利用波分复用的电力通信网链路故障保护算法

李春红，张 磊

(安徽水利水电职业技术学院 机电工程学院，安徽 合肥 231603)

电力通信网是电力系统的专用通信网络，在电力生产和经营的整个过程中，承担着保护电网安全、稳定端口信息交流等重要任务。随着电网自动化程度的提高和规模的不断扩大，电力通信网逐渐庞大并复杂，其安全性也越发重要且不可忽视，一旦光连接受损或发生故障，将会造成严重的链路故障，影响通信业务的进行及电网的安全和稳定，造成极大的不良影响。对电力通信网的故障风险进行评估，采取相应的链路故障保护措施，可有效降低风险，提高电力通信网的安全级别。

魏勇等[1]提出一种共享链路保护策略，根据故障链路具体位置及优先级有针对性地进行频率重排，同时在转发器作用下完成业务权重的重新分配并设置约束条件，实现链路故障保护；马凝芳等[2]提出一种故障业务恢复算法，在混合神经网络的基础上，建立网络链路定位模型，通过分析报警信息对具体故障链路进行定位，针对故障链路进行可靠度评估排序，优先选择排序靠前的链路完成故障恢复。但这2种方法在完成故障链路保护过程中易出现保护冗余问题，效果并不理想。

为此，本研究提出一种基于波分复用的电力通信网链路故障保护算法。在研究过程中针对链路的故障保护问题，通过波分复用网络形态进行深度探究。通过电力通信网络的链路模型计算链路可靠度，构建针对波分复用链路的故障保护模型，重新分配路由和波长容量，并对模型进行优化，通过虚拟链路标记路由，从端点开始执行保护，完成最终的链路保护。

1 电力通信网络链路模型可靠性分析

链路保护可以提高电力通信系统的可靠性，避免单点故障对整个系统造成影响。当一条链路出现故障时，链路保护可以自动切换到备用链路上，保证通信系统的持续运行。通过对电力通信网络链路模型可靠性分析的研究，可为链路保护机制的优化和改进提供依据，提高链路保护的效率和可靠性，从而保障电力通信系统的正常运行。

用G(V，E)表示电力通信网络的模型，其中V表示电力通信网中的节点集合，E表示其中包含的链路集合。每条网络链路k(k∈E)都可能会发生故障，对应的概率为fk，这个概率与电力通信网的铺设以及链路类型等多方面环境因素都有关系[3]。通信网中一个源节点s和目标节点d的最短路径可表示为p(s,d) ,假设s到d之间的最短路径p有n条，那么路径可靠度A(s，d)则为s到d的正常传输概率，此时的A(s，d)计算公式为

(1)

式中:∏为节点对的对应集合,n为最短路径的总数。

电力通信网的可靠性主要描述的是其中所有源节点和目标节点对路径可靠度影响的平均值,此时整个电信网络的可靠性A(D)计算公式为

(2)

式中,|V|为电力通信网中包含的节点个数。

此时,链路对通信网络可靠度的可信赖贡献值为该条链路在接受保护前后对电力通信网可靠性的增益效果,可使用△(ek)来表示:

(3)

根据公式(3)可具体得出电力通信网络中所有链路对可靠性的实际贡献值,并获得一个根据电力通信网络中贡献值决定的链路重要性关系[4]。

2 波分复用下电力通信网链路故障保护算法

2.1 波分复用故障保护

波分复用是一种常见的光通信技术，在光通信系统中扮演着重要的角色。由于波分复用技术的高带宽传输特性，可将多个不同波长的光信号通过一根光纤传输，从而实现高速数据通信。电力通信网络的链路故障保护，主要根据故障的相邻节点进行对应的路由保护选择，使用波分复用技术可实现全局重配置，当通信网络发生故障时，无论是正常的还是受损的光连接，均须在一定条件下对执行路由和波长进行重新分配，重分配的结果通过最小的保护容量，完成较为全面的业务恢复率。但这只是理想条件下的保护设想，虽然能完成业务节点和路由分配的灵活重组，但所涉及的计算量是相当庞大且复杂的，变相地延长了网络恢复的时间，具有一定的时间局限性[5]。

