基于节点重要度的电力通信网络构建方法

摘要

本发明提供一种基于节点重要度的电力通信网络构建方法，包括如下步骤：获取电力通信网的网络模型；其中，所述网络模型包括节点和链路，所述节点为电力通信系统中的通信设备，所述链路为连接节点的各条光缆；计算所述节点的业务加权度；根据所述节点的业务加权度，计算所述节点的重要度；获得每个节点上附加有对应的重要度的网络模型，对获得的网络模型进行网络拓扑分析及电力通信系统的可靠性测定。本发明方法构建的电力通信网络，能显著提高电力通信系统的可靠性测定的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力通信系统技术领域，特别是涉及一种基于节点重要度的电力通信网络构建方法。

背景技术

电力通信系统是电力系统重要的组成部分，它的可靠性直接影响到电力系统的安全生产与可靠运行。对电力通信系统进行可靠性测定，可以从整体上了解当前网络的运行状况，及时发现薄弱环节及故障，从而为故障排除、及网络改造提供直接的依据，进而保障了电力通信网络的稳定性，提高通信质量。

作为电力系统的通信专网，电力通信网上承载了多种多样的业务，不同类型的业务对电力一次系统有着不同的保障作用，电力业务重要度是指业务中断或失效后对电力系统安全性和稳定性的危害程度。业务重要度反映了电力业务对电力系统的影响程度及业务的通信环境要求，是电力通信业务风险评估的重要指标。但目前的电力通信网络模型大多只表现节点与链路，在进行电力通信系统的可靠性测定时准确性较低。

发明内容

基于此，本发明提供一种基于节点重要度的电力通信网络构建方法，该方法构建的电力通信网络，能显著提高电力通信系统的可靠性测定的准确性。

一种基于节点重要度的电力通信网络构建方法，包括如下步骤：

获取电力通信网的网络模型；其中，所述网络模型包括节点和链路，所述节点为电力通信系统中的通信设备，所述链路为连接节点的各条光缆；

通过下式计算所述节点的业务加权度：

$s_i=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}};$

其中，s_i为节点v_i的业务加权度，m_ij表示链路e_ij上所运行业务的类别总数，n_ijk表示链路e_ij上所运行的第k类业务的数目，v_ijk表示第k类业务的业务重要度值，N_i是节点v_i的近邻集合；

根据所述节点的业务加权度，通过下式计算所述节点的重要度：

$\mathrm{IMC}\left(v_i\right)=\sqrt[3]{W_i\times s_i\times \overline{L_i}}$

其中，IMC(v_i)为节点v_i的重要度，W_i为预设的节点v_i的节点权重值，为预设的节点v_i的聚合系数；

获得每个节点上附加有对应的重要度的网络模型，对获得的网络模型进行网络拓扑分析及电力通信系统的可靠性测定。

上述基于节点重要度的电力通信网络构建方法，获取电力通信网的网络模型，对网络模型中的各个节点，首先结合电力业务计算节点业务加权度，再结合节点权重、节点聚合系数计算得到各个节点的重要度，获得每个节点上附加有对应的重要度的网络模型，能显著提高电力通信系统的可靠性测定的准确性。

附图说明

图1为本发明基于节点重要度的电力通信网络构建方法在一实施例中的流程示意图。

图2为本发明基于节点重要度的电力通信网络构建方法在一实施例中某省电网电力通信传输骨干网络的示意图。

图3为本发明方法和现有的加权节点收缩法和三角模融合法计算得到的节点重要度变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，是本发明一种基于节点重要度的电力通信网络构建方法的流程示意图，包括如下步骤：

S11、获取电力通信网的网络模型；其中，所述网络模型包括节点和链路，所述节点为电力通信系统中的通信设备，所述链路为连接节点的各条光缆；

S12、通过下式计算所述节点的业务加权度：

$s_i=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}};$

其中，s_i为节点v_i的业务加权度，m_ij表示链路e_ij上所运行业务的类别总数，n_ijk表示链路e_ij上所运行的第k类业务的数目，v_ijk表示第k类业务的业务重要度值，N_i是节点v_i的近邻集合；

