基于VPN技术的电力系统通信自动保护方法

陈 辉，高 健

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引 言

通信网是支撑电网的重要网络，也是电网安全稳定运行的保障。电力系统通信保护直接影响电力通信网络和智能电网设备的稳定运行。电力系统可以在一个电气组件出现故障或行为异常时进行故障处理，保证其他非故障组件的正常运行[1]。电力系统通信自动保护主要是在电力通信网络搭建信息保护模型，从而确保电力系统装置之间的正常通信[2]。因此，电力系统的通信安全影响着核心设备的可靠性和方案的完备性，是电力通信网络的重要问题[3-5]。传统的电力系统通信保护方法会设置一个路由方案，该路由方案是通信保护的核心，也是保证电力系统稳定性的基础。

1 电力系统通信自动保护方法设计

1.1 配置电力系统通信场景

电力通信网络标准要求业务路由满足时延、误码率、风险以及时延对称性等重要指标。在众多服务路由计划约束指标中，时间延迟是电网服务路由计划中需要考虑的重要指标[6-8]。电力通信网络中执行的业务数量庞大，不同类型的业务有不同的时延要求，标准延迟应小于200 ms，会议等视频服务的延迟应小于1 000 ms。可见，通信网保护业务的延时要求非常严格，因为通信网保护业务在电网中的主要职责是通过控制电路对异常设备进行监测和控制，所以在故障时间可能存在信息泄露的风险。由于通信网使用Point连接到通信设备，其服务路由对延迟参数非常敏感，因此与其他约束相比，通信网保护服务的路由计划旨在优化链路延迟。

在电力通信网络中，时延包括光缆的时延和现场设备收发信号时产生的设备时延，其扩展性是一个常数值。光缆的时延与长度成正比，可以简单地通过光纤纤芯的折射率和光速来求解。因此，在单个服务路由计划中使用最短路径算法，以时延为优化目标，可以准确地求解出通信的关键路径，求解出关键路径后，可以使用优先搜索算法找到接近主路由的另一条路由，以获取替代路由。多业务场景指的是同时为多个通信网保护业务进行路由规划的场景[9]。在电力通信网中，连接的链路和节点承载着不同的负载，这是因为链路和节点承载的服务类型不一样，不同类型的服务具有不同的参数要求和资源占比，所以在多业务场景下需要同时进行部署。由于本文设计的环境较复杂，使用单业务场景处理会导致链路延迟，增加事故发生的概率，因此本文选用多业务场景处理[10]。

1.2 规划电力系统通信保护路径

算法子模块需要收集拓扑节点信息、链路信息、业务起点以及终点等信息，所有数据需要进行统一封装，并通过单个路由计划模块传输。单业务路由模块根据用户的策略选择合适的信息调用路由，实现通信网的通信。在进行通信传输时，将需要配置的业务类型、业务起点、业务终点、邻接矩阵传递给算法，利用子模块来计算业务路径，再将路由计划方案按照业务路径返回给路由计划模块。最后，业务路由规划模块将与路由相关的数据和待配置业务同时进行数据更新，再由数据库将更新后的数据返回给拓扑模拟显示界面，从而将业务路由规划的结果反馈给用户，因此需要规划这些过程的通信保护路径。

本文选择遗传算法进行规划，将空间中的数据编码成二进制字符串或浮点数数组，以适应选择算法的处理过程。但是，在业务路径规划问题中得到的路由值仅是一个序列，因此所有通过训练形成的业务路由都不能用通用的编码方法进行编码，需要设计新的轨迹来进行编码。新轨迹按照路由顺序表示为一个独立的实序列，可以进行编码，得出此时的保护路径。算法优化目标的增加率和抗体亲和力的增加率一样，设计的路径规划函数为：