本文算法主要倾向面向链路故障的重配置[6]，通过波分复用技术针对受损的通信光连接进行路由和波长的容量分配[7]，而无须考虑正常的光连接，在此基础上得到网络生存模型[8]。此模型使用优化目标函数Z来优化，Z的计算公式为

(4)

对目标函数建立对应的约束条件:

1)通信光链路处于正常状态下时,通信业务节点对光连接的需求Dπ计算公式为

(5)

2)电力通信网络中光链路的保护容量须保证在任何故障条件下的受损恢复。其中，波长信道总容量的计算公式为

(6)

3)针对电力通信网络中任意的故障状态，通信业务节点对其中的受损光连接将依据预先设定的恢复比例进行路由保护，使网络得到恢复，其中，有限光连接的计算公式为

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(7)

式中：Ω(π，r，s)为网络链路l(l∈L)处于s(s∈S)状态时的候选光路由集合。其中，设定Ω(π，r，s)中针对0和1的取值规律为

(8)

式中:Fs为在当前网络状态下的故障部件集合,pπ为节点处于π(π∈∏)条件下所对应的源节点和宿节点集合,N为电力通信网络中的业务节点集合。

4)电力通信网络业务节点对应的工作和保护路由均承载着一定的非负数流量：

(9)

在上述优化目标函数中，业务节点的工作容量和保护能力都在一定的函数影响范围内，即对一条线路的保护不允许使用相邻链路的工作波长通道，甚至在那些通道中工作节点所在的光连接在失败情况下，也要维持这样相对的分离关系，在光链路上使用波长资源，根据冗余释放理论，可将受损光学连接在经过原始正常链路条件下的波长信道完整的释放，以起到对电力通信网络的保护容量。因此，链接的物理波长通道不会被设置为只能在工作的光路上使用，也可以在保护光路上使用，这样的通信信道保护方式可有效降低光链路中的波长信道需求。波长的容量分配结果计算公式为

(10)

电力通信网络的链路故障保护通常针对受到光链路故障影响的光连接，需要通过对故障模式进行切换来完成对应的节点故障处理，链路节点故障保护处理如图1所示。

由图1可知，在业务节点B发生故障的情况下，所有经过该节点的通信光连接都将会被切断，而与业务节点B相邻的A、C这2个节点可以跳过故障节点，并重新构建单个虚拟光链路A—C。重建过程中将业务节点B处的故障有效地转换成虚拟光链路A—C的故障，在链路保护机制下可完成对所有受损光连接的恢复，针对受损光连接的保护需要通过虚拟链路对路由进行标记，并从端点开始执行保护。

在链路故障保护模型下，对电力通信进行光传送网络保护，在特定的保护容量下完成故障保护需求优化，优化函数与公式(4)相同。

对故障网络链路建立相应的约束条件：

2)正常状态下的电力通信光链路中，其对应的波长信道必须能容纳故障链路路由下承载的所有流量，即

(11)

3)电力通信网中的故障光链路发生中断时，已经发生故障的光连接遵循预先设定好的恢复比率，在对应的保护链路上完成故障保护，其中，有限光连接的计算公式为

(12)

4)电力通信网中的业务节点需要对不同工作路由和传输链路保护路由具备一定的流量承载力，流量不能是负数，此时设定

(13)

2.2 算法实现流程

算法的最终目的就是在一定的网络可靠度下，确保被保护链路中各链路重要性之和达到最大值时，找到数量最少的安全链路数目。

在保护某一条链路时，对该链路进行可靠度分析，如果该可靠度已经达到提前设定好的要求，那么在所有满足条件的保护链路中，选择其中最重要的一条，作为受保护的链路。

如果被保护的一条链路达不到规定的网络可靠度，则再计算针对2条链路进行保护的可靠度，并与规定的网络可靠度进行比较。在满足网络可靠度的情况下，选择2个链路重要性总和最大的保护链路作为受保护链路。

如果在上述情况下仍然无法达到规定的网络可靠度,则需要再添加一个新的保护链,依次进行选择,直到选择出能够达到网络可靠度的一组保护链。

算法具体步骤：

1)针对电力通信网络中的任意一条链路进行保护计算，同时计算其对应的网络可靠度。

2)将计算得到的网络可靠度与预先设定好的可靠度进行对比，若计算结果大于等于设定的可靠度，则保留该条链路，同时计算该条链路的重要度，当不同情况下均能够满足可靠度要求时，计算得到对应的链路重要度集合，从重要度集合数据中挑选出最大值，再将该条链路设定为保护链路。

