一种基于P圈的资源保护方法在电力通信网中的应用研究

尹晓华，刘 林，偏瑞琪，潘德东，曹 智

(1.国网辽宁省电力有限公司信息通信分公司，辽宁 沈阳 110006；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

1 概述

随着电力业务的日益丰富，电力通信网带宽资源紧张的局面也越发明显，考虑到经济性以及电力业务的特殊性，无法对现有通信进行大规模改造，如何实现电力通信网平滑升级成为工程应用中亟待解决的问题。现有关于电力通信网的研究主要集中于可靠性[1-2]和风险评估[3]方面，对于电力通信网资源利用率的研究相对较少，文献[4]从宏观的角度对电力通信网的优化问题进行了探讨，文献[5]设计了一种链路容量调整机制来解决大数据通信网建设中的带宽紧张的问题，而本文将理论与实践相结合，从节省电力通信网保护资源的角度为电力通信网带宽资源紧张问题提供一种解决思路。现有的电力通信网主要采用1∶1或1+1的保护方案，保护资源的利用率较低，本文研究一种新型保护方法(P圈)应用在电力通信网中，试图通过改进保护资源的配置方案，提高资源利用率来达到缓解电力通信网资源紧张的目的。现有电力通信网以光纤复合架空地线(OPGW)为主，辅以全介质自承光缆(ADSS),主要采用12/24/36/48芯的G.652或G.655光纤。此外，根据电力十三五规划，光缆的成环率将进一步提高，格状网化趋势逐步增强，网络可靠性将得到增强。

P圈(Preconfigure Cycle)是1998年由加拿大的Grover教授提出的一种应用于格状光网络中的资源保护方法，因为其能同时达到环网的保护速度和网状网的资源利用率，近年来受到相关专家的广泛关注：中国科学技术大学的朱祖勍教授对故障独立路径保护P圈(FIPP)应用于弹性光网络中的服务分级保护技术进行了研究[6]，法国Avignond大学的Min Ju博士对P圈应用于弹性光网络中的频谱共享和碎片整理问题进行了研究[7]。文献[8]对P圈的研究方法进行了初步梳理，P圈保护的算法主要分为2类：启发式算法和最优化算法(整数线性规划算法，Integer Linear Programing，简称ILP)，而启发式算法的性能无法得到保障，因此本文侧重于ILP算法。P圈保护步骤分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单位圈算法和CIDA算法等。本文采用基于列生成技术(Column Generation)的ILP算法来生成配置P圈对电力通信网进行网络保护，列生成技术是一种大型线性规划问题的求解技术，属于运筹学研究范围，其详细介绍可以参考文献[9]。

2 P圈模型构建

2.1 P圈基础理论

P圈的保护原理如图 1所示，它能够为圈上链路提供1条保护路径，为跨接链路提供2条保护路径。其中S1-S6分别为6个支持P圈保护的站点，S1-S5-S3-S6-S2-S1形成一个完整的P圈。如图 1(a)所示，保护圈内的通信链路(S1，S6)发生故障时，经过S1、S6站点的本地倒换，可将S1-S6间的2倍工作容量分别倒换到路径S1-S2-S6和路径S1-S5-S3-S6。如图 1(b)所示，保护圈外侧的跨接链路(S2，S3)发生故障时，在S2、S3处分别执行倒换操作，可以将S2-S3上的业务倒换到路径S2-S6-S3和路径S2-S1-S5-S3。如图 1(c)所示，保护圈的圈上链路(S1，S2)发生故障时，业务流可以通过路径S2-S6-S3-S5-S1传输。在不损失保护速度的同时，提高了保护资源的利用率。

(a) (b)(c)图1 P圈工作原理示意图

2.2 列生成法构建P圈

列生成技术是被公认解决大规模线性规划问题的有效算法，其主要思想是将问题转换为一个可以处理的等价问题，转化的目的一是将问题转化为具体某种特殊结构的又有现成方法求解的问题；二是将问题化为规模较小的子问题。应用列生成技术成败的关键在于将原问题划分为主问题(main problem)和子问题(sub problem)。如何将原问题巧妙地构造列向量，并将原始约束划分到这2组约束是利用列生成技术的关键。本文采用列生成技术来生成并配置P圈，主问题侧重于解决P圈配置问题，子问题侧重于解决高质量P圈的生成问题，以下对主问题和子问题的算法详细描述。

2.2.1 主问题

主问题关注容量约束，也就是潜在P圈的工作容量和备用容量约束。如参考文献[10]，本文采用被保护的工作链路信道数最大为目标，因此目标函数表示如下：

(1)

