信網(wǎng)絡(luò)中的任意一條鏈路進行保護計算，同時計算其對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)可靠度。

2)將計算得到的網(wǎng)絡(luò)可靠度與預(yù)先設(shè)定好的可靠度進行對比，若計算結(jié)果大于等于設(shè)定的可靠度，則保留該條鏈路，同時計算該條鏈路的重要度，當(dāng)不同情況下均能夠滿足可靠度要求時，計算得到對應(yīng)的鏈路重要度集合，從重要度集合數(shù)據(jù)中挑選出最大值，再將該條鏈路設(shè)定為保護鏈路。

3)若計算結(jié)果小于設(shè)定的可靠度，此時計算通信網(wǎng)絡(luò)中任意2條鏈路的網(wǎng)絡(luò)保護可靠度。

4)將上一步得到的2條鏈路的網(wǎng)絡(luò)保護可靠度與設(shè)定可靠度進行對比，當(dāng)大于等于設(shè)定可靠度時，將這2條鏈路記錄下來。同時計算出這2條鏈路的重要度之和；當(dāng)不同情況下的鏈路符合可靠度要求時，計算得到鏈路重要度的集合，選擇可靠度最大且滿足保護模型約束的鏈路保護方案，此時將方案中包含的鏈路作為最終的保護鏈路。

5)當(dāng)小于設(shè)定可靠度時，進一步計算保護任意3條鏈路條件下對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)可靠度，以此類推，直到找到滿足可靠度條件的保護鏈路。

3 實驗分析

本文建立一個實驗網(wǎng)絡(luò)模型，模型中共具備9個業(yè)務(wù)節(jié)點和17條傳輸鏈路。圖2表示了共享風(fēng)險鏈路組的實際狀況，從中隨機挑選出6個共享風(fēng)險鏈路組并用雙箭頭虛線標(biāo)注出來，通過鎖定箭頭所指來確定不同的雙向鏈路。例如，風(fēng)險1將鏈路8→7和8→1綁定成共享風(fēng)險，0→6這條鏈路同時存在風(fēng)險5和風(fēng)險6中，對鏈路進行約定；當(dāng)鏈路0→6發(fā)生故障時,5→6及0→8這2條鏈路都會受到影響,鏈路5→6與0→8之間關(guān)系應(yīng)該屬于不同保護區(qū),才能有效地保證單獨共享風(fēng)險鏈路組,所配置的保護區(qū)需要完成針對鏈接0→6、5→6、0→8這3條鏈路的故障保護。

由圖2(a)可知,包含的6個共享風(fēng)險鏈路組中共存在2個三重故障保護,分別是1→8、8→7、7→6這3條鏈路。實驗過程中,通過圖2(b)～(d)對不同情況進行詳細說明。在圖2(b)中，pc1和pc2分別表示逆時針和順時針方向，鏈路7→6、7→8及4→3均屬于其中，4→3與4→7這2條鏈路屬于共享風(fēng)險關(guān)系，無法實現(xiàn)對鏈路4→3的故障保護，且7→6和7→8鏈路在故障保護算法中也應(yīng)進行分離處理。通過圖2(b)中逆時針和順時針2個不同方向的路徑保護，分別實現(xiàn)了對7→6和7→8這2條鏈路的故障保護。

由圖2(b)～(d)可知,pc3能夠很好地管理所有通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)節(jié)點,因而可將其看作是任意鏈路的跨接鏈路,此時根據(jù)實驗網(wǎng)絡(luò)的實際情況,利用所提故障保護算法得到針對全部鏈路的保護,結(jié)果見表1。

表1 實驗網(wǎng)絡(luò)的鏈路保護分析結(jié)果

由表1可知,實驗網(wǎng)絡(luò)中包含的每條鏈路無論是從哪個方向出發(fā),在算法下都能得到很好的保護,基本實現(xiàn)了對單鏈路故障的100%保護。

針對不同連接請求狀態(tài),使用共享鏈路保護策略(文獻[1]方法)、故障業(yè)務(wù)恢復(fù)算法(文獻[2]方法)和本文所提算法對鏈路進行故障保護。在通信網(wǎng)絡(luò)鏈路容量受限的情況下,假設(shè)電力通信網(wǎng)絡(luò)中不存在排隊現(xiàn)象,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路的連接請求被拒絕時,這條請求也隨即會被刪除,但接受請求的情況下則不會輕易終止。3種算法的保護冗余度分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,3種算法的保護冗余度指標(biāo)會隨著請求連接數(shù)量的增加逐漸縮小,但文獻[1]的方法鏈路保護策略指標(biāo)數(shù)最高。由于保護冗余度主要描述通信網(wǎng)絡(luò)中故障保護鏈路與正常作業(yè)鏈路間的實際比值,這一指標(biāo)過高說明使用的保護策略影響到了正常作業(yè)鏈路運行;文獻[2]算法的保護冗余度由100%逐漸降低至80%,雖然能有效地保證網(wǎng)絡(luò)的正常作業(yè),但同樣影響作業(yè)效率;本文所提算法的保護冗余度最低,證明基于波分復(fù)用能有效地解決通信鏈路受損后的重新組合問題,故障保護機制并不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行,效果較好。

4 結(jié)語

針對電力通信網(wǎng)絡(luò)中線路保護問題,本文提出基于波分復(fù)用算法對電力通信網(wǎng)絡(luò)鏈路模型進行分析,對路由和波長進行重新分配,在不同限度防護下掌握鏈路情況;對已知網(wǎng)絡(luò)的可靠度進行分析,在網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點中篩選出具有較高重要性的鏈路集進行保護。經(jīng)過實驗證明,本文所提算法對電力通信網(wǎng)鏈路故障保護的效率高,且保護冗余度低,不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行。