电力调度数据网可靠度评估方法

李泽科，徐志光，余斯航，陈建洪，杨明伟，刘延华＊

1.国网福建省电力有限公司,福建 福州350003

2.福州大学，计算机与大数据学院，福建 福州 350108

引言

电力调度数据网是为电力调度生产服务的专用数据网络，由位于各级主调中心、各直调发电厂和变电站中的路由器设备通过链路连接构成[1]，其主要作用是实现各级调度中心之间、调度中心与厂站之间实时生产数据的传输和交换[2]。其上承载的业务主要是安全Ⅰ区、安全Ⅱ区和应急指挥系统业务[3]。调度数据网的稳定意义重大，调度数据缺失和不稳定，最终可能造成一定规模的电网影响，对电力的生产和调度造成巨大损失[4]。因此，调度数据网有着明确的可靠度要求[5]。

调度数据网对电网发展与建设起到关键作用[6]。因此，调度数据网设计网络时，为保证数据传输的可靠度，网络结构的稳定，调度数据网网络一般采用双平面技术[7]。调度数据网采用分层建设原则，可采用两层结构[8]或三层结构[9-10]建设。两层的SGDnet 架构，即骨干网和接入网，三层的IP 网络分层则可分为核心层、骨干层和接入层。在现有的部署中，电力调度数据网的拓扑结构具有特征包括、网状结构或者双星形状的结构[11]。两条或者两条以上的迂回路由，以及接入层节点采用双归或单归接入到骨干网[12]。

两条或者两条以上的迂回路由，以及接入层节点采用双归或单归接入到骨干网，该网络的可靠度的评估是一个复杂的NP-hard 问题，对其精确且高效的计算是目前研究的热点[13]。研究大致分为两类：精确计算方法和近似计算法。精确计算法，包括容斥原理法、不交积和法（Sum of Disjoint Products,SDP），因子分解[14]和BDD[15]（Binary Decision Diagram）等。近似计算方法，包括可靠度上下界[16-17]、蒙特卡洛（Monte Carlo,MC）法[18]和曲面响应法等。由于网络规模的增大、结构的复杂化等因素，精确算法都具有高度复杂度，这对大型网络来说不具备很好的实用性[19]。上下界法在寻找比较紧的可靠度界值范围时，往往以计算复杂度为代价，当网络规模较大时，对应的割集或路集等参数的获得存在困难[20-22]。

在电力网络领域中，针对电力通信网络安全的研究较多，对电力调度数据网络的研究较少。曾瑛等[23]从通信网拓扑结构出发，结合节点和链路可靠度，提出聚合可靠度，对电力通信骨干网进行可靠度评估。同时，也有文献[24-25]对网络动态运行的可靠度进行评估，结合业务与通信质量，评估通信网络的运行能力和运行质量。胡娟等[26]、程向辉等[27]在调度数据网脆弱性方面上进行了一些研究。

综上所述，调度数据网拓扑结构特征明显，而一般的可靠度评估算法没有考虑到调度数据网双平面、层次化、双归等结构特征。同时，现有的电力网络评估方法中，主要研究电力通信网络在抗毁性、脆弱性等方面的问题，较少结合具体的拓扑特征进行分析。因此，针对这一问题，本文结合调度数据网网络拓扑结构和连通可靠度模型，对调度数据网进行可靠度评估。本文主要研究内容和贡献如下：

（1）提出一种基于调度数据网拓扑结构的可靠度模型。本文结合实际的调度数据网络静态拓扑特征进行分析，进一步地，对网络进行抽象，提出可靠度评估模型。

（2）分层可靠度评估。使用图变化和SDP 对分层次对调度数据网进行可靠度评估。本文通过分析调度数据网分层结构，选取图变化法和SDP 算法对调度数据网的接入网和骨干网进行可靠度评估。

（3）提出调度数据网接入网拓扑优化策略。利用可靠度评估方法进行评估，分析调度数据网可靠度评估结果。最后，总结影响可靠度的拓扑结构，并给出优化策略。

1 调度数据网络结构

1.1 调度数据网拓扑结构

本文以包括核心层、骨干层和接入层三层结构的调度数据网为研究对象。核心层是业务处理和汇聚的终点，需要处理大量数据；骨干层为核心层与接入层通信的桥梁；接入层是厂站端业务传输的起点，主要包括各地调、变电站和各直调电厂的业务数据接入。

某区域调度数据网简化后的拓扑结构图1 所示。

图1 某区域调度数据网的拓扑结构Fig.1 A regional level topology of dispatching data network

核心层由两个省调路由器和对应的备份路由器组成，通过千兆光纤连接，构成环形冗余备份连接。

骨干网采用环形结构，每2 个或3 个汇聚路由器通过155M 光纤链路连接在一起形成一组，每一组分别由155M 或622M 光纤链路连接到核心层的两个路由器，形成环网。故每组汇聚层的路由器有多条链路到达核心层，保证了核心层和汇聚层网络的互联互通，提高了网络的可靠性。