S13、根据所述节点的业务加权度，通过下式计算所述节点的重要度：

$\mathrm{IMC}\left(v_i\right)=\sqrt[3]{W_i\times s_i\times \overline{L_i}}$

其中，IMC(v_i)为节点v_i的重要度，W_i为预设的节点v_i的节点权重值，为预设的节点v_i的聚合系数；

S14、获得每个节点上附加有对应的重要度的网络模型，对获得的网络模型进行网络拓扑分析及电力通信系统的可靠性测定。

电力通信网上承载了多种多样的业务，不同类型的业务对电力一次系统有着不同的保障作用，电力业务重要度是指业务中断或失效后对电力系统安全性和稳定性的危害程度。业务重要度反映了电力业务对电力系统的影响程度及业务的通信环境要求，是电力通信业务风险评估的重要指标。从业务对电网影响和服务质量需求两个方面对业务的重要度进行分析，利用层次分析法建立业务的重要度层次分析指标体系，计算业务重要度。

对电网影响指标反映业务对电力系统运行的影响程度，又分为安全区、承载方式、业务通道、三个二级指标对业务的重要程度进行分析；服务质量需求反映业务对网络所提供通信服务质量的要求，一般情况下，涉及电力系统安全 运行的业务对通信服务质量要求都非常高，相应地对电力系统运行的影响程度也比较大，所以服务质量需求也能从侧面体现业务的重要程度。

并根据电力技术领域生产运行相关规定，利用层次分析法及所提业务重要度模型对典型业务进行业务重要度评价。归一化后得到10种典型电力通信业务的业务重要度值，如下表所示：

根据上表的业务重要度计算结果，线路继电保护业务重要度最大，其次是安稳系统和调度自动化业务，这几种业务直接实现对电力一次系统的实时监控，均是保证电力系统安全运行的关键业务；保护管理信息系统针对的是二次设备，是电力系统故障诊断和后处理的业务，其重要度相对较低。在电力企业运营管理中，保证重要会议安全顺利进行也十分重要，相应的视频会议系统业务高于一般管理业务，综上分析，业务重要度评价方法是可行有效的，计算结果符合实际情况。

电力通信网中运行着大量电力业务，某些重要业务如线路继电保护业务对于服务质量尤其是时延具有极高的要求。传统加权网络采用链路长度作为边权，但是对于普遍采用光传输技术的电力通信网，距离并非信息传输的主要影响因素，而链路作为业务传输的载体，且业务为影响网络运行的重要因素，因此考虑从业务角度评价网络边权。

加权网络可以由集合G＝(V,E)描述，包括n个节点，以及一组带有权重的边e，通常可以用加权邻接矩阵w表示，其中矩阵元w_ij代表相邻两点间考虑业务 的边权，w_ij∈[0,∞)，表示相应链路考虑业务等级的业务。如果w_ij＝0表示两点间无连接。

$w_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{m_{\mathrm{ij}}}{\Sigma }}{n}_{\mathrm{ijk}}\times v_{\mathrm{ijk}}$

其中m_ij表示链路e_ij上所运行业务的类别总数，n_ijk表示链路e_ij上所运行的第k类业务的数目，v_ijk表示第k类业务的业务重要度值。

将业务作为考虑边权考虑因素后，得到节点加权度s_i，其定义为：

$s_i=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}$

其中，N_i是节点i的近邻集合。

考虑业务的节点加权度s_i既考虑了节点的近邻数，又考虑了经过该节点的业务重要性及数量，是该节点局域业务信息的综合体现，从业务角度反映了节点的相对重要程度。

节点业务加权度、电网影响因子和聚合系数三个指标从业务、功能、拓扑三个不同的角度描述节点在整个网络中的相对重要程度，综合节点运行业务、节点本身的权重以及节点在拓扑中的地位三个方面信息，得到节点i的重要度：

$\mathrm{IMC}\left(v_i\right)=\sqrt[3]{W_i\times s_i\times \overline{L_i}}$

其中，W_i为节点的节点电网影响因子，s_i为节点加权度，为节点的聚合系数。

节点重要度包含了该节点业务、地位、拓扑三层信息，更加全面反映了节点综合性的重要程度，对于电力通信网节点评价具有实际意义。

如图2，以某省电力通信传输骨干网局部网络为例，对本计算方法进行仿真验证。仿真网络拓扑结构G(V，E)如图2所示，包含14个节点和16条链路，其中1号节点为省级调度中心(中调)，13号节点为地区调度中心(地调)，14号节点为220kV变电站，其余节点均为500kV变电站，节点电网影响因子如下表所示：