约束如下：

(2)

(3)

(4)

ws,zc∈Z+

(5)

2.2.2 子问题

与节点v相邻的链路集：

ε(v)={sj∶sj={v,vi}∈S}

链路s的端节点集：

γ(s)={vi,vj∶s={vi,vj}}

N的上循环，一个端节点属于N而另外一个端节点不属于N的链路集合：

ε(N)={s∶s={vi,vj}∶vi∈N,vj∈VN}子问题的目标函数，也就是降低成本的最大化可以写成：

(6)

(7)

子问题主要是为了构造P圈，其约束可以写成如下的形式：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

约束集和保证所有属于一个给定圈的节点都需要在这个圈中有2条相关联的链路；约束保证如果1条链路跨接1个圈，那么它的端节点也是2条圈上链路的端节点；约束保证如果1条链路跨接1个圈，那么它的端节点都属于这同一个圈。实际上约束共同保证1条跨接链路不能跨接2个P圈。

3 试验仿真

使用某地的变电站通信网络作为拓扑，如图 2所示，任意2个站点之间的光缆采用36芯的光纤，每根光纤中取40个波长用于承载和保护电力管理信息大区的电力业务，考虑到生产大区的电力业务(如继保、安稳等)对时延、可靠性等要求极为特殊，因此本文中研究的新型资源保护方法定位于管理信息大区的业务保护，业务请求以波长为单位。

图2 变电站通信网络

为了突出说明本文提出的新型保护方法的优势，使用图 2的变电站拓扑，将本文的算法(ILP-CG)与P圈保护的典型算法(SLA-ER和GROW-CIDA)进行了对比。对比主要从2个方面展开，一是冗余度，二是业务阻塞率。冗余度反映了电力通信网保护资源的利用率，业务阻塞率反映了在该种保护资源配置方法下，此电力通信网所能容纳的业务情况。图 3展示了采用不同的P圈计算方法进行电力通信网资源配置的冗余度对比，可以看到本文的ILP-CG方法明显优于典型的P圈算法SLA-ER和GROW-CIDA，随着业务量的增长，资源保护的冗余度逐渐下降，并且下降速度放缓。这与实际情况是相符的，业务请求越多，P圈被复用的概率就越大，因此导致冗余度下降，ILP-CG算法的冗余度最终稳定在接近0.5，略高于0.5，SLA-ER算法的冗余度稳定在0.7左右，GROW-CIDA算法的冗余度最终稳定在0.8左右，这是因为P圈保护算法的冗余度极限是0.5。值得注意的是图中并未将新提出的P圈保护算法与经典的1∶1和1+1保护方法进行对比，这是因为1∶1和1+1保护方法的冗余度最小为1，显然本文的ILP-CG算法在提高保护资源利用率上更优，若将传统电力通信网资源保护算法的冗余度记为1，则本文提出的ILP-CG P圈配置算法，可将冗余度降低30%以上。

图3 不同方法的资源冗余度对比

图4对采用不同P圈计算方法配置电力通信网保护资源情况下的业务阻塞率进行了对比，在业务量较小时，3种方法都没有出现业务阻塞，随着业务请求数的增多，逐渐出现了阻塞，其中SLA-ER算法计算P圈时，当业务请求数大于4 000开始出现阻塞；使用GROW-CIDA算法，业务量大于5 000开始出现阻塞；当使用本文的ILLP-CG算法计算P圈，业务量大于6 000开始出现阻塞。可见本文提出的ILP-CG方法更优，在该电力通信网业务请求数低于6 000的情况下，均可以使用本文的ILP-CG方法来产生P圈保护电力通信网，基于前文所述的原因，同样没有将本文的P圈算法与1∶1和1+1保护方法进行对比。

图4 不同方法的业务阻塞对比

4 结束语

P圈作为一种新型保护资源配置方法，本文提出将ILP-CG算法用于在变电站通信网中产生P圈配置保护资源，经过理论分析和仿真验证，充分说明了ILP-CG算法在提高通信网资源利用率(即降低冗余度)方面的优势，在本文的变电站通信网络保护资源配置仿真中，资源冗余度可降低30%以上。虽然理论上本算法可以有效地提高电力通信网的保护资源利用率，但是未来如果要应用于实际工程，还需进行大量的分析和测试。

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[4] 李振威，杨 超，孙佳辰.链路容量调整机制在大数据通信网建设中的应用研究[J].东北电力技术，2017，38(1)：21-23.

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