接入网的设备通过环型拓扑连接到就近的两个汇聚层路由器。变电站和直调电厂选择N*2M 或100M 光纤为通信链路。在环型拓扑中，某节点一端的链路故障时，可以进行网络重构，使用节点另一端的链路，恢复通信，具有一定的可靠度。骨干网与接入网之间的链路由四条并联链路，任意一个接入网中，存在两个汇聚路由器，即两个接入节点，两个其中任意一个接入节点采用两条不同路由的传输链路连接到核心层节点。进一步结合骨干网自身的环型拓扑结构，存在多条路径能够到达接入节点。

1.2 量化调度数据网

在上述拓扑结构的基础上，将网络抽象为具体的数据结构，描述如下：

接入节点。与接入层变电站就近的汇聚层节点称为接入节点，接入节点有两个，中间由一条链路连接。

2 网络可靠度评估模型

本文以调度数据网拓扑结构为基础，结合可靠度算法和综合评估策略，提出一种多维度可靠度评估模型，实现对调度数据网络的可靠度评估。这里的可靠度，指主调中心能与某市级所有变电站节点，有一条路径正常工作的连通可靠度。

评估模型如图2 所示。

图2 调度数据网可靠度评估模型Fig.2 Reliability evaluation model for dispatching data network

（2）连通可靠度模块，将调度数据网划分为接入网和骨干网，根据不同的网络结构图和可靠度算法，计算可靠度。由于调度数据网成环型结构，与接入节点相连，同时主调中心要能与每一个变电站节点保持通信，因此本文结合链简化法和常见的图变化方法对接入网进行缩减，得到全端可靠度进一步地，主调中心要与节点网通信，必须通过接入节点，因此，文本采用SDP 计算主调中心到接入节点的可靠度

（3）综合可靠度模块，根据地区的可靠度和影响大小，计算综合可靠度。各个接入网网络规模、数据流量、变电站等级等存在一定差别，对于调度数据网的可靠度也不相同，因此这里采用综合可靠度进行计算，更具有实际的应用意义。对于每个接入网由连通可靠度模块得到各地区可靠度结合地区的影响大小，本文以节点数量占比为参考，表征地区可靠度对于综合可靠度的影响。

3 全端可靠度的计算

全端可靠度为网络中任意两点能够相互连通的概率。在接入网中，节点数量多，节点分类多，拓扑为环形结构。接入网中节点作为目标终端节点，作为厂站端业务传输的起点，要保持与任意节点的连通，因此使用全端可靠度评估接入网之间通信的可靠度。

3.1 图变化法

图变化作为常见的可靠度计算方法，能够有效地提高网络可靠度的求解效率。本文主要使用可靠度不变缩减：degree-1 缩减[28]、并联缩减和链缩减[29]，对调度数据网络接入网进行简化，保持可靠度不变，同时得到更加简单的拓扑结构，最后计算可靠度。

degree-1 缩减：如果网络中存在一度节点，直接去掉对应节点的边和节点，缩减因子即为原边的概率，计算公式如(2)所示：

缩减因子计算公式如(4)所示：

3.2 全端可靠度计算过程

在并联缩减后，网络可能重新出现度二节点或链，因此重复上述过程。

最后，计算简化后的网络可靠度，根据公式(1)，乘以所有的缩减因子，得到原网络可靠度。

4 接入可靠度的计算

图3 全端可靠度计算流程Fig.3 Calculation flow of all-terminal reliability for dispatching data network

接入可靠度属于连通可靠度，用于衡量源节点能与目标节点保持连通的概率。在调度数据网中，主调中心与接入网中节点的连通需要经过接入节点，接入节点与主调节点的连通可靠度的值可以直接体现两地区连通的可靠度。

4.1 不交积和法计算可靠度

不交积和法是运用不交积和定理计算网络可靠度的一种算法，其主要思想是将网络可靠度表示为全部最小路集[30]的并，所谓最小路集则指的是去掉路集中的任一条边则该路径不再连通。然后将其并化为不相交项的和，进而计算相应的可靠度。

当各个最小路集不包含公共项时，结合摩根定理进行不交和运算，可以转化为如公式(7)所示。可靠度即为最小路对应不交项的和。

4.2 接入可靠度的计算过程

图4 接入可靠度计算流程Fig.4 Calculation flow of access reliability for dispatching data network