其网络中业务分布如下表所示：

将本实施例方法和现有的加权节点收缩法和三角模融合法计算得到的节点重要度进行作对比分析，结果如下表所示，为方便对不同方法之间进行对比，对计算结果进行单位化处理，并绘制节点重要度变化曲线如图3所示；

仿真结果说明：

相对于加权节点收缩法和三角模融合法，本实施例方法通过将网络聚合系数和节点承载业务重要性及数量相结合综合评价节点的重要度，评价结果不仅能反映节点对网络拓扑层连通性的影响程度，还能体现节点在网络业务层的重要程度。

根据图2实例的网络及仿真结果可看出，节点v₁作为中调节点，其节点电网影响因子值最大且承载业务量远大于其他节点，综合考虑，节点v₁的重要度应远大于其他节点，加权节点收缩法仅考虑拓扑因素，得到节点v₂比节点v₁重 要的结果，与事实不符，而本实施例方法得到的节点v₁重要度值最大，且重要度差距大，体现了中调节点的地位，本实施例方法对电力通信网的评价结果更加合理。

节点v₆和节点v₇在网络拓扑上的重要程度相近，加权节点收缩法和三角模融合法对这两个节点的评价结果相近，但是节点v₇承载的业务量比节点v₆大，本计算方法所得到的评价结果也是节点v₇比节点v₆重要度值大，与实际情况相同。

本实施例方法综合考虑电力通信网拓扑、业务及节点影响力三个方面，能更全面反映网络节点的综合重要程度，得到的节点重要度值更具合理性与实用性，在电力通信网节点评价及可靠性或风险管理中具有广泛的应用前景。

在一较佳实施例中，通过下式计算所述节点的聚合系数：

$\overline{L_k}=\underset{z\ne k\in V}{\Sigma }(\frac{W_z}{\underset{i\ne k\in V}{\Sigma }{W}_i}\times \frac{1}{d(k,z)})$

其中，W_i为节点v_i的节点权重值，W_z为节点v_z的节点权重值，d(k,z)为节点v_k与v_z之间的最短路径值；为节点v_k的聚合系数；

本实施例中，考虑到在电力通信网中，各节点的地位及作用存在明显差别，省级电力通信骨干网中的重要节点如省级调度中心和500KV变电站的地位及作用大于其他节点，此类重要节点之间的紧密程度理应对网络整体可靠性贡献度更大。因此，引入节点聚合系数概念，将节点权重和节点紧密程度相结合，以全面分析网络节点在网络拓扑中的地位；

节点权重考虑的是节点本身的地位和作用，电力通信网节点权重可以从两个方面考虑，一是电力通信网节点所在站点在电网中的地位和作用；二是电力通信网节点在通信网络中的地位和作用，比如从节点类型(包括汇聚节点和普通节点)和节点设备(处理能力和转发能力)等方面评价节点权重。

在电力通信网中，重要节点与网络中的其他重要节点连接的紧密程度越高，网络拓扑结构越合理，网络相对越可靠。本实施例中的节点聚合系数，表示一个节点距离其他节点并考虑节点权重的加权平均最短距离。节点聚合系数能用 于衡量节点与重要节点之间的平均距离，节点离重要节点的距离越小，重要节点在该节点周边的分布越密集，则该节点的聚合系数越高。聚合系数的性质在电力通信网中具有实际的应用价值，如调度中心承担着电力系统的监视与控制任务，需处理大量电力业务信息，重要节点在调度中心周边的分布越密集，电力通信网络拓扑相对越合理，网络可靠性越高。

假设v_k是无权网络图G＝(V,E)中的一个节点，则节点v_k的聚合系数计算公式如下：

$\overline{L_k}=\underset{z\ne k\in V}{\Sigma }(\frac{W_z}{\underset{i\ne k\in V}{\Sigma }{W}_i}\times \frac{1}{d(k,z)})$

其中，W_i为节点v_i的节点权重值，d(k,z)为节点v_k与v_z之间的最短路径值； 是节点v_k与v_z之间的最短路径的倒数，表示两节点间的紧密度，节点间距离越短，其值越大，节点间紧密度越高。节点紧密度取值范围为(0,1]，当紧密度值为1时，两节点直接连接，此时两节点连接最紧密。

