基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法研究

李瑞芬，葛 倩

(1. 哈爾濱理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 山東師范大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250538；3. 山東建筑大學(xué)理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

1 引言

在電力系統(tǒng)中通常通過配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電能的分配，利用變電所對(duì)電能做電壓處理，將降壓后的電能傳送到各個(gè)用戶家中，配電網(wǎng)的主要功能是為各個(gè)電力用戶傳輸電能，是供電公司和電力用戶之間的連接樞紐，在整個(gè)電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定、安全運(yùn)行極為重要[1]。配電網(wǎng)信息管理主要包括控制信息和運(yùn)行信息在變電到用電過程中的管理[2]。電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，形成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于配電網(wǎng)的信息管理，具體功能包括用戶服務(wù)、配電工作管理、故障投訴管理、設(shè)備管理和配網(wǎng)分析管理等[3]。目前電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型較多且數(shù)據(jù)量大，信息在各級(jí)調(diào)度中較為困難，加大了管理配電網(wǎng)調(diào)控信息的難度，需要研究OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法[4]。

當(dāng)前配網(wǎng)一體化調(diào)控方法存在如下問題：基于流調(diào)度代價(jià)的配網(wǎng)一體化調(diào)控方法區(qū)分流量在擁塞鏈路中的大小，計(jì)算各條等價(jià)路徑中大流的開銷權(quán)重，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇權(quán)重較小的路徑，根據(jù)貸款中流量的比例和路徑開銷變化量定義流調(diào)度代價(jià)，選擇最小調(diào)度代價(jià)對(duì)應(yīng)的流實(shí)現(xiàn)OMS配網(wǎng)的一體化調(diào)控，該方法存在帶寬利用率低的問題[5]?；谌蝿?wù)調(diào)度和時(shí)間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法利用時(shí)間序列對(duì)配網(wǎng)中的任務(wù)做聚類處理，對(duì)數(shù)據(jù)做壓縮處理，通過服務(wù)時(shí)間相似性計(jì)算服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中的執(zhí)行能力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的一體化調(diào)控，該方法存在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延高和數(shù)據(jù)丟包率高的問題[6]。基于負(fù)載均衡的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法將最小化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡度作為優(yōu)化模型，在平均負(fù)載率的基礎(chǔ)上通過遺傳算法求解優(yōu)化模型，獲得最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)一體化的調(diào)控，該方法存在數(shù)據(jù)丟包率高的問題[7]。

綜上所述，提出基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法。

2 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和節(jié)點(diǎn)性能

2.1 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)

根據(jù)任務(wù)的稀缺性和緊急性確定任務(wù)在配網(wǎng)中的優(yōu)先級(jí)，通過優(yōu)先級(jí)排序?qū)崿F(xiàn)配網(wǎng)一體化的調(diào)控[8]。

(1)

(2)

(3)

其中，任務(wù)在OMS配網(wǎng)中的稀缺性PR(r)和r任務(wù)在配網(wǎng)中的副本數(shù)之間為反比，r任務(wù)副本數(shù)越多，任務(wù)在配網(wǎng)中的稀缺性越小，體現(xiàn)了任務(wù)優(yōu)先級(jí)受任務(wù)稀缺性的影響[9，10]。任務(wù)在配網(wǎng)中的實(shí)時(shí)性PE(s)與緩沖區(qū)中任務(wù)的相對(duì)位置s之間為反比，反映任務(wù)優(yōu)先級(jí)受任務(wù)實(shí)時(shí)性的影響。通過下述兩個(gè)公式可將任務(wù)的緊急程度因素值和稀缺性因素值設(shè)定在一個(gè)空間內(nèi)

PE(s)=1-s，s∈[0，1]

(4)

PR(r)=1-r，r∈[0，1]

(5)

2.2 節(jié)點(diǎn)性能

根據(jù)節(jié)點(diǎn)中存在的歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)在配網(wǎng)中的性能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)調(diào)度周期向鄰居節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求任務(wù)后，根據(jù)任務(wù)在配網(wǎng)中的傳輸過程，評(píng)估任務(wù)的實(shí)際情況，如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到的任務(wù)，為有效任務(wù)，未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)的任務(wù)，為無效任務(wù)[11，12]。計(jì)算任務(wù)在配網(wǎng)中的傳輸時(shí)間以及任務(wù)的總數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果記錄下來

(6)

在OMS配網(wǎng)調(diào)控中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度能力，選擇調(diào)度能力最高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度。

3 OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法

基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)度算法根據(jù)向前時(shí)延和帶寬預(yù)測實(shí)現(xiàn)一體化調(diào)控，具體步驟如下：

