电力系统光通信网络质量提升关键技术研究

摘要：目前光通信网已经成为电力通信系统尤其是配用电通信的主要形式。但光通信设备的脆弱性以及光通信组网方式的复杂性给电力通信网络的通信质量带来了巨大挑战。此外，配用电光通信網络中数据模型不统一、数据信息难以实时获取的问题，也影响了电力通信网络的运维效率。为此，有必要在配用电光通信网络中建立统一的信息模型和接口，并对光通信网络质量进行分析，以提升光通信网络质量。本文提出了统一的光通信网络信息模型，该模型规范了配置模型和性能数据模型，并实现了标准接口。同时，还建立了光通信网络质量分析指标模型，并阐述了利用该模型进行质量分析的原理。

关键词：光通信；质量分析；信息模型；标准接口

作为整个电力网络的核心，配用电网在电力网中扮演着调度的关键角色，因此配用电网通信的质量至关重要。但迄今为止，配用电网络在通信方面仍未形成规范化的统一接口标准，并且电力生产接入网设备使用的接口技术和数据模型也存在着不一致的情况[1]。传统的配用电通信网络主要使用双绞线作为传输介质，但该方式受到空间距离限制和各种外界干扰的影响。为解决这些问题，光通信网络被广泛应用于配用电网络中，它能够克服双绞线的限制和环境干扰的问题。

然而，光通信设备的脆弱性以及光通信组网方式的复杂性给电力通信网络的通信质量带来了巨大挑战，这也成为优化配用电光通信网络质量的核心要求。为了实现这一目标，需要建立统一的信息管理模型，以提高光通信网络质量。这个信息管理模型能够统一监控和管理配用电光通信网络中的各种通信和业务资源，并支持端到端业务质量的管理。

一、光通信网络信息模型及接口

（一）光通信网络信息模型

配用电光通信网络的结构包括集成网管系统（Integrated Network Management System， INMS）、网元管理系统（Element Management System， EMS）、子网管理系统（Sub-Network Management System， SNMS）和多个配用点光通信子系统。它们共同完成对配用电光通信网络的管理和监控工作。在配用电光通信网络中，主要资源是各种网络实体设备和在这些设备之间传输的数据信息。因此，光通信网络的信息模型可以分为两个主要组成部分[2]：配置模型和性能数据模型。

配置模型抽象描述了光通信网络资源的活动信息。在运行过程中，配置模型会保存一些性能参数，以便分析光通信网络的整体质量和性能。这些保存的性能参数被称为性能数据。

配用电光通信网络的架构决定了其配置模型，包括机架模型、子架模型、卡槽模型、单元盘模型和端口模型等[3]。配置模型的过程是统一光通信网络中传输数据的标准过程。为了简化设计，可以先设计一个通用的配置模型抽象类，然后具体的配置模型如机架模型继承此抽象类，并在抽象类的基础上增加各自特有的属性。以机架模型为例，可以用它来查询和配置机架信息。机架模型的基本配置属性包括机架名称、机架制造厂商、机架类型和机架版本等。

和机架模型类似，子架模型的配置项包括子架名称、子架设备制造商、子架类型和子架版本；卡槽模型的配置项包括卡槽名称、卡槽设备制造商、卡槽可接受的单元盘类型和已安装的单元盘名称；单元盘模型的配置项包括单元盘名称、单元盘类型、提供的端口类型和数量，以及单元盘的使用状态等。

性能数据模型定义了一系列必要的性能参数，包括光物理接口数据模型、以太网端口性能数据模型和组播性能数据模型等[4]。以光物理接口数据模型为例，其定义的性能参数主要包括发送功率、接收功率和偏置电流等。

（二）光通信网络标准接口

在配用电光通信网络中，各网络设备和资源实体通过管理接口进行交互。只有接口标准统一，才能有效、快速地传递数据。

为了提高接口的准确性和高效性，配用电光通信网络的接口是基于TL1（Transaction Language 1）接口规范完成的。标准接口实现的功能包括对光通信网络的性能监控、故障监控、配置监控和安全监控。