以节点v_k为中心，计算网络中其他节点与该节点之间的紧密度，同时考虑节点本身的权重，得到能反映该节点周边节点分布平均紧密程度的指标即为节点聚合系数。节点聚合系数越大，重要节点在其周边的分布越密集，网络重心距离节点v_k越近，相应地节点在网络拓扑结构上的地位越重要。

节点聚合系数描述了节点的重要性及其与重要节点的连接状况，能反映节点在网络中的地位，利用节点聚合系数指标，分析网络重要节点的分布状况，重要节点之间连接紧密程度越高，网络重心距离重要节点越近，网络结构越合理，整体连接可靠性越高，相应网络结构风险越低，可显著提高网络可靠性测定的准确性。

在一较佳实施例中，所述节点权重值可通过如下步骤获得：

获取所述节点的站点类型和站点规模，根据预设站点因素影响力规则确定所述节点的站点等级值、站点等级影响力值、站点规模值和站点规模值影响力 值；

获取所述节点的供电负荷，根据预设的负荷因素影响力规则确定所述节点的负荷等级值、负荷等级影响力值、负荷大小和负荷大小影响力值；

根据因素指标集，确定各个节点的影响力评分值，计算每个因素指标下的节点相对影响力矩阵；其中，所述因素指标集中包括多个因素指标，所述因素指标包括所述站点等级、站点规模、负荷等级和负荷大小；

根据所述每个因素指标下的节点相对影响力矩阵，将相对影响力进行相加求和，得到节点综合相对影响力矩阵；

对所述节点综合相对影响力矩阵进行归一化，得到各个节点的电网影响因子值；

在一较佳实施例中，所述站点类型包括调度中心、变电站或电厂；

电力通信网节点所在站点包括调度中心、变电站以及电厂等类型，同类站点还区分电压等级或管理等级，如500KV变电站比220KV变电站等级高，影响力大，500KV变电站属于网调(区域电网调度中心)管辖，220KV变电站则受中调(省级电网调度中心)管辖，站点等级是站点在电网中的地位的直接反映；另外，站点规模同样影响节点地位，如变电站以规模大小分为枢纽站，区域站与终端站，不同规模的变电站功能与作用不同，相应的地位也不同，同时，调度中心所管辖站点规模大小也能区分调度中心的影响程度。因此，从站点等级、站点规模两个因素评价节点所在站点类别因素。

为客观评价站点类别因素，根据电力企业生产管理相关规定，建立节点等级、节点规模三个因素评价准则，如下表所示：

综上，站点等级包括特级、一级或二级等级别，各级别可对应不同的数值；站点规模包括枢纽站、区域站、终端站，各规模可对应不同的数值；可根据节点所处站点的类别因素，根据预设的站点因素影响力规则，根据每个节点所处站点的信息，赋予该节点相应的站点类型影响力值和站点规模值影响力值。具体的不同站点类型和站点规模对应的站点类型影响力值和站点规模值影响力值可根据实际需要而设定。

对于直接服务电力用户的变电站或者间接服务电力用户的调度节点、省级生产单位以及省直调电厂等节点，所服务的用户重要程度对于节点的影响力具有较大影响，因此根据电力负荷所服务的电力用户等级区分站点负荷等级。

按照国家相关规定，电力用户分为重要电力用户和其他电力用户，重要电力用户是指在国家或者一个地区(城市)的社会、政治、经济生活中占有重要地位，对其中断供电将可能造成人身伤亡、较大环境污染、较大政治影响、较大经济损失、社会公共秩序严重混乱的用电单位或对供电可靠性有特殊要求的用电场所。重要电力用户名单由供电企业根据地方人民政府有关部门确定的重要电力用户的行业范围及用电负荷特性提出，经县级以上地方人民政府有关部门批准后，报电力监管机构备案。根据供电可靠性的要求及中断供电危害程度，重要用户可以分为特级、一级、二级重要电力用户和临时性重要电力用户。

特级重要用户是指在管理国家事务中具有特别重要作用，中断供电将可能危害国家安全的电力用户；一级重要用户是指中断供电将可能产生影响的电力用户；二级重要用户，是指中断供电将可能产生较大影响及的损失的电力用户；临时性重要电力用户，是指需要临时特殊供电保障的电力用户(大型水利枢纽、隧道施工、重大活动临时保电用户)。

