一种电力光传输网线路综合规划算法

禹士朋+蔡琳+徐艳红

摘要：针对如何降低电力光传输网的建设成本，该文展开了深入研究。围绕已有网络规划算法现存的问题，该文建立了电力光传输网的线路综合规划算法。首先，设计了电力光传输网建设成本模型和可靠性模型，并且在可靠性模型中，综合考虑了网络的成环率和电压等级因素，以此更加真实的体现电力光传输网的特殊需求。其次，综合电力光传输网建设成本模型和可靠性模型，建立了线路规划模型，同时设计了用于求解该问题的启发式搜索算法，使其能够有效指导电力光传输网的规划成本控制。最后，通过仿真实验，验证了该文所设计算法的有效性。

关键词：电力光传输网；可靠性；网络规划

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0061-03

Integrated Planning Algorithm for Power Optical Transmission Network

YU Shi-peng，CAI Lin，XU Yan-hong

（Suzhou Power Supply Bureau of Anhui Power Grid Corporation，Suzhou 234000， China）

Abstract： In this paper， how to control the cost of power optical transmission network construction has been deeply studied. According to existing problems of existing planning algorithm， this paper designs a integrated planning algorithm for power optical transmission network. First of all， cost model of network construction and network reliability model was built，the network reliability model was established with network ring rate and voltage level factors， which can really reflect special needs of electric power communication network. Subsequently， fusion network construction cost model and network reliability model of power optical transmission line planning model was built， and a heuristic algorithm to solve the problem was designed， so that this method can be used to guide design of power optical transmission network scientifically and reasonably. Finally， effectiveness of the proposed algorithm is verified by experiments.

Key words： power optical transmission network； reliability； network planning

電力通信网现已形成以光通信为主，电力线载波、微波、卫星等多种传输技术互补的局面。其中，采用光通信技术的各级传输网实现了互联互通，一级骨干光通信网已形成三横四纵的网络拓扑结构，用于承载电力调度、继电保护及安稳控制类业务，对电力系统的安全、稳定运行起到重要作用[1]。

伴随智能电网的深入发展，电力系统规模日益扩大，大量的新业务、新设备应用到电网中，对电力光通信提出了更髙需求，使已有通信网络的一些潜在问题凸显出来[2，4]。而电信运营商传输网线路的规划方法主要考虑考虑网络的建设成本和可靠性。此类方法将这两个因素综合引入规划模型，并且采用相应算法求解该问题。这类方法取得了较好的效果，但是此类方法不适用于规划电力光传输网，例如：变电站电压等级，成环率等可靠性因素和特征并没有被考虑其中。为了满足电力光传输网满足电网的通信需求，需要在网络建设初期进行网络规划设计。为此，研究电力光传输网的线路综合规划方法，具有重要实际意义和应用价值。

1 问题描述

电力光传输网规划存在如下问题：1）部分变电站的光纤覆盖率低，部分地区仍租用电信公网的方式解决变电站的通信传输问题，已对电力光通信网的容灾、无人值守、调度专网覆盖等能力形成制约，无法满足电力系统对可靠性的需求；2）部分光缆纤芯紧张，可靠性低等问题；3）部分光缆承载的继电保护、安稳控制业务过重。这些线路检修或故障必将会造成多条业务通道中断，电力系统的安全、稳定运行风险增大，因此电力光传输网需要扩建，需要一种能够综合考虑多方面因素的电力光传输网线路综合规划算法，用于指导光传输网的规划设计。

2 数学模型

网络成本建模：包括新加入网络的线路建设和运维成本，如式（1）所示：

[C=i=1Nj≠iNp?lij+mij?eij] （1）

式中，C代表网络建设成本；N代表备选光缆线路数；[p?lij]和[mij]代表在网络节点[ni]与节点[nj]之间铺设光缆需要的网络建设成本和运维费用；[p]代表光缆单价，[lij]代表光缆长度；[eij=1]表示在网络节点[ni]与节点[nj]之间铺设光缆。

