基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法

摘要

本发明涉及一种基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法，包括以下步骤：步骤1、构建电力多业务融合应用指标体系；步骤2、基于步骤1所建立的电力多业务融合应用指标体系，对电力多业务融合应用方案进行评估。本发明能够全面系统客观地对电力通信网的多业务5G应用方案进行科学评估。

说明书

技术领域

本发明属于能源互联网融合应用方案技术领域，涉及一种电力多业务5G应用方案评估方法，尤其是一种基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法。

背景技术

5G建设与能源互联网战略目标正处于白热化发展阶段，电力业务多样性通信需求与5G“高带宽、广连接、低时延”特性的适配性和规模化应用突飞猛进。在5G通信网络支撑下，能源互联网中发电、输电、配电、用电等各个环节都将演绎出新电力业务，在对内业务方面，实物ID、现代电力企业智慧供应链、无人机巡检、营配贯通等业务逐步开展；在对外业务方面，电动汽车服务、”源网荷储”协同互动、新能源云建设、综合能源服务、多站融合发展、虚拟电厂运营、能源互联网生态圈建设等业务也将全面建设。

为了保证各业务接入5G通信网络后的服务质量得到保证，就需要高效优化管理5G网络所提供的丰富的通信资源，提升资源利用率，才能应对日益增长的能源互联网对内和对外众多业务需求，这同样也是面向城市能源互联网的电力多业务应用的关键点，如调度自动化业务主要包括“四遥”，即遥测、遥信、遥调、遥控，“四遥”是实现调度自动化的基础和前提。其中遥信和遥控数据的时延要求一般小于10s，带宽要求为64kb/s，遥信业务丢包率不应大于1％，而遥控业务对丢包率有较高要求不应高于0.01％；遥测数据的时延要求小于20s，带宽要求为64kb/s，误码率为10-6。

当前众多电力多业务5G应用方案层出不穷。部分文献提出一种面向毫秒级”源网荷储”协同控制业务的融合方案。部分文献针对分布式配电自动化业务，提出一种基于5GUDF最优位置分配的融合应用方案。但各方案均针对特定或有限的城市能源互联网业务，建设的侧重点具有差异，部分方案侧重在5G环境下业务通信性能，部分方案侧重5G建设成本。因此，为有效推动城市能源互联网建设，需要对各融合应用方案进行客观量化评价，优选最佳融合应用方案，推动城市能源互联网发展建设。

虽然部分研究对融合应用方案进行了客观评价，但仅侧重于业务性能匹配等单一方面。对于实际面向城市能源互联网的电力多业务5G应用方案，需要综合考虑业务性能匹配度、网络安全、建设经济性、扩展灵活性，并根据各维度重要性差异，进行客观全面评价。因此，本发明基于5G技术与能源互联网发展趋势，建立了多维立体方案评估指标体系，提出了一种基于模糊层次分析的电力多业务5G应用方案评估方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法，能够全面系统客观地对电力通信网的多业务5G应用方案进行科学评估。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法，包括以下步骤：