首先求出接入节点和主调节点之间的最小路集，并根据最小路中边的数量由小到大排序。

算法1 最小路集对应的展开项计算法

5 综合评估模块

本模块主要结合接入网地区的影响大小和可靠度计算综合可靠度。主要过程如下：

（3）根据公式(11)计算综合可靠度。

6 实验分析

为了验证本文提出的评估方法的有效性，本文结合某省地区调度数据网络的拓扑结构和调度数据，开展可靠度评估实验。

6.1 全端可靠度

以地区A 的接入网为例，计算A 接入网的全端可靠度，网络拓扑如图5 所示。

图5 地区A 的调度数据网网络图Fig.5 Dispatching data network graph of region A

由拓扑图可见，A 地区由3 条链组成和两个一度节点，连接到两个汇聚路由器组成。

假设每条边的可靠度都为0.9，可以得到缩减3条缩减边的概率，分别为0.692，0.692 和0.643，缩减因子分别为0.948，0.948 和0.916。可以看出，链的长度越长，新边的可靠度越低，缩减因子也越低。

进一步，由于链结构成环型，连接到两个汇聚路由器，形成并联链路，并联链路中每条边可靠度都不大于0.9，但简化新边的可靠度为0.966，能够有效地提高网络的可靠度。结合缩减因子，网络的可靠度更新为0.826。最后进行度一缩减后，网络可靠度减低到0.669。

不难发现，地区A 中两个一度节点没有任何冗余结构或者备份策略，其可靠度直接影响网络的可靠度。同样的方法，可以得到地区B 和D 的全端可靠度，分别为0.823 和0.871。地区D 接入网由三个链组成，长度分别为3，3 和2，小于地区B。对其他地区的全端可靠度进行评估后，可得出以下结论：

（1）一度的节点没有冗余结构，其可靠度对网络影响大。

（2）链越长，新边的可靠度和缩减因子越低，降低网络可靠度。

（3）环型拓扑和并联结构可以有效地提高网络可靠度。

由上述结论，进一步提出如下优化策略：

（1）如网络中有一度节点，连接一度节点形成环结构。在同一地区下，节点的优化条件为节点度数为一，同时节点为接入网节点，则将所以节点进行串连，两端分别与接入节点连接。

（2）将长链分为若干个短链。在同一地区下，如果链长度大于等于5，则选取链中间的任意一条边，将链路分为两条，分别再与接入节点连接。

由此，优化后接入网拓扑如图6 所示。将各个地区中的长度大于4 的的链拆分为两个链，并重新连接到接入节点，而出现一度时，将所有一度节点连接，再连接到接入节点。

图6 调度数据网接入网网络图Fig.6 Dispatching data network access network graph

进而，结合各地区实际网络拓扑及相关数据，进行分析验证，计算原网络与优化后网络的全端可靠度结果如图7 所示。

图7 全端可靠度对比结果Fig.7 Comparison of all-terms reliability

由图7 可以发现调度数据网络的全端可靠度明显提高。

6.2 接入可靠度

我们给出某区域的调度数据网骨干网网络，其抽象图如图8 所示，骨干网拓扑结构存在多条环路。

图8 骨干网网络图Fig.8 Bone network graph

如图8 所示，调度中心要与接入网通信，需要经过地调汇聚或者区域汇聚两个汇聚路由器，也就是两个接入节点中的任意一个。同时，在骨干网中主调中心出发，可以经过多条路径到达汇聚路由器。以接入网A、B 为例，图中红色链路为可能的路径，接入节点与骨干网之间有四条直接相连的路径，同时骨干网自身的拓扑结构为环型拓扑，提高可靠度。

在这里，假设每条边的可靠度为0.9，根据前文提出的计算方法，计算接入可靠度，最后可以得到，主调中心到汇聚路由器的可靠度约为0.999（保留三位有效数字）。

从上述结果，可以发现，在骨干网中，主调中心到汇聚路由器，存在多条独立的通信链路，在各边都较为可靠的情况下，网络可靠度较高，出现主调中心与汇聚路由器失去通信的概率极低。

6.3 综合可靠度

从调度数据网拓扑中获取各个地区的节点，结合第5 节中计算方法可以得到每个地区的权重和可靠度。如图9 所示，调度数据网络中地区A 和地区H 的权重最大。结合前两小节中得到的可靠度，得到原网络的综合可靠度为0.823，优化后的综合可靠度为0.873。

图9 综合可靠度对比结果Fig.9 Comparison of comprehensive reliability

7 总结

本文提出了针对调度数据网拓扑结构的可靠度评估模型，能够结合调度数据网拓扑结构的冗余性，层次性等特点，实现对调度数据网的可靠度综合评估。结果表明，在调度数据网中，并联结构和环型拓扑能有效提高网络可靠度，即现有的调度数据网络有着较高可靠度。由于当前省区域调度数据网重点关注的是骨干网络的可靠度问题，较少考虑末端网络对总体的影响，本文下一步将结合实际需求，结合下一级接入网、变电站等终端网络部分，优化所提出的计算的方法。

利益冲突说明

所有作者声明不存在利益冲突关系