性能监控能够采集光通信网络内的所有性能数据，并将其上传到中控。故障监控可以实时监测光通信网络内电力设备的运行情况，并及时上报故障定位信息。配置监控可以查询光网络终端和光网络单元的设备配置信息，并支持配置信息的同步。安全监控能够控制访问权限，并检测与接口安全性相关的漏洞。

光通信网络的标准接口主要由三个组成部分组成：输入命令模块、消息处理模块和响应输出模块。标准接口通过命令操控网元，网元根据输入命令执行相应的动作，然后返回输出命令。每条输入命令消息都以Action Code开始，用于说明网元应采取的动作。Staging Block是命令消息的标识块，其中TID用于标识目标网元，AID用于标记要访问的实体（例如槽位、端口等），CTAG用于关联响应消息和对应的输入命令。消息处理模块是标准接口的核心，它在接收到输入命令后完成具体的业务操作。该模块的工作包括解析输入命令消息、处理命令、输出消息以及向用户反馈命令执行结果等。

响应消息的格式与输入命令消息类似，在生成响应消息后将输入命令的执行结果返回给用户。响应消息包括响应头（Response Header）、响应消息标识（Response ID）、响应块（Response Block）和结束标记。响应头标记着响应消息的开始，响应消息标识唯一标识一条响应消息，与其他响应消息进行区分；响应块显示响应消息中的信息，是光终端设备与用户之间交互的内容；结束标记表示响应消息的结束。

三、光通信网络质量分析

（一）光通信网络质量分析指标

在配用电光通信网络中，质量分析问题实质上是一个多指标评价模型。在建立此模型时，需要对配电网内常用的参数和指标进行筛选和分析。

配用电光通信网络的通信资源包括光终端设备、光纤传输网和运行环境等。因此，为了全面衡量光通信网络的通信质量，需要选择覆盖光通信网中所有资源实体的指标。此外，为了提高质量分析结果的客观性和准确性，还应对指标进行量化处理，以便获得反映光通信网络质量的定量分析结果。

配用电光通信网的质量分析指标模型具有多层次、多角度的特点。根据光通信网络的运行结构和特点，可以将质量分析指标分为资源使用类指标、通信可靠性类指标、网络运行类指标和业务支撑类指标。

资源使用类指标用于衡量光通信网中各种光终端设备的资源使用率，例如CPU使用率、内存使用率和存储使用率等。这些指标直接反映光通信网络的传输容量、对电力业务的承载能力和扩展能力。通信可靠性类指标分析光通信网内的通信可靠度，判断网络是否存在丢包、网络包的错误率以及光通信设备的在线率等。网络运行类指标确认光通信网络内各类光终端设备的运行情况，包括是否存在故障以及故障次数等；业务支撑类指标用于判断业务是否发生中断、业务中断的持续时间和业务恢复的概率等。

可以采用效度系数法对配用电光通信网络质量分析指标模型进行有效性验证。假设上述指标模型为T={t1， t2， …， tn}，参与对此指标模型进行评价的评委数量为s，如果评委j对每个指标的评分Xj={x1j， x2j， …， xnj}，那么某指标的效度系数βi可以计算为：

其中q是指标Ti的评分中的最优值；

指标体系的效度系数β可以表示为公式2：

由于效度系数法考虑了在对指标进行评价分析时不同专家评价的偏离程度，因此效度系数值越小越能反映指标的有效性。

（二）光通信网络质量分析原理

在光通信网络质量分析中，考虑到多个指标可能导致计算量巨大和复杂度高的问题，可以采用主成分分析方法进行降维处理。主成分分析的实质是将原有的多个指标重新组合，通过一定的数学计算保证各主成份间互不相关，同时能够保留原有指标中的大部分信息。这样，在光通信网络质量分析指标模型中，就可以将大量指标转换成较少数量的主成分指标，而这几个保留的指标就称为主成分指标。