式中，Z代表大数，f(s)必须随时保证正值。此时需要对产生的适应值进行预处理，保证传递给下一代染色体的存活概率，并实现自然选择，同时保证优等染色体的选择概率，从而确保计算后代的多样性。本文选取几个随机数进行路径轨迹判断，如果此时的路径轨迹满足要求，则进行交叉；如果此时存在相同轨迹则意味着两条路径在该节点重叠，应围绕该节点减少一半的交换路径，以确保交叉后的真实序列仍在求解的空间中。插入节点后求解空间中存在的新的实数序列，因此，可以将插入节点后的路径保存为当前的最优通信保护路径。

1.3 基于VPN技术设计通信保护模型

VPN技术是构建通信网络模型的基础技术，本文设计的电力系统保护方法是基于OTN网络的分层模型，以传输时延、可靠性、电层资源占用和光层资源占用为约束条件，以优化光层链路占用的最小标准差来建立的最优路由均衡规划模型，实现网络服务负载均衡。链路占用的平均值反映业务流量，链路占用的标准差反映平衡程度，业务传输时延反应比率，基于此设计的通信保护模型为：

式中，ROP.J代表光层节点占用率，ReP.J代表电层节点占用率，NOP.J代表光路径中继节点次数，COP.J代表光层节点容量，τOP代表光节点占用率上限，NeP.J代表电层中继节点次数，CeP.J代表电层节点容量，τeP代表电层节点占用率上限。

在为通信保护业务构建两条独立的路径方面，RF算法在某些情况下可能无法找到现有的备份路径，因此备份路径的解决方案应先检查路径是否存在，然后再找一个更优路径替代，传输时延和可靠性也必须满足传输要求，在此基础上才可以优化备份路径解决方案。由于使用k条最短路径时存在链路占用上限和节点占用限制，因此加载顺序较低的服务在选择路由时对上限约束更敏感。链路越多的业务占用率越高，规划顺序越高，业务拒绝的可能性越大，因此需要先找出每个业务起始和结束节点的最短路径，然后统计这些链路的数量，最后根据链路数，对所有业务重新规划顺序，先规划链路最少的业务。

当链路占用或节点占用达到上限时，可以删除链路或节点，形成新的网络拓扑。通过设置链路占用上限和节点占用上限，可以避免部分节点链路过度拥塞。通过调整链路占用上限和节点占用上限，可以在满足一定服务率的前提下减小链路占用的标准差。

2 实例分析

2.1 仿真环境与实验设置

以某区域的电力系统保护OTN通信网为例，与传统的路由通信自动保护方法相比较，验证本文所提方法的有效性。该区域电力系统保护的OTN通信网网络由30个变电站通信站点和38条光缆链路组成，初始阶段的电层无逻辑链路，随着业务增加逻辑链路逐渐建立，此时的OTN通信网络拓扑如图1所示。

图1 通信网络拓扑

由图1可知，基于MATLAB2016b仿真平台对本文方法的有效性进行验证，本文假设每两个通信站点之间有一组业务，业务起止点已知共有30个节点，业务数量为600。对于这600个业务，本文按照提出的加载顺序优化方法为它们重新排序，一次加载一个业务。

实际业务传输时通常会考虑转换过程的时延和可靠性，单次业务加载完毕后需要计算业务传输时延、业务可靠性、光层资源占用率以及光层链路占用率标准差。本文只考虑光层链路占用率上限值和光层节点占用率上限值对网络平衡度的影响。

2.2 应用效果与讨论

根据上文设计的通信保护模型，可以求出两种方法的15条链路的占用值，应用效果如表1所示。

表1 应用效果

由表1可知，本文设计的方法在连续15条链路中的占用值差距较小，证明其链路占用率均衡，有安全保护效果。

3 结 论

设计完善的电力系统通信保护方法对维持电力系统稳定，保证电力系统通信网安全来说有重要意义，本文通过规划路径、建立通信保护模型设计了一个新的电力系统通信自动保护方法，经过实例分析证明，本文所设计保护方法的链路占用率均衡，安全保护效果好，具有一定的应用价值。