兼顾可靠性与通信效率的电力通信网络协调优化方法

曾伟忠， 袁咏诗

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523413)

0 引 言

电力通信网是电力系统生产运行数据传输的通道，支撑着电力系统安全可靠运行。路由器作为电力通信网的联络节点，不同的配置模式将改变电网生产数据的传输方式，对生产数据的传输效率和电网输变电设备可靠运行均产生影响[1-2]。

文献[3]提出了一种基于非一致性业务均衡的网络路由分配方法，其优化目标在于所有业务通道的承载量均衡。文献[4]提出了基于拓扑分析的电力通信网结构优化方法，其目标在于通信网路由设备的承载量尽可能均衡。文献[5]分析了电力系统通信网的通道优化机制，以提升通信网故障后恢复速率。文献[6]提出了基于熵的业务资源均衡分配法。文献[7]重点分析了通信不同运行方式下发生通道故障在快速恢复方面的差异，据此提出了面向快速恢复的运行方式优化方法。

实际上在分析电力通信网的可靠性问题时，不仅需要考虑通信网本身的可靠性，还需要考虑通信网对一次设备运行的影响,不仅需要考虑输变电设备可靠性，还需要顾及通信效率。为此，本文将分析电力通信网运行方式对电力系统输变电设备的影响，从可靠性和通信效率两个方面出发提出电力通信网评价指标。引入雷达图方法，提出一种兼顾可靠性与通信效率的电力通信网络协调优化方法，用于评价不同运行方案下电力通信网运行方式的优劣。最后基于某地区电网实际数据构造算例，验证了本文所提出方法的有效性。

1 电力通信网络运行评价指标

1.1 可靠性评价指标

本文所述的电力通信网可靠性主要是用于评价电力通信网运行模式对电力系统输变电设备运行的影响，重点评价单通道或单路由故障后对设备正常运行造成的影响。电力系统中的线路、变压器等输变电设备根据其重要程度会采用单通道，双通道甚至三通道等不同的通信模式，而在输电网中考虑到输变电设备的重要性较高，双通道已成为主流通信模式[8]。因此在输电网中，对于多通道业务，单一通道故障仅会导致业务可靠性下降、风险增加。而路由器作为通道的中转站，将同时承载多个通信业务，单个路由器故障可能导致业务中断、输变电设备停运的情况发生。

根据上述分析结果，为量化电力通信网不同运行方式下电力系统运行可靠性水平，本文设计了路由故障设备平均停运率和通道故障业务平均保障率两个指标，分别评价路由器故障和通道故障对通信业务的影响程度。上述两个指标的计算公式可表示如下：

(1)

1.2 通信效率评价指标

本文所述的通信效率评价是指不同的电力通信网运行方式下，业务通道信息流转的效率。主要涉及两个方面的评价内容：①从整体出发，不同的业务通道在通信过程中所需要流经的通道数量；②从每个输变电设备出发，其不同的业务通道流经通道数量的均衡度。业务通道在通信过程中流经的通道数量越多，代表传递效率越低；而同一输变电设备的不同业务通道均衡度越低，表明其双通道或三通道流经的通道数差别较大，可能造成双通道误码的概率也较大。

为此，本文特别提出全网通信业务平均通道数和设备业务通道均衡度两个指标,分别评价上述两个方面的运行效率。这两个指标可表示如下：

(2)

(3)

2 电力通信网协调优化方法

2.1 实施流程

图1 实施流程

电力通信网的路由器配置由于涉及大量混合整数规划，难以直接建模优化，当前协调优化过程中主要采用人工编制后智能评价校验的方式实现[9-10]。在该模式基础上，本文结合上述可靠性与通信效率评价指标，所设计的电力通信网协调优化方法实施流程如图1所示。

其中人工编制步骤往往由电力通信运行人员完成，评价指标计算参照上一节所述内容,可根据编制好的方案直接统计得到。由于上述评价指标的内容不同，难以直接横向对比，本文特提出基于雷达图综合评价方法。

