一種基于P圈的資源保護(hù)方法在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用研究

尹曉華，劉 林，偏瑞琪，潘德東，曹 智

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

1 概述

隨著電力業(yè)務(wù)的日益豐富，電力通信網(wǎng)帶寬資源緊張的局面也越發(fā)明顯，考慮到經(jīng)濟(jì)性以及電力業(yè)務(wù)的特殊性，無法對(duì)現(xiàn)有通信進(jìn)行大規(guī)模改造，如何實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)平滑升級(jí)成為工程應(yīng)用中亟待解決的問題?，F(xiàn)有關(guān)于電力通信網(wǎng)的研究主要集中于可靠性[1-2]和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]方面，對(duì)于電力通信網(wǎng)資源利用率的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[4]從宏觀的角度對(duì)電力通信網(wǎng)的優(yōu)化問題進(jìn)行了探討，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種鏈路容量調(diào)整機(jī)制來解決大數(shù)據(jù)通信網(wǎng)建設(shè)中的帶寬緊張的問題，而本文將理論與實(shí)踐相結(jié)合，從節(jié)省電力通信網(wǎng)保護(hù)資源的角度為電力通信網(wǎng)帶寬資源緊張問題提供一種解決思路?，F(xiàn)有的電力通信網(wǎng)主要采用1∶1或1+1的保護(hù)方案，保護(hù)資源的利用率較低，本文研究一種新型保護(hù)方法(P圈)應(yīng)用在電力通信網(wǎng)中，試圖通過改進(jìn)保護(hù)資源的配置方案，提高資源利用率來達(dá)到緩解電力通信網(wǎng)資源緊張的目的?，F(xiàn)有電力通信網(wǎng)以光纖復(fù)合架空地線(OPGW)為主，輔以全介質(zhì)自承光纜(ADSS),主要采用12/24/36/48芯的G.652或G.655光纖。此外，根據(jù)電力十三五規(guī)劃，光纜的成環(huán)率將進(jìn)一步提高，格狀網(wǎng)化趨勢(shì)逐步增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性將得到增強(qiáng)。

P圈(Preconfigure Cycle)是1998年由加拿大的Grover教授提出的一種應(yīng)用于格狀光網(wǎng)絡(luò)中的資源保護(hù)方法，因?yàn)槠淠芡瑫r(shí)達(dá)到環(huán)網(wǎng)的保護(hù)速度和網(wǎng)狀網(wǎng)的資源利用率，近年來受到相關(guān)專家的廣泛關(guān)注：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的朱祖勍教授對(duì)故障獨(dú)立路徑保護(hù)P圈(FIPP)應(yīng)用于彈性光網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)分級(jí)保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究[6]，法國Avignond大學(xué)的Min Ju博士對(duì)P圈應(yīng)用于彈性光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜共享和碎片整理問題進(jìn)行了研究[7]。文獻(xiàn)[8]對(duì)P圈的研究方法進(jìn)行了初步梳理，P圈保護(hù)的算法主要分為2類：?jiǎn)l(fā)式算法和最優(yōu)化算法(整數(shù)線性規(guī)劃算法，Integer Linear Programing，簡(jiǎn)稱ILP)，而啟發(fā)式算法的性能無法得到保障，因此本文側(cè)重于ILP算法。P圈保護(hù)步驟分2步：首先是生成P圈，典型的P圈生成方法有SLA算法和GROW算法，然后配置P圈，典型的P圈配置方法有ER單位圈算法和CIDA算法等。本文采用基于列生成技術(shù)(Column Generation)的ILP算法來生成配置P圈對(duì)電力通信網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，列生成技術(shù)是一種大型線性規(guī)劃問題的求解技術(shù)，屬于運(yùn)籌學(xué)研究范圍，其詳細(xì)介紹可以參考文獻(xiàn)[9]。