在构建电力光传输网可靠性函数时应该考虑两方面因素：

一方面，变电站的成环率越大表明越多的变电站被环形网络保护，其可靠性越高。其中，变电站[R]的成环率是网络中成环变电站数和变电站总数的比值，如式（2）所示：

[RI=1N?i=1Nri] （2）

式中，[N]为网络中变电站的总数，[ri]代表成环变电站。成环变电站定义为物理成环，即由光缆相连构成的环状结构。

另一方面，成环变电站电压权值越高，表明越多的高电压等级变电站受到环形保护，这个结果与高电压等级变电站需要优先成环的需求一致。由于變电站的成环率取值为[0，1]， 需要将变电站电压值做归一化处理：

[nvi=vi-vminvmax-vmin] （3）

式中，[vmin]和[vmax]分别代表电压的最小值与最大值，[nvi]为实际电压[vi]的归一化电压，[nvi∈NV]，NV代表归一化电压集合，成环站点电压加权值：

[VN=i=1Nnvi?ri] （4）

式中，N为变电站数，[ri=1]时，表明变电站i在保护环上，[ri=0]时，表明变电站i不在保护环上。综上所述，可靠性可以表示为：

[R=RI+VN =1N?i=1Nri+i=1Nnvi?ri=i=1N1N+nvi?ri ] （5）

3 电力光传输网线路综合规划算法

3.1 电力光传输网线路规划模型

电力光传输网的线路规划模型为：

[minC=i=1Nj≠iNp?lij+mij?eijmaxR=i=1N1N+nvi?ri ] （6）

式（6）中的第二项是可靠性[R]的极大值。为了利用多目标规划算法，本文将[R]的极大值问题转化为[1R]的极小值问题，将目标函数转化为：

[minα?i=1Nj≠iNp?lij+mij?eij+β?i=1NN1+N?nvi?ri] （7）

式中[α+β=1]。下面，本文设计了基于蚁群的线路规划启发式算法，用于求解式（7）中的目标函数。

3.2 求解算法

设[τijt]为t时刻，光缆段[eij]上的信息量，N为网络中变电站数，E为网络中光缆段的数量，m为蚁群中的蚂蚁总数，[τijt=a0]，用禁忌表[tabuk]记录蚂蚁[Antk]当前路过的变电站（k=1，2，…，m）。在启发式搜索过程中，蚂蚁会依据各条路径上的信息量以及启发信息用来计算状态的转移概率，[pkijt]表示在t时刻，蚂蚁k由变电站[ni]转移到变电站[nj]的状态转移概率。

[pkijt=τijta?ηiktbs?Fkτista?ηistb， if j∈Fk 0， else ] （8）

式中，[Fk=C-tabuk]表示蚂蚁[Antk]下一步的允许选择节点；a为信息量的启发式因子，b为期望的启发式因子（一般取[0≤a≤5；] [0≤b≤5；]）；[τijt]为启发函数，[τijt=1dij]，[dij]代表相邻两个变电站之间的距离（成本）。在蚂蚁走完一步，或者完成对所有城市的遍历后，需要对残留信息量进行更新处理。为此，t+n时刻在光缆段[eij]上的信息量，可以按如下规则进行调整：

5 结束语

针对电力光传输网的线路规划问题，本文设计了综合规划算法。该方法设计了融合可靠性、经济性的综合规划模型；同时，设计了启发式求解算法，并且通过实验，对比分析了本文设计的算法与Dijkstra算法之间的差异，验证了本文所设计算法的有效性。该算法能够提高电力光通信网的可靠性、经济性。同时，提高了对高电压等级变电站的保护级别。

参考文献：

[1] 陈树勇，宋书芳，李兰欣，等. 智能电网技术综述[J].电网技术，2009，33（8）： 1-7.

[2] 曾瑛. 电力通信网可靠性分析评估方法研究[J]. 电力系统通信，2011，32（8）： 13-16.

[3] 顾维正，陆军. 电力光传输网的结构分析及优化方案[J].电力系统通信，2008，29（191）：22-26.

[4] 张立波，程浩忠，曾平良. 基于不确定理论的输电网规划[J].电力系统自动化，2016，40（16）：159-167.

[5] 潘金贵，顾铁成，李成法，等. 算法导论[M]. 北京：机械工业出版社，2010：366-370.