2.2 基于雷达图的综合评价

所谓基于雷达图的综合评价方法是多维运行评价中常用的评价方法，主要解决不同类型评价目标的协调问题。

在本文所述的兼顾可靠性与通信效率的电力通信网通道协调优化方法中，对人工编制的多套电力通信网运行方案，由于涉及2个维度4项评价指标，难以直接得到其整体效益评价结果。为此可采用基于雷达图的综合评价。其实施要点包括：

1)基于历史数据分析，确定各指标分布区间

根据电力通信网历史运行水平，统计各评价指标的历史分布情况，确定不同指标的运行上下限。规定任意指标历史两年范围内出现的最大值和最小值为该指标的取值范围最大值、最小值。其中λL、λT、λD、λE的最大值和最小值依次记为λL,max、λL,min、λT,max、λT,min、λD,max、λD,min、λE,max、λE,min。

2)根据指标数值与其评价内容的关联，确定指标类型

根据指标数值大小与其评价内容优劣的关联，可将指标分为极大型、极小型两种类型。其中极大型指标是指指标的数值越大，代表其评价内容越优；极小型指标是指指标的数值越小，代表其评价内容越优。上述四个评价指标中，路由故障设备平均停运率指标λL、全网通信业务平均通道数λD和设备业务通道均衡度λE为极小型指标；通道故障业务平均保障率指标λT为极大型指标。

3)绘制雷达图

所谓雷达图是一种用于反映多维度指标协调关系的图形。雷达图中每个轴线代表每个指标的取值范围，对于极大型指标，其轴线靠外为取值范围上限，靠内为取值范围下限,极小型指标与之相反。根据每个指标取值可将其在雷达图轴线上为其确定位置，各指标所在位置连线即可确定该方案的雷达图。图2所示的雷达图示例中包含了两个待评价方案的雷达图。

图2 雷达图评价示例

4)综合评价

雷达图中各指标位置所连接围成的区域即反映了该方案的优劣程度，所围成区域面积越大，表明其整体效益越优。围成的面积计算公式如下：

(4)

3 算例分析

图3 电力通信网连接图

本文选取了某地区电网110 kV网架局部网架的电力通信网，在此基础上选取了实际运行中所采用的两套电力通信网运行方案,从可靠性和通信效率两个维度评价其实际效益。该地区电网的电力通信网结构如图3所示，图中带编号的方框为路由器节点，路由器之间的连接线为通信通道。

该地区电网内共包括通道业务5项，并由人工编制通信运行方案2套，具体信息如表1所示。

表1 电力通信网运行方案对比

根据本文所提出的可靠性与通信效率评价指标，分别统计两套方案对应的4项评价指标取值。通过该地区电网电力通信网历史运行情况,分析上述指标的变化情况，据此绘制雷达图。如图2所示，虚线围成区域为运行方案1对应的评价指标雷达图，实线围成区域为运行方案2对应的评价指标雷达图。根据雷达图可以计算得到两套运行方案的综合评价面积如下：

(5)

由式(5)可以看出方案1的面积小于方案2，这也证明从可靠性与通信效率协调的角度出发，两套方案中运行方案2在兼顾可靠性与通信效率方面更为突出。实际上，导致运行方案1的综合评价效率较低的原因在于该方案下路由故障设备平均停运率、设备业务通道均衡度指标相对较低，导致整体运行效益劣于运行方案2。

4 结束语

基于电力通信网运行方式对电网一次设备运行的影响机制，本文从可靠性和通信效率两个维度出发，设计了电力通信网运行评价指标，并将该指标内嵌于电力通信网协调优化方法中，基于雷达图设计了兼顾可靠性与通信效率的综合评价方法。基于某地区电网的算例表明,该方法能够全面地评价各通信运行方案在可靠性、通信效率方面的优劣，提升电网一次系统运行效益。