站点负荷的大小是站点影响程度的重要参考指标。电网中站点的负荷大小并非固定值，其随着电网负荷变化而变化，但是站点在电网中的负荷相对大小则是相对稳定的，因此利用站点在电网所占负荷比例评价站点负荷大小。站点或其管辖范围完全故障并对外停电将会产生电网减供负荷，即电网在事故发生期间的实际负荷最大减少量。

如下表所述，对电网减供负荷造成的事故等级进行区分：

根据节点所在站点或其管辖范围完全故障并对外停电造成的电网减供负荷事故等级差别作为评价节点负荷大小因素的评价标准，综合负荷等级因素，得到节点负荷因素评价准则如下表所示。

综上，负荷等级包括特级、一级或二级等级别，各级别可对应不同的数值；根据负荷等级并预设相应的影响力值；负荷大小为该节点的电网负荷，根据电网减供负荷事故等级确定负荷大小并预设相应的影响力值；根据预设的负荷因素影响力规则，根据每个节点所处站点的负荷信息，赋予该节点对应的负荷等级影响力值和负荷大小影响力值。具体的不同负荷等级和负荷大小对应的负荷等级影响力值和负荷大小影响力值可根据实际需要而设定。

在一较佳实施例中，所述因素指标集为：K＝{k_n},n＝1,2,...,N；本实施例中N等于4，即包括4个因素指标，站点等级、站点规模、负荷等级和负荷大小，其中N等于4，k₁、k₂、k₃、k₄分别指代上述的四个指标。

所述根据因素指标集，确定各个节点的影响力评分值，计算每个因素指标下的节点相对影响力矩阵的步骤包括：

根据下式计算得到所述节点相对影响力矩阵：

其中，各个节点构成节点集B＝{v_i},i＝1,2,...,I；节点集中各节点的影响力评分值为{s_i(k_n)}，s_i(k_n)为节点v_i在因素指标k_n下的影响力值；

表示节点v_i和v_j在因素指标k_n下的相对影响值；当i＝j时，当i≠j时，$a_{\mathrm{ij}}^{\left(k_n\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& s_i\left(k_n\right)/s_j\left(k_n\right)>1\\ 0.5& s_i\left(k_n\right)/s_j\left(k_n\right)=1\\ 0& s_i\left(k_n\right)/s_j\left(k_n\right)<1\end{array}\right);$

对同一因素指标k_n下的节点相对影响力矩阵的行向量元素进行求和，得到因素指标k_n下的节点相对影响力矩阵

其中，所述节点综合相对影响力矩阵为

在一较佳实施例中，所述对所述节点综合相对影响力矩阵进行归一化时，采用基于隶属度的归一化方法对所述节点综合相对影响力矩阵进行归一化。

所述采用基于隶属度的归一化方法对所述节点综合相对影响力矩阵进行归一化的步骤包括：

通过下式对所述节点综合相对影响力矩阵进行归一化；得到各个节点的电网影响因子值：

$F\left(v_i\right)=e^{\frac{-{(a_i^{\mathrm{sum}}-c)}^2}{2{\sigma }^2}}$

其中，F(v_i)为节点v_i的电网影响因子值， $a_{\max }^{\mathrm{sum}}=\mathrm{MAX}(a_1^{\mathrm{sum}},a_2^{\mathrm{sum}},...,a_i^{\mathrm{sum}},...a_I^{\mathrm{sum}}),a_{\min }^{\mathrm{sum}}=\mathrm{MIN}(a_1^{\mathrm{sum}},a_2^{\mathrm{sum}},...,a_i^{\mathrm{sum}},...a_I^{\mathrm{sum}}),$ε为预设的归一化参数，取值范围为ε∈(0,1)。

本发明基于节点重要度的电力通信网络构建方法，获取电力通信网的网络模型，对网络模型中的各个节点，首先结合电力业务计算节点业务加权度，再结合节点权重、节点聚合系数计算得到各个节点的重要度，从业务、拓扑和节点本身地位与作用三个方面分析，利用信息融合方法得到节点重要度。本发明综合考虑电力通信网拓扑、业务及节点影响力三个方面，能更全面反映网络节点的综合重要程度，得到的节点重要度值更具合理性与实用性，最后获得每个节点上附加有对应的重要度的网络模型，能显著提高电力通信系统的可靠性测定的准确性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。