1)計(jì)算每條路徑在配網(wǎng)中的可用帶寬

設(shè)Bi代表的是配網(wǎng)中的可用時(shí)間帶寬，為了提高動(dòng)態(tài)帶寬計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度，需要獲取若干個(gè)樣本值，提高平滑性，可用帶寬Bi的計(jì)算公式如下

Bi=εBi+Cij(1-ε)Bi

(7)

式中，ε代表的是比率因子；

2)子流分類

接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間在配網(wǎng)中存在多條子流，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法通過相關(guān)因子γ判斷子流之間在配網(wǎng)中的相關(guān)性。

設(shè)接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間存在n條子流，每條子流在網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的前向傳輸時(shí)延會(huì)構(gòu)成一個(gè)集合{FT1，F(xiàn)T2，…，F(xiàn)Tn}，F(xiàn)Tmin代表的是集合中存在的最小值，其表達(dá)式如下

FTmin=Bi-min{FT1，F(xiàn)T2，…，F(xiàn)Tn}

(8)

當(dāng)子流在配網(wǎng)中滿足下式時(shí)，認(rèn)為子流存在相關(guān)性

FTi≤γFTmin

(9)

第一類子流指的是滿足上述公式的子流。去除集合{FT1，F(xiàn)T2，…，F(xiàn)Tn}中存在的第一類子流，通過上述方法繼續(xù)選擇子流，獲取第二類子流；并以同種方式完成子流在網(wǎng)絡(luò)中的分類。

3)獲取路徑在配網(wǎng)中的往返時(shí)延，計(jì)算FTi

采用基于前向傳輸時(shí)延的調(diào)度方法結(jié)合計(jì)算得到的帶寬Bi促使數(shù)據(jù)在多子流中可以根據(jù)原始順序傳輸?shù)浇邮斩酥?。設(shè)RTT代表的是路徑往返時(shí)延，其計(jì)算公式如下

RTT=κRTTi+(1-κ)RTTi

(10)

根據(jù)計(jì)算得到的路徑往返時(shí)延RTT，計(jì)算前向傳輸時(shí)延FTi

FTi=RTT/2

(11)

4)將最大優(yōu)先算法應(yīng)用到發(fā)生數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象中，重新選擇傳輸路徑

通過最大優(yōu)先算法避免配網(wǎng)中接收端出現(xiàn)亂序的現(xiàn)象。將確認(rèn)字符傳輸?shù)桨l(fā)送端后，多條子流中同時(shí)出現(xiàn)新的確認(rèn)值，需要更新子流在配網(wǎng)中的擁塞窗口，具體步驟如下

①假設(shè)子流在配網(wǎng)中的帶寬為Bi，傳送但沒有經(jīng)過核實(shí)的數(shù)據(jù)量為Oi。

②計(jì)算發(fā)送端處理D分組所用的時(shí)間Ri

Ri=(Oi+D)/Bi

(12)

③選擇允許子流中存在最小處理時(shí)間Ri對(duì)應(yīng)的傳輸分組：

處理時(shí)間Ri主要受兩個(gè)因素的影響：Oi/Bi代表的是在配網(wǎng)中傳送數(shù)據(jù)量消耗的時(shí)間；D/Ri代表的是大小為D的數(shù)據(jù)在路徑上傳輸消耗的時(shí)間。

OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的主要目的是實(shí)現(xiàn)OMS配網(wǎng)的一體化調(diào)控，通過最大優(yōu)先策略解決超時(shí)傳輸?shù)默F(xiàn)象，具體步驟如下：

①構(gòu)建若干條子流，計(jì)算子流在配網(wǎng)中的可用帶寬Bi和FTi。

②利用子流分類原則和相關(guān)性因子分類子流。

③在發(fā)送端中處理需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過下述公式計(jì)算不同類型子流在配網(wǎng)中的發(fā)送起始包Nm

Nm=∑0

(13)

式中，P代表的是預(yù)測時(shí)間。

④當(dāng)在子流中出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象時(shí)，利用重傳算法實(shí)現(xiàn)丟包的重傳；如果出現(xiàn)丟包超時(shí)的現(xiàn)象時(shí)，采用最大優(yōu)先算法重傳丟包。

⑤統(tǒng)計(jì)子流在工作狀態(tài)下的可用帶寬和往返時(shí)延，并將1分鐘作為間隔，更新前向傳輸時(shí)延的值，實(shí)現(xiàn)重新歸類。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的整體有效性，在Simulink平臺(tái)中進(jìn)行測試，并采用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體的參數(shù)見表1。

表1 仿真平臺(tái)具體參數(shù)設(shè)置

在上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，分別采用基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法、基于流調(diào)度代價(jià)的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法(文獻(xiàn)[5]方法)、基于任務(wù)調(diào)度和時(shí)間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法(文獻(xiàn)[6]方法)進(jìn)行測試，對(duì)比三種不同方法的帶寬利用率，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的帶寬利用率對(duì)比

