李澤科，徐志光，余斯航，陳建洪，楊明偉，劉延華＊

1.國網(wǎng)福建省電力有限公司,福建 福州350003

2.福州大學，計算機與大數(shù)據(jù)學院，福建 福州 350108

引言

電力調度數(shù)據(jù)網(wǎng)是為電力調度生產(chǎn)服務的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，由位于各級主調中心、各直調發(fā)電廠和變電站中的路由器設備通過鏈路連接構成[1]，其主要作用是實現(xiàn)各級調度中心之間、調度中心與廠站之間實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換[2]。其上承載的業(yè)務主要是安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)和應急指揮系統(tǒng)業(yè)務[3]。調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的穩(wěn)定意義重大，調度數(shù)據(jù)缺失和不穩(wěn)定，最終可能造成一定規(guī)模的電網(wǎng)影響，對電力的生產(chǎn)和調度造成巨大損失[4]。因此，調度數(shù)據(jù)網(wǎng)有著明確的可靠度要求[5]。

調度數(shù)據(jù)網(wǎng)對電網(wǎng)發(fā)展與建設起到關鍵作用[6]。因此，調度數(shù)據(jù)網(wǎng)設計網(wǎng)絡時，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽慷龋W(wǎng)絡結構的穩(wěn)定，調度數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡一般采用雙平面技術[7]。調度數(shù)據(jù)網(wǎng)采用分層建設原則，可采用兩層結構[8]或三層結構[9-10]建設。兩層的SGDnet 架構，即骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)，三層的IP 網(wǎng)絡分層則可分為核心層、骨干層和接入層。在現(xiàn)有的部署中，電力調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的拓撲結構具有特征包括、網(wǎng)狀結構或者雙星形狀的結構[11]。兩條或者兩條以上的迂回路由，以及接入層節(jié)點采用雙歸或單歸接入到骨干網(wǎng)[12]。

兩條或者兩條以上的迂回路由，以及接入層節(jié)點采用雙歸或單歸接入到骨干網(wǎng)，該網(wǎng)絡的可靠度的評估是一個復雜的NP-hard 問題，對其精確且高效的計算是目前研究的熱點[13]。研究大致分為兩類：精確計算方法和近似計算法。精確計算法，包括容斥原理法、不交積和法（Sum of Disjoint Products,SDP），因子分解[14]和BDD[15]（Binary Decision Diagram）等。近似計算方法，包括可靠度上下界[16-17]、蒙特卡洛（Monte Carlo,MC）法[18]和曲面響應法等。由于網(wǎng)絡規(guī)模的增大、結構的復雜化等因素，精確算法都具有高度復雜度，這對大型網(wǎng)絡來說不具備很好的實用性[19]。上下界法在尋找比較緊的可靠度界值范圍時，往往以計算復雜度為代價，當網(wǎng)絡規(guī)模較大時，對應的割集或路集等參數(shù)的獲得存在困難[20-22]。

在電力網(wǎng)絡領域中，針對電力通信網(wǎng)絡安全的研究較多，對電力調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的研究較少。曾瑛等[23]從通信網(wǎng)拓撲結構出發(fā)，結合節(jié)點和鏈路可靠度，提出聚合可靠度，對電力通信骨干網(wǎng)進行可靠度評估。同時，也有文獻[24-25]對網(wǎng)絡動態(tài)運行的可靠度進行評估，結合業(yè)務與通信質量，評估通信網(wǎng)絡的運行能力和運行質量。胡娟等[26]、程向輝等[27]在調度數(shù)據(jù)網(wǎng)脆弱性方面上進行了一些研究。

綜上所述，調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲結構特征明顯，而一般的可靠度評估算法沒有考慮到調度數(shù)據(jù)網(wǎng)雙平面、層次化、雙歸等結構特征。同時，現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡評估方法中，主要研究電力通信網(wǎng)絡在抗毀性、脆弱性等方面的問題，較少結合具體的拓撲特征進行分析。因此，針對這一問題，本文結合調度數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構和連通可靠度模型，對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行可靠度評估。本文主要研究內容和貢獻如下：

（1）提出一種基于調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲結構的可靠度模型。本文結合實際的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡靜態(tài)拓撲特征進行分析，進一步地，對網(wǎng)絡進行抽象，提出可靠度評估模型。

（2）分層可靠度評估。使用圖變化和SDP 對分層次對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行可靠度評估。本文通過分析調度數(shù)據(jù)網(wǎng)分層結構，選取圖變化法和SDP 算法對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)進行可靠度評估。

