趙立英 王敏珍 劉超

摘 ?要： 以往輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)跨層傳輸方法，很少考慮傳輸過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)測數(shù)據(jù)的及時性和可靠性。為此，提出基于多協(xié)議標記的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)跨層傳輸方法。多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡模型由標簽交換路由器和標簽邊緣路由器組成，通過CMA設備組網(wǎng)實現(xiàn)兩個路由器間相互通信，通信過程中在智能電網(wǎng)輸電線路中劃分兩個路由器后，通過輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方向構建標簽交換路徑，通過定義數(shù)據(jù)類型確定傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的優(yōu)先級順序，根據(jù)優(yōu)先級順序跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免傳輸路徑擁塞，實現(xiàn)負載均衡。經(jīng)過實驗檢測發(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到99.5%，即該方法能實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的負載平衡，且能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

關鍵詞： 跨層傳輸; 輸電線路; 狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù); 多協(xié)議標記; 路由器; 實驗分析

中圖分類號： TN344?34; TM73 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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，在政府的引導下，世界發(fā)達國家提出電力發(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)對輸電設備管理要求較為嚴格。需要采用有效方法檢測輸電線路中存在的問題。通過在線跨層傳輸狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)對輸電線路的實時檢測，但在數(shù)據(jù)傳輸過程中需保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。多協(xié)議標記交換技術是一種網(wǎng)絡技術，能在幀中繼、SDH等多個鏈路層協(xié)議中實現(xiàn)標簽交換[2]。多協(xié)議標簽交換技術具有兼容性高、支持DiffServ模型、較多保證機制等優(yōu)點，而且多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡對流量工程有一定的支持作用，使輸電線路處于負載均衡狀態(tài)，對傳輸路徑產(chǎn)生影響。多協(xié)議標記交換通過兩個方面保證跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分別是網(wǎng)絡節(jié)點和和通信鏈路[3]。采用多協(xié)議標記技術，實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)跨層傳輸速度，使管理人員及時檢測輸電線路中存在的問題，提升對智能輸電網(wǎng)中輸電線路的管控能力[4]。

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

1.1 ?多協(xié)議標記交換技術

多協(xié)議標記交換技術的核心是多協(xié)議標記交換（MPLS）網(wǎng)絡模型，其由兩個不同的路由器組成，兩個路由器分別是標簽交換路由器（LSR）和標簽邊緣路由器（LER），通過標簽分發(fā)協(xié)議實現(xiàn)兩個路由器之間的標簽交換算法[5]。多協(xié)議標記網(wǎng)絡模型通過集成服務和DiffServ兩種方式，實現(xiàn)網(wǎng)際協(xié)議的帶寬和服務質(zhì)量要求。在智能電網(wǎng)大規(guī)模輸電線路中，采用集成服務方式很難實現(xiàn)端到端網(wǎng)際協(xié)議的帶寬和服務質(zhì)量要求;而只采用DiffServ同樣也無法實現(xiàn)端到端網(wǎng)際協(xié)議的帶寬和服務質(zhì)量要求[6]。多協(xié)議標記網(wǎng)絡模型能合理配置資源，高效控制路由器，在避開網(wǎng)絡故障、網(wǎng)絡瓶頸和網(wǎng)絡擁塞的情況下，實現(xiàn)標簽路徑交換。將多協(xié)議標記網(wǎng)絡模型和DiffServ相結合，可跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1.2 ?CMA技術方案

通過CMA設備組網(wǎng)實現(xiàn)多標記協(xié)議網(wǎng)絡模型中的標簽交換路由器和標簽邊緣路由器間的交互通信，兩種路由器進行通信組網(wǎng)過程中的重要設備是CMA。在CMA設備中應放置接口通信模塊，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設備可作為處理設備和通信設備，只具備通信功能的通信設備不適用智能電網(wǎng)中跨層傳輸輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)[7]。CMA設計框架如圖1所示。

從圖1可以看出，一個嶄新的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、無線專網(wǎng)通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊構成;I2接口模塊由無線專網(wǎng)通信模塊、無源光網(wǎng)絡OLT通信模塊、無源光網(wǎng)絡ONU通信模塊等模塊構成。在實際使用過程中，只需將所需要的通信模塊匹配在CMA中，用來降低功耗和成本[8]。

圖1 ?CAM組網(wǎng)框架

在實際使用CMA組網(wǎng)框架實現(xiàn)兩個路由器間相互通信時，應結合實際需求，采用相應的通信模塊減少不必要的成本，降低使用該技術的能量損耗。

1.3 ?網(wǎng)絡配置方法

采用CMA設備組網(wǎng)實現(xiàn)多標記協(xié)議網(wǎng)絡模型中，LSR和LER兩個路由器間的相互通信過程，還應構建多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡，完成輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的跨層傳輸。在構建多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡時，應在智能電網(wǎng)輸電線路中劃分兩個路由器，將普通智能電網(wǎng)輸電線路廠站中的接入路由器當成標簽交換路由器，通過該路由器接入各種信息，對標簽進行分配，在IP數(shù)據(jù)包中填上標簽，將其封裝成多協(xié)議標記交換數(shù)據(jù)包[9]。同時將智能電網(wǎng)輸電線路控制中心接入路由器當成標簽交換路由器，分離多協(xié)議標記交換數(shù)據(jù)包的標簽，將多協(xié)議標記交換數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包，將輸電線路中骨干網(wǎng)路由器當成標簽邊緣路由器，采用標簽分配協(xié)議獲取標簽交換表和相關的帶寬和服務質(zhì)量控制策略，通過上述策略轉(zhuǎn)發(fā)和交換標簽。