对光通信网的运行数据进行采样，假设数量为P的样本其指标数量是Q，并构造P*Q的样本矩阵：

假设Xi表示矩阵X的第i个向量，可以将q个指标向量进行线性组合，得到主成份：

Fi= r1iX1+r2iX2+ … + rni Xn （4）

系数向量ri=（r1i， r2i， ...， rni）T的不同线性组合得到不同的主成分Fi，而且主成分间是不相关的。主成分间的地位是不同的，F1是所有指标向量线性组合中方差最大的一个，因此它包含的信息量最多，在所有主成分中起到最关键的作用；F2是其他和F1不相关的所有指标向量线性组合中方差最大的，以此类推就能够得到其他所有的主成分。

各个指标的数据可能存在较大的差异，如果直接对原始数据进行标准化归一处理可能会使某些指标丢失部分信息。为了减少信息丢失情况，可以对各指标的元素数据进行均值化处理，即用原始数据除以指标均值，这一操作并不会改变指标间的相关性系数，因此不会产生信息丢失。

四、系统功能实现

光通信网络质量分析功能可以按照前文描述的算法对收集得到的各项指标进行分析，根据不同指标的权重（主成分分析的结果）得到光通信网络的运行质量，完成对指标的管理、指标数据的管理、算法管理以及质量分析。

指标管理是光通信网质量分析的基础模块，能够查询参与光通信网质量分析的指标信息，例如指标名称和内容等。当光通信网的运行环境变化时，可能会对参与质量分析的指标有不同要求。因此，还可以动态添加指标，从而使整个指标模型可以随光通信网运行环境的变化而动态调整。当然，也可以删除无效指标。指标数据管理功能维护数据采集模块采集到的数据，并以时间维度展示某指标的相关数据。还能对数据进行预处理，比如归一化操作，以方便后续的主成分分析。算法管理的功能是对质量分析采用的算法进行管理及优化，比如修改主成分分析的向量系数等。

光通信质量分析采用“浏览器/服务器”架构，逻辑上分成表示层、应用层和持久层。表示层负责在浏览器前端页面展示分析结果，并为用户提供光通信质量分析接口，接受用户的输入指令。应用层完成具体的业务逻辑、质量分析操作，并通过持久层获取数据进行处理。持久层借助前文描述的标准接口从设备采集信息，并保存到数据库中，为应用层提供数据支持。

在系统实现过程中，为使前端界面保持良好的界面友好性和高安全性，选择使用Flex及ActionScript进行开发。应用逻辑代码使用Java实现，客户端及服务端的信息传递由Remote Object实现，ibatis负责完成数据持久化。系统逻辑结构如图1所示。

图1 光通信网络质量分析逻辑结构图

在光通信网质量分析系统中，分析结果可以通过客观评分的方式得出。这些评分是根据指标的权重和算法计算得出的，用于评估光通信网的运行质量。客观评分可以帮助用户快速了解网络的整体性能。此外，光通信网质量分析系统还提供了自定义质量等级的功能，用户可以根据自己的需求进行设定。

五、結束语

本文对配用电光通信网质量提升的关键技术进行了研究。为了提高光通信网的运行质量，文章首先确定了一个统一的信息管理模型和标准接口。并在此基础上建立了光通信网质量分析的指标模型，并介绍了进行质量分析的原理。此外，文章还详细说明了可靠质量分析系统应具备的功能和逻辑结构。这样的系统对提高光通信网络质量非常有帮助。它不仅能够统一监控和管理配用电光通信网络中的各种通信和业务资源，还能够支撑光通信网络端到端的业务质量。

作者单位：许东蛟 河南省电力公司

参考文献

[1] 赵振江.光通信传输技术的应用探讨[J].中国信息化，2023（03）：61-62.

[2] 佘静，胡睿.基于信号时变性的空间光通信网络优化研究[J].激光杂志，2022（09）：129-133.

[3] 赵伟，王文娟.基于深度信念网络的光通信网络数据异常识别研究[J].激光杂志，2023（01）：174-178.

[4] 李室昆，王强.可见光通信与WiFi融合下的智能控制技术研究[J].电子元器件与信息技术，2022（11）：173-178.

许东蛟（1975.01.13-），男，河南郑州，本科，高级工程师，研究方向：通信和视讯。