（3）提出調度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入網(wǎng)拓撲優(yōu)化策略。利用可靠度評估方法進行評估，分析調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠度評估結果。最后，總結影響可靠度的拓撲結構，并給出優(yōu)化策略。

1 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結構

1.1 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲結構

本文以包括核心層、骨干層和接入層三層結構的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)為研究對象。核心層是業(yè)務處理和匯聚的終點，需要處理大量數(shù)據(jù)；骨干層為核心層與接入層通信的橋梁；接入層是廠站端業(yè)務傳輸?shù)钠瘘c，主要包括各地調、變電站和各直調電廠的業(yè)務數(shù)據(jù)接入。

某區(qū)域調度數(shù)據(jù)網(wǎng)簡化后的拓撲結構圖1 所示。

圖1 某區(qū)域調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的拓撲結構Fig.1 A regional level topology of dispatching data network

核心層由兩個省調路由器和對應的備份路由器組成，通過千兆光纖連接，構成環(huán)形冗余備份連接。

骨干網(wǎng)采用環(huán)形結構，每2 個或3 個匯聚路由器通過155M 光纖鏈路連接在一起形成一組，每一組分別由155M 或622M 光纖鏈路連接到核心層的兩個路由器，形成環(huán)網(wǎng)。故每組匯聚層的路由器有多條鏈路到達核心層，保證了核心層和匯聚層網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，提高了網(wǎng)絡的可靠性。

接入網(wǎng)的設備通過環(huán)型拓撲連接到就近的兩個匯聚層路由器。變電站和直調電廠選擇N*2M 或100M 光纖為通信鏈路。在環(huán)型拓撲中，某節(jié)點一端的鏈路故障時，可以進行網(wǎng)絡重構，使用節(jié)點另一端的鏈路，恢復通信，具有一定的可靠度。骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)之間的鏈路由四條并聯(lián)鏈路，任意一個接入網(wǎng)中，存在兩個匯聚路由器，即兩個接入節(jié)點，兩個其中任意一個接入節(jié)點采用兩條不同路由的傳輸鏈路連接到核心層節(jié)點。進一步結合骨干網(wǎng)自身的環(huán)型拓撲結構，存在多條路徑能夠到達接入節(jié)點。

1.2 量化調度數(shù)據(jù)網(wǎng)

在上述拓撲結構的基礎上，將網(wǎng)絡抽象為具體的數(shù)據(jù)結構，描述如下：

接入節(jié)點。與接入層變電站就近的匯聚層節(jié)點稱為接入節(jié)點，接入節(jié)點有兩個，中間由一條鏈路連接。

2 網(wǎng)絡可靠度評估模型

本文以調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲結構為基礎，結合可靠度算法和綜合評估策略，提出一種多維度可靠度評估模型，實現(xiàn)對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的可靠度評估。這里的可靠度，指主調中心能與某市級所有變電站節(jié)點，有一條路徑正常工作的連通可靠度。

評估模型如圖2 所示。

圖2 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠度評估模型Fig.2 Reliability evaluation model for dispatching data network

（2）連通可靠度模塊，將調度數(shù)據(jù)網(wǎng)劃分為接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)，根據(jù)不同的網(wǎng)絡結構圖和可靠度算法，計算可靠度。由于調度數(shù)據(jù)網(wǎng)成環(huán)型結構，與接入節(jié)點相連，同時主調中心要能與每一個變電站節(jié)點保持通信，因此本文結合鏈簡化法和常見的圖變化方法對接入網(wǎng)進行縮減，得到全端可靠度進一步地，主調中心要與節(jié)點網(wǎng)通信，必須通過接入節(jié)點，因此，文本采用SDP 計算主調中心到接入節(jié)點的可靠度

（3）綜合可靠度模塊，根據(jù)地區(qū)的可靠度和影響大小，計算綜合可靠度。各個接入網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)模、數(shù)據(jù)流量、變電站等級等存在一定差別，對于調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠度也不相同，因此這里采用綜合可靠度進行計算，更具有實際的應用意義。對于每個接入網(wǎng)由連通可靠度模塊得到各地區(qū)可靠度結合地區(qū)的影響大小，本文以節(jié)點數(shù)量占比為參考，表征地區(qū)可靠度對于綜合可靠度的影響。

3 全端可靠度的計算

全端可靠度為網(wǎng)絡中任意兩點能夠相互連通的概率。在接入網(wǎng)中，節(jié)點數(shù)量多，節(jié)點分類多，拓撲為環(huán)形結構。接入網(wǎng)中節(jié)點作為目標終端節(jié)點，作為廠站端業(yè)務傳輸?shù)钠瘘c，要保持與任意節(jié)點的連通，因此使用全端可靠度評估接入網(wǎng)之間通信的可靠度。