分析圖1可知，在多次迭代中基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的帶寬利用率整體水平較高，其帶寬利用率最大值為64%；采用基于流調(diào)度代價(jià)的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法對(duì)OMS配網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控時(shí)的帶寬利用率較低，雖然其最高值達(dá)到了59%，但是整體帶寬利用率低于所提方法；基于任務(wù)調(diào)度和時(shí)間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法在多次迭代中的帶寬利用率最高值為60%，但是該方法的整體帶寬利用率較低，且波動(dòng)較大。對(duì)比三種不同方法的測試結(jié)果可知，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的帶寬利用率較高，因?yàn)樵撍惴ㄍㄟ^任務(wù)的稀缺性和緊急性確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，按照優(yōu)先級(jí)發(fā)送任務(wù)，從而提高了帶寬利用率。

將實(shí)驗(yàn)指標(biāo)設(shè)置為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，對(duì)基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法、基于流調(diào)度代價(jià)的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法、基于任務(wù)調(diào)度和時(shí)間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延對(duì)比

分析圖2可知，采用基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法調(diào)控OMS配網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)在OMS配網(wǎng)中的傳輸時(shí)延均低于現(xiàn)有方法，該方法的傳輸時(shí)延在可接收范圍內(nèi)，不影響數(shù)據(jù)的傳輸；基于流調(diào)度代價(jià)的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法和基于任務(wù)調(diào)度和時(shí)間序列的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法在多次迭代中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延整體上高于所提方法。對(duì)比三種不同方法的測試結(jié)果可知，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較低，因?yàn)樵撍惴ㄔ谡{(diào)控OMS配網(wǎng)時(shí)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算了節(jié)點(diǎn)在OMS配網(wǎng)中調(diào)度能力，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上選擇調(diào)度能力高的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)OMS配網(wǎng)的一體化調(diào)控，降低了基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

以數(shù)據(jù)丟包率為指標(biāo)，對(duì)基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法、基于流調(diào)度代價(jià)的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法、基于負(fù)載均衡的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的數(shù)據(jù)丟包率對(duì)比

分析圖3可知，采用基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法在多次迭代中的數(shù)據(jù)丟包率均在45%以下；采用基于流調(diào)度代價(jià)的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法和基于負(fù)載均衡的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法進(jìn)行測試時(shí)，兩種方法的數(shù)據(jù)丟包率最高分別達(dá)到了94%和54%。對(duì)比三種不同方法的測試結(jié)果可知，基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法的數(shù)據(jù)丟包率較低，因?yàn)樵撍惴▽⒆畲髢?yōu)先算法應(yīng)用到發(fā)生數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象中，重新選擇傳輸路徑，降低了數(shù)據(jù)在OMS配網(wǎng)中的丟包率。

5 結(jié)論

通常情況下配電網(wǎng)都在復(fù)雜的環(huán)境中工作，發(fā)生故障的概率較高，故障會(huì)導(dǎo)致停電，嚴(yán)重影響了用戶日常生活的用電，甚至?xí)斐山?jīng)濟(jì)損失。保障用戶日常生活中用電的主要方法是提供高質(zhì)量的用電服務(wù)，需要加強(qiáng)OMS配網(wǎng)的調(diào)控工作，提高配網(wǎng)的響應(yīng)速度和性能。當(dāng)前OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控方法存在帶寬利用率低、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延高和數(shù)據(jù)丟包率高的問題。提出基于大數(shù)據(jù)調(diào)度的OMS配網(wǎng)一體化調(diào)控算法，本文研究主要取得了以下幾個(gè)成果：

1)當(dāng)任務(wù)的緊急程度因素值和稀缺性因素值處于同一個(gè)區(qū)間值時(shí)，計(jì)算任務(wù)在OMS配網(wǎng)中的優(yōu)先請(qǐng)求級(jí)別，得出任務(wù)優(yōu)先級(jí)受任務(wù)實(shí)時(shí)性的影響。

2)根據(jù)可用帶寬和前向傳輸時(shí)延計(jì)算結(jié)果，采用最大優(yōu)先算法實(shí)現(xiàn)傳輸路徑重選，解決了配網(wǎng)中接收端容易產(chǎn)生亂序的現(xiàn)象。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效改善現(xiàn)有方法存在的問題，帶寬利用率最高可達(dá)64%，數(shù)據(jù)丟包率低于45%，充分驗(yàn)證了其有效性。

綜上分析可知所提方法解決了當(dāng)前方法中存在的問題，并進(jìn)行了優(yōu)化，為配網(wǎng)的運(yùn)行提供了保障。