劃分好兩個路由器后，依據(jù)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方向構建標簽交換路徑，采用定義數(shù)據(jù)類型確定傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的優(yōu)先級順序，通過IP包中DSCP字段劃分狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的DiffServ等級，同時獲取多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡EXP域映射。在多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡中兩個路由器都需要進行相應的配置，在標簽交換路由器上配置控制承諾訪問速率，對管理信息和多媒體信息的傳輸速度進行限制;在標簽交換路由器中配置加權隨機檢測技術和加權公平隊列，控制擁塞程度，避免過度擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)，采用多協(xié)議標記交換技術跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)能有效避免狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的擁塞現(xiàn)象[10]。狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的擁塞現(xiàn)象主要是由多種監(jiān)測數(shù)據(jù)類型采用最短傳輸路徑導致的，采用多協(xié)議標記交換技術能分配輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，實現(xiàn)負載均衡。同時當某一條狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸路線出現(xiàn)故障時，多協(xié)議標記交換技術能在較短時間內(nèi)切換輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸路徑，保障輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

2 ?實驗分析

實驗采用OPNET網(wǎng)絡仿真工具，構建某智能電網(wǎng)，包括六個輸電線路、區(qū)域控制中心和上級控制中心，在跨層傳輸輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)時采用的主干網(wǎng)鏈帶寬為160 Mb/s，數(shù)據(jù)業(yè)務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)時采用帶寬為160 Mb/s。

2.1 ?負載平衡狀態(tài)分析

為檢測實驗智能電網(wǎng)采用本文方法跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的負載均衡狀態(tài)，將未采用本文方法的輸電線路負載平衡狀態(tài)與采用本文方法后的輸電線路負載均衡狀態(tài)進行對比。未采用本文方法時，根據(jù)最短路徑跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，設置6個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。采用本文方法設置6個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)測數(shù)據(jù)時，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輸電線路跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(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驗輸電線路跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)較為平均，處于負載均衡狀態(tài)，說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 ?自愈性故障恢復分析

對比未采用本文方法和采用本文方法時，實驗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，結果如圖4所示。

從圖4a）中可以看出，在未采用本文方法，實驗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)流會中斷，中斷時間大約為12 ms，然后恢復傳輸數(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)測數(shù)據(jù)時，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能力，可以在多條標簽交換路徑中切換數(shù)據(jù)流，達到有效傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的目的。

2.3 ?跨層傳輸數(shù)據(jù)精度對比

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)測數(shù)據(jù)的精度，分析隨著輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的增加，實驗輸電線路采用本文方法、無線傳感網(wǎng)絡方法和ARM方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)跨層傳輸精度變化情況，結果如表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)測數(shù)據(jù)精度最高，最高可達到99.5%。

3 ?結 ?論

本文提出基于多協(xié)議標記的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)跨層傳輸方法，充分考慮傳輸過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)點主要是因為以下幾點原因：

1） 由于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬和服務質(zhì)量要求，多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡通過集成服務和DiffServ兩種方式，合理配置資源，高效控制路由器，有效避開網(wǎng)絡故障和網(wǎng)絡擁塞，完成標簽路徑交換，并能劃分、選取所需的轉(zhuǎn)發(fā)等價類，將轉(zhuǎn)發(fā)等價類綁定到相關的標簽交換路徑上，在標簽交換路由器和標簽邊緣路由器上配置所需的帶寬和服務質(zhì)量，保證跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的速度和質(zhì)量。

2） 多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡可達到跨層傳輸數(shù)據(jù)的負載平衡，減少傳統(tǒng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)跨層傳輸方法存在的傳輸延遲問題。

3） 本文方法自愈性故障恢復功能較好，當在跨層傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)故障時，如網(wǎng)絡節(jié)點失效、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)測數(shù)據(jù)的及時性和可靠性。

注：本文通訊作者為王敏珍。

參考文獻

[1] 鄒仁華，王毅超，鄧元婧，等.基于變權綜合理論和模糊綜合評價的多結果輸出輸電線路運行狀態(tài)評價方法[J].高電壓技術，2017，43（4）：1289?1295.

ZOU Renhua， WANG Yichao， DENG Yuanjing， et al. Multi?result output transmission line operational state evaluation method based on variable weight synthesis theory and fuzzy comprehensive evaluation [J]. High voltage technology， 2017， 43（4）： 1289?1295.

[2] 方堃，茹樂，于云龍，等.低空多無人機自組網(wǎng)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)目鐚臃椒╗J].計算機工程，2017，43（3）：140?146.

FANG Kun， RU Le， YU Yunlong， et al. Cross?layer method for reliable data transmission of low?altitude multi?unmanned aerial vehicles in ad hoc networks [J]. Computer engineering， 2017， 43（3）： 140?146.

[3] 黃新波，邢曉強，李菊清，等.輸電線路視頻監(jiān)控智能分析專家系統(tǒng)關鍵技術設計[J].中國電力，2018，51（1）：90?96.

HUANG Xinbo， XING Xiaoqiang， LI Juqing， et al. Key technology design of intelligent analysis expert system for transmission line video surveillance [J]. China electric power， 2018， 51（1）： 90?96.