3.1 圖變化法

圖變化作為常見的可靠度計算方法，能夠有效地提高網(wǎng)絡可靠度的求解效率。本文主要使用可靠度不變縮減：degree-1 縮減[28]、并聯(lián)縮減和鏈縮減[29]，對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接入網(wǎng)進行簡化，保持可靠度不變，同時得到更加簡單的拓撲結構，最后計算可靠度。

degree-1 縮減：如果網(wǎng)絡中存在一度節(jié)點，直接去掉對應節(jié)點的邊和節(jié)點，縮減因子即為原邊的概率，計算公式如(2)所示：

縮減因子計算公式如(4)所示：

3.2 全端可靠度計算過程

在并聯(lián)縮減后，網(wǎng)絡可能重新出現(xiàn)度二節(jié)點或鏈，因此重復上述過程。

最后，計算簡化后的網(wǎng)絡可靠度，根據(jù)公式(1)，乘以所有的縮減因子，得到原網(wǎng)絡可靠度。

4 接入可靠度的計算

圖3 全端可靠度計算流程Fig.3 Calculation flow of all-terminal reliability for dispatching data network

接入可靠度屬于連通可靠度，用于衡量源節(jié)點能與目標節(jié)點保持連通的概率。在調度數(shù)據(jù)網(wǎng)中，主調中心與接入網(wǎng)中節(jié)點的連通需要經(jīng)過接入節(jié)點，接入節(jié)點與主調節(jié)點的連通可靠度的值可以直接體現(xiàn)兩地區(qū)連通的可靠度。

4.1 不交積和法計算可靠度

不交積和法是運用不交積和定理計算網(wǎng)絡可靠度的一種算法，其主要思想是將網(wǎng)絡可靠度表示為全部最小路集[30]的并，所謂最小路集則指的是去掉路集中的任一條邊則該路徑不再連通。然后將其并化為不相交項的和，進而計算相應的可靠度。

當各個最小路集不包含公共項時，結合摩根定理進行不交和運算，可以轉化為如公式(7)所示。可靠度即為最小路對應不交項的和。

4.2 接入可靠度的計算過程

圖4 接入可靠度計算流程Fig.4 Calculation flow of access reliability for dispatching data network

首先求出接入節(jié)點和主調節(jié)點之間的最小路集，并根據(jù)最小路中邊的數(shù)量由小到大排序。

算法1 最小路集對應的展開項計算法

5 綜合評估模塊

本模塊主要結合接入網(wǎng)地區(qū)的影響大小和可靠度計算綜合可靠度。主要過程如下：

（3）根據(jù)公式(11)計算綜合可靠度。

6 實驗分析

為了驗證本文提出的評估方法的有效性，本文結合某省地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結構和調度數(shù)據(jù)，開展可靠度評估實驗。

6.1 全端可靠度

以地區(qū)A 的接入網(wǎng)為例，計算A 接入網(wǎng)的全端可靠度，網(wǎng)絡拓撲如圖5 所示。

圖5 地區(qū)A 的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡圖Fig.5 Dispatching data network graph of region A

由拓撲圖可見，A 地區(qū)由3 條鏈組成和兩個一度節(jié)點，連接到兩個匯聚路由器組成。

假設每條邊的可靠度都為0.9，可以得到縮減3條縮減邊的概率，分別為0.692，0.692 和0.643，縮減因子分別為0.948，0.948 和0.916。可以看出，鏈的長度越長，新邊的可靠度越低，縮減因子也越低。

進一步，由于鏈結構成環(huán)型，連接到兩個匯聚路由器，形成并聯(lián)鏈路，并聯(lián)鏈路中每條邊可靠度都不大于0.9，但簡化新邊的可靠度為0.966，能夠有效地提高網(wǎng)絡的可靠度。結合縮減因子，網(wǎng)絡的可靠度更新為0.826。最后進行度一縮減后，網(wǎng)絡可靠度減低到0.669。

不難發(fā)現(xiàn)，地區(qū)A 中兩個一度節(jié)點沒有任何冗余結構或者備份策略，其可靠度直接影響網(wǎng)絡的可靠度。同樣的方法，可以得到地區(qū)B 和D 的全端可靠度，分別為0.823 和0.871。地區(qū)D 接入網(wǎng)由三個鏈組成，長度分別為3，3 和2，小于地區(qū)B。對其他地區(qū)的全端可靠度進行評估后，可得出以下結論：