2 P圈模型構(gòu)建

2.1 P圈基礎(chǔ)理論

P圈的保護(hù)原理如圖 1所示，它能夠?yàn)槿ι湘溌诽峁?條保護(hù)路徑，為跨接鏈路提供2條保護(hù)路徑。其中S1-S6分別為6個(gè)支持P圈保護(hù)的站點(diǎn)，S1-S5-S3-S6-S2-S1形成一個(gè)完整的P圈。如圖 1(a)所示，保護(hù)圈內(nèi)的通信鏈路(S1，S6)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)過S1、S6站點(diǎn)的本地倒換，可將S1-S6間的2倍工作容量分別倒換到路徑S1-S2-S6和路徑S1-S5-S3-S6。如圖 1(b)所示，保護(hù)圈外側(cè)的跨接鏈路(S2，S3)發(fā)生故障時(shí)，在S2、S3處分別執(zhí)行倒換操作，可以將S2-S3上的業(yè)務(wù)倒換到路徑S2-S6-S3和路徑S2-S1-S5-S3。如圖 1(c)所示，保護(hù)圈的圈上鏈路(S1，S2)發(fā)生故障時(shí)，業(yè)務(wù)流可以通過路徑S2-S6-S3-S5-S1傳輸。在不損失保護(hù)速度的同時(shí)，提高了保護(hù)資源的利用率。

(a) (b)(c)圖1 P圈工作原理示意圖

2.2 列生成法構(gòu)建P圈

列生成技術(shù)是被公認(rèn)解決大規(guī)模線性規(guī)劃問題的有效算法，其主要思想是將問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)可以處理的等價(jià)問題，轉(zhuǎn)化的目的一是將問題轉(zhuǎn)化為具體某種特殊結(jié)構(gòu)的又有現(xiàn)成方法求解的問題；二是將問題化為規(guī)模較小的子問題。應(yīng)用列生成技術(shù)成敗的關(guān)鍵在于將原問題劃分為主問題(main problem)和子問題(sub problem)。如何將原問題巧妙地構(gòu)造列向量，并將原始約束劃分到這2組約束是利用列生成技術(shù)的關(guān)鍵。本文采用列生成技術(shù)來生成并配置P圈，主問題側(cè)重于解決P圈配置問題，子問題側(cè)重于解決高質(zhì)量P圈的生成問題，以下對(duì)主問題和子問題的算法詳細(xì)描述。

2.2.1 主問題

主問題關(guān)注容量約束，也就是潛在P圈的工作容量和備用容量約束。如參考文獻(xiàn)[10]，本文采用被保護(hù)的工作鏈路信道數(shù)最大為目標(biāo)，因此目標(biāo)函數(shù)表示如下：

(1)

約束如下：

(2)

(3)

(4)

ws,zc∈Z+

(5)

2.2.2 子問題

與節(jié)點(diǎn)v相鄰的鏈路集：

ε(v)={sj∶sj={v,vi}∈S}

鏈路s的端節(jié)點(diǎn)集：

γ(s)={vi,vj∶s={vi,vj}}

N的上循環(huán)，一個(gè)端節(jié)點(diǎn)屬于N而另外一個(gè)端節(jié)點(diǎn)不屬于N的鏈路集合：

ε(N)={s∶s={vi,vj}∶vi∈N,vj∈VN}子問題的目標(biāo)函數(shù)，也就是降低成本的最大化可以寫成：

(6)

(7)

子問題主要是為了構(gòu)造P圈，其約束可以寫成如下的形式：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

約束集和保證所有屬于一個(gè)給定圈的節(jié)點(diǎn)都需要在這個(gè)圈中有2條相關(guān)聯(lián)的鏈路；約束保證如果1條鏈路跨接1個(gè)圈，那么它的端節(jié)點(diǎn)也是2條圈上鏈路的端節(jié)點(diǎn)；約束保證如果1條鏈路跨接1個(gè)圈，那么它的端節(jié)點(diǎn)都屬于這同一個(gè)圈。實(shí)際上約束共同保證1條跨接鏈路不能跨接2個(gè)P圈。

3 試驗(yàn)仿真

使用某地的變電站通信網(wǎng)絡(luò)作為拓?fù)?，如圖 2所示，任意2個(gè)站點(diǎn)之間的光纜采用36芯的光纖，每根光纖中取40個(gè)波長(zhǎng)用于承載和保護(hù)電力管理信息大區(qū)的電力業(yè)務(wù)，考慮到生產(chǎn)大區(qū)的電力業(yè)務(wù)(如繼保、安穩(wěn)等)對(duì)時(shí)延、可靠性等要求極為特殊，因此本文中研究的新型資源保護(hù)方法定位于管理信息大區(qū)的業(yè)務(wù)保護(hù)，業(yè)務(wù)請(qǐng)求以波長(zhǎng)為單位。