3)若计算结果小于设定的可靠度，此时计算通信网络中任意2条链路的网络保护可靠度。

4)将上一步得到的2条链路的网络保护可靠度与设定可靠度进行对比，当大于等于设定可靠度时，将这2条链路记录下来。同时计算出这2条链路的重要度之和；当不同情况下的链路符合可靠度要求时，计算得到链路重要度的集合，选择可靠度最大且满足保护模型约束的链路保护方案，此时将方案中包含的链路作为最终的保护链路。

5)当小于设定可靠度时，进一步计算保护任意3条链路条件下对应的网络可靠度，以此类推，直到找到满足可靠度条件的保护链路。

3 实验分析

本文建立一个实验网络模型，模型中共具备9个业务节点和17条传输链路。图2表示了共享风险链路组的实际状况，从中随机挑选出6个共享风险链路组并用双箭头虚线标注出来，通过锁定箭头所指来确定不同的双向链路。例如，风险1将链路8→7和8→1绑定成共享风险，0→6这条链路同时存在风险5和风险6中，对链路进行约定；当链路0→6发生故障时,5→6及0→8这2条链路都会受到影响,链路5→6与0→8之间关系应该属于不同保护区,才能有效地保证单独共享风险链路组,所配置的保护区需要完成针对链接0→6、5→6、0→8这3条链路的故障保护。

由图2(a)可知,包含的6个共享风险链路组中共存在2个三重故障保护,分别是1→8、8→7、7→6这3条链路。实验过程中,通过图2(b)～(d)对不同情况进行详细说明。在图2(b)中，pc1和pc2分别表示逆时针和顺时针方向，链路7→6、7→8及4→3均属于其中，4→3与4→7这2条链路属于共享风险关系，无法实现对链路4→3的故障保护，且7→6和7→8链路在故障保护算法中也应进行分离处理。通过图2(b)中逆时针和顺时针2个不同方向的路径保护，分别实现了对7→6和7→8这2条链路的故障保护。

由图2(b)～(d)可知,pc3能够很好地管理所有通信网络的业务节点,因而可将其看作是任意链路的跨接链路,此时根据实验网络的实际情况,利用所提故障保护算法得到针对全部链路的保护,结果见表1。

表1 实验网络的链路保护分析结果

由表1可知,实验网络中包含的每条链路无论是从哪个方向出发,在算法下都能得到很好的保护,基本实现了对单链路故障的100%保护。

针对不同连接请求状态,使用共享链路保护策略(文献[1]方法)、故障业务恢复算法(文献[2]方法)和本文所提算法对链路进行故障保护。在通信网络链路容量受限的情况下,假设电力通信网络中不存在排队现象,当网络链路的连接请求被拒绝时,这条请求也随即会被删除,但接受请求的情况下则不会轻易终止。3种算法的保护冗余度分析结果如图3所示。

由图3可知,3种算法的保护冗余度指标会随着请求连接数量的增加逐渐缩小,但文献[1]的方法链路保护策略指标数最高。由于保护冗余度主要描述通信网络中故障保护链路与正常作业链路间的实际比值,这一指标过高说明使用的保护策略影响到了正常作业链路运行;文献[2]算法的保护冗余度由100%逐渐降低至80%,虽然能有效地保证网络的正常作业,但同样影响作业效率;本文所提算法的保护冗余度最低,证明基于波分复用能有效地解决通信链路受损后的重新组合问题,故障保护机制并不影响网络的正常运行,效果较好。

4 结语

针对电力通信网络中线路保护问题,本文提出基于波分复用算法对电力通信网络链路模型进行分析,对路由和波长进行重新分配,在不同限度防护下掌握链路情况;对已知网络的可靠度进行分析,在网络拓扑节点中筛选出具有较高重要性的链路集进行保护。经过实验证明,本文所提算法对电力通信网链路故障保护的效率高,且保护冗余度低,不影响网络的正常运行。