（1）一度的節(jié)點沒有冗余結構，其可靠度對網(wǎng)絡影響大。

（2）鏈越長，新邊的可靠度和縮減因子越低，降低網(wǎng)絡可靠度。

（3）環(huán)型拓撲和并聯(lián)結構可以有效地提高網(wǎng)絡可靠度。

由上述結論，進一步提出如下優(yōu)化策略：

（1）如網(wǎng)絡中有一度節(jié)點，連接一度節(jié)點形成環(huán)結構。在同一地區(qū)下，節(jié)點的優(yōu)化條件為節(jié)點度數(shù)為一，同時節(jié)點為接入網(wǎng)節(jié)點，則將所以節(jié)點進行串連，兩端分別與接入節(jié)點連接。

（2）將長鏈分為若干個短鏈。在同一地區(qū)下，如果鏈長度大于等于5，則選取鏈中間的任意一條邊，將鏈路分為兩條，分別再與接入節(jié)點連接。

由此，優(yōu)化后接入網(wǎng)拓撲如圖6 所示。將各個地區(qū)中的長度大于4 的的鏈拆分為兩個鏈，并重新連接到接入節(jié)點，而出現(xiàn)一度時，將所有一度節(jié)點連接，再連接到接入節(jié)點。

圖6 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入網(wǎng)網(wǎng)絡圖Fig.6 Dispatching data network access network graph

進而，結合各地區(qū)實際網(wǎng)絡拓撲及相關數(shù)據(jù)，進行分析驗證，計算原網(wǎng)絡與優(yōu)化后網(wǎng)絡的全端可靠度結果如圖7 所示。

圖7 全端可靠度對比結果Fig.7 Comparison of all-terms reliability

由圖7 可以發(fā)現(xiàn)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的全端可靠度明顯提高。

6.2 接入可靠度

我們給出某區(qū)域的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡，其抽象圖如圖8 所示，骨干網(wǎng)拓撲結構存在多條環(huán)路。

圖8 骨干網(wǎng)網(wǎng)絡圖Fig.8 Bone network graph

如圖8 所示，調度中心要與接入網(wǎng)通信，需要經(jīng)過地調匯聚或者區(qū)域匯聚兩個匯聚路由器，也就是兩個接入節(jié)點中的任意一個。同時，在骨干網(wǎng)中主調中心出發(fā)，可以經(jīng)過多條路徑到達匯聚路由器。以接入網(wǎng)A、B 為例，圖中紅色鏈路為可能的路徑，接入節(jié)點與骨干網(wǎng)之間有四條直接相連的路徑，同時骨干網(wǎng)自身的拓撲結構為環(huán)型拓撲，提高可靠度。

在這里，假設每條邊的可靠度為0.9，根據(jù)前文提出的計算方法，計算接入可靠度，最后可以得到，主調中心到匯聚路由器的可靠度約為0.999（保留三位有效數(shù)字）。

從上述結果，可以發(fā)現(xiàn)，在骨干網(wǎng)中，主調中心到匯聚路由器，存在多條獨立的通信鏈路，在各邊都較為可靠的情況下，網(wǎng)絡可靠度較高，出現(xiàn)主調中心與匯聚路由器失去通信的概率極低。

6.3 綜合可靠度

從調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲中獲取各個地區(qū)的節(jié)點，結合第5 節(jié)中計算方法可以得到每個地區(qū)的權重和可靠度。如圖9 所示，調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中地區(qū)A 和地區(qū)H 的權重最大。結合前兩小節(jié)中得到的可靠度，得到原網(wǎng)絡的綜合可靠度為0.823，優(yōu)化后的綜合可靠度為0.873。

圖9 綜合可靠度對比結果Fig.9 Comparison of comprehensive reliability

7 總結

本文提出了針對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲結構的可靠度評估模型，能夠結合調度數(shù)據(jù)網(wǎng)拓撲結構的冗余性，層次性等特點，實現(xiàn)對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠度綜合評估。結果表明，在調度數(shù)據(jù)網(wǎng)中，并聯(lián)結構和環(huán)型拓撲能有效提高網(wǎng)絡可靠度，即現(xiàn)有的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡有著較高可靠度。由于當前省區(qū)域調度數(shù)據(jù)網(wǎng)重點關注的是骨干網(wǎng)絡的可靠度問題，較少考慮末端網(wǎng)絡對總體的影響，本文下一步將結合實際需求，結合下一級接入網(wǎng)、變電站等終端網(wǎng)絡部分，優(yōu)化所提出的計算的方法。

利益沖突說明

所有作者聲明不存在利益沖突關系