圖2 變電站通信網(wǎng)絡(luò)

為了突出說明本文提出的新型保護(hù)方法的優(yōu)勢(shì)，使用圖 2的變電站拓?fù)?，將本文的算?ILP-CG)與P圈保護(hù)的典型算法(SLA-ER和GROW-CIDA)進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比主要從2個(gè)方面展開，一是冗余度，二是業(yè)務(wù)阻塞率。冗余度反映了電力通信網(wǎng)保護(hù)資源的利用率，業(yè)務(wù)阻塞率反映了在該種保護(hù)資源配置方法下，此電力通信網(wǎng)所能容納的業(yè)務(wù)情況。圖 3展示了采用不同的P圈計(jì)算方法進(jìn)行電力通信網(wǎng)資源配置的冗余度對(duì)比，可以看到本文的ILP-CG方法明顯優(yōu)于典型的P圈算法SLA-ER和GROW-CIDA，隨著業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)，資源保護(hù)的冗余度逐漸下降，并且下降速度放緩。這與實(shí)際情況是相符的，業(yè)務(wù)請(qǐng)求越多，P圈被復(fù)用的概率就越大，因此導(dǎo)致冗余度下降，ILP-CG算法的冗余度最終穩(wěn)定在接近0.5，略高于0.5，SLA-ER算法的冗余度穩(wěn)定在0.7左右，GROW-CIDA算法的冗余度最終穩(wěn)定在0.8左右，這是因?yàn)镻圈保護(hù)算法的冗余度極限是0.5。值得注意的是圖中并未將新提出的P圈保護(hù)算法與經(jīng)典的1∶1和1+1保護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比，這是因?yàn)?∶1和1+1保護(hù)方法的冗余度最小為1，顯然本文的ILP-CG算法在提高保護(hù)資源利用率上更優(yōu)，若將傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)資源保護(hù)算法的冗余度記為1，則本文提出的ILP-CG P圈配置算法，可將冗余度降低30%以上。

圖3 不同方法的資源冗余度對(duì)比

圖4對(duì)采用不同P圈計(jì)算方法配置電力通信網(wǎng)保護(hù)資源情況下的業(yè)務(wù)阻塞率進(jìn)行了對(duì)比，在業(yè)務(wù)量較小時(shí)，3種方法都沒有出現(xiàn)業(yè)務(wù)阻塞，隨著業(yè)務(wù)請(qǐng)求數(shù)的增多，逐漸出現(xiàn)了阻塞，其中SLA-ER算法計(jì)算P圈時(shí)，當(dāng)業(yè)務(wù)請(qǐng)求數(shù)大于4 000開始出現(xiàn)阻塞；使用GROW-CIDA算法，業(yè)務(wù)量大于5 000開始出現(xiàn)阻塞；當(dāng)使用本文的ILLP-CG算法計(jì)算P圈，業(yè)務(wù)量大于6 000開始出現(xiàn)阻塞?？梢姳疚奶岢龅腎LP-CG方法更優(yōu)，在該電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)請(qǐng)求數(shù)低于6 000的情況下，均可以使用本文的ILP-CG方法來產(chǎn)生P圈保護(hù)電力通信網(wǎng)，基于前文所述的原因，同樣沒有將本文的P圈算法與1∶1和1+1保護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比。

圖4 不同方法的業(yè)務(wù)阻塞對(duì)比

4 結(jié)束語

P圈作為一種新型保護(hù)資源配置方法，本文提出將ILP-CG算法用于在變電站通信網(wǎng)中產(chǎn)生P圈配置保護(hù)資源，經(jīng)過理論分析和仿真驗(yàn)證，充分說明了ILP-CG算法在提高通信網(wǎng)資源利用率(即降低冗余度)方面的優(yōu)勢(shì)，在本文的變電站通信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)資源配置仿真中，資源冗余度可降低30%以上。雖然理論上本算法可以有效地提高電力通信網(wǎng)的保護(hù)資源利用率，但是未來如果要應(yīng)用于實(shí)際工程，還需進(jìn)行大量的分析和測(cè)試。

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