步骤1、构建电力多业务融合应用指标体系；

步骤2、基于步骤1所建立的电力多业务融合应用指标体系，对电力多业务融合应用方案进行评估。

而且，所述步骤1的具体方法为：分析融合应用方案影响因素，分别从业务性能匹配度、网络安全、建设经济性、扩展灵活性的四个方面构建电力多业务融合应用指标体系；

而且，所述业务性能匹配度的下级指标包括：

(1)通信性能：

①根据融合应用方案运营商提供的典型帧结构，计算FDD/TDD免调度、SR调度模式中的最大三次重传空口时延t

D

式中：D

②利用带宽反映融合应用方案对海量电力业务的通信容纳能力，计算DU接入带宽占用率O，如式(2)所示：

式中：N为业务总数；T

③需要对融合应用方案的可靠性能进行验证，若可靠性较低则完全无法满足电力业务需求，通过计算误码率SER、丢包率L

R＝1-max{SER,L

(2)通信架构：

①分布式业务是指点对点/点对多点进行数据交互的电力业务，若规划方案中5G通信模式与业务需求不符，则该方案业务满足性较差；通过计算通信满足率Fill

Fill

式中：n

②集中型业务是许多通信节点需要与一个控制中心进行数据交互的业务，通过计算通信满足率Fill

Fill

式中：n

所述网络安全的下级指标包括：

(1)实体与环境安全：

①各基站是否有监控；②所有网元是否有防水、防火措施；③基站是否有防雷措施；④网元设备是否有UPS电源；⑤基站是否有专职看守；

(2)网络通信安全：

①5G通信加密强度是否符合国家标准；②重要通信线路与通信控制装置是否有备份；③网络与信息系统是否有完备的访问控制机制；

(3)软件与信息安全：

①操作系统及数据库有访问控制办法；②计算机是否专设强力杀毒软件；③对数据库及系统状态有监控设施；④是否采用有效用户身份识别方法；⑤系统用户信息采用异地备份。

所述建设经济性的下级指标包括：

(1)业务开通费用：

①计算平均业务开通内部收益率Income：

Income＝Z

式中：Z

②计算平均业务开通投资比值Invest：

Invest＝Z

式中：Z

(2)终端网络建设费用：

①计算平均建设比值Cr：

Cr＝Z

式中：Z

(3)核心网(切片)建设费用：

①计算投资压力P：

P＝Z

式中：Z

所述扩展灵活性的下级指标包括：

(1)5G扩展性：

①计算可增设业务流总数N

②计算增设5G基站数目N

(2)经济扩展性：

①计算单点增设投资Invest

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)基于实际生产实践判断同层中的因素对上一层的重要度，建立模糊判断矩阵R；设某一层元素集为A＝{A

(2)用判断公式检验矩阵的一致性，对不一致的矩阵进行调整使其满足一致性条件。若模糊判断矩阵R(r

r

则称模糊判断矩阵R(r

(3)按照模糊理论公式计算各元素对上一层的权重系数，r

(4)运用最小二乘法计算出各因素的权重值表达式，如式(13)所示。

以此类推直到得到最终的评价结果。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明提出一种基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法，可全面系统的对电力通信网的多业务5G应用方案进行科学评估，合理优化网络薄弱环节，降低通信故障概率，建设形成坚强健壮电力通信网系统奠定重要基础。

2、本发明采用模糊层次分析法将模糊法与层次分析法的优势结合，具有较强的评估一致性，体现可客观地量化评估业务融合方案的优越性。有效解决了传统影响5G应用方案的因素复杂多样，传统的分析方法人为主观影响较为严重的问题

附图说明

图1是本发明的融合方案评价指标体系图；

图2是本发明的方案一整体架构图；

图3是本发明的方案二整体架构图；

图4是本发明的雷达图对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于模糊层次分析法的电力多业务5G应用方案评估方法，包括以下步骤：

步骤1、构建电力多业务融合应用指标体系；

所述步骤1的具体方法为：分析融合应用方案影响因素，分别从业务性能匹配度、网络安全、建设经济性、扩展灵活性的四个方面构建电力多业务融合应用指标体系。

如图1所示，本发明的融合方案评价指标体系图，所述业务性能匹配度的下级指标包括：

(1)通信性能：

①根据融合应用方案运营商提供的典型帧结构，计算FDD/TDD免调度、SR调度模式中的最大三次重传空口时延t

D

式中：D

②利用带宽反映融合应用方案对海量电力业务的通信容纳能力，计算DU接入带宽占用率O，如式(2)所示：

式中：N为业务总数；T

③需要对融合应用方案的可靠性能进行验证，若可靠性较低则完全无法满足电力业务需求，通过计算误码率SER、丢包率L

R＝1-max{SER,L

(2)通信架构：

①分布式业务是指点对点/点对多点进行数据交互的电力业务，若规划方案中5G通信模式与业务需求不符，则该方案业务满足性较差；通过计算通信满足率Fill

Fill

式中：n

②集中型业务是许多通信节点需要与一个控制中心进行数据交互的业务，通过计算通信满足率Fill

Fill

式中：n

在本实施例中，分析融合应用方案影响因素，通过分析各种融合应用方案优劣性，归纳得到影响各应用方案5G融合的影响因素：业务性能匹配度、网络安全、建设经济性、扩展灵活性。进而深入分析各影响准则，又得到了各层次下的指标维度。输入融合应用方案根据各层次指标计算电力多业务融合应用指标，如图1所示：

计算业务性能匹配度准则下的指标

维度(1)：通信性能

①根据融合应用方案运营商(电信、联通)提供的典型帧结构，计算FDD/TDD免调度、SR调度模式中的最大三次重传空口时延t

D

式中：D

②利用带宽反映融合应用方案对海量电力业务的通信容纳能力，计算DU接入带宽占用率O，如式(2)所示。

式中：N为业务总数；T

③需要对融合应用方案的可靠性能进行验证，若可靠性较低则完全无法满足电力业务需求，通过计算误码率SER、丢包率L

R＝1-max{SER,L

维度(2)：通信架构

①分布式业务是指点对点/点对多点进行数据交互的电力业务，如火电站协调供能、分布式能源及精准负荷控制等，其具有独特的通信逻辑架。若规划方案中5G通信模式与业务需求不符，则该方案业务满足性较差。通过计算通信满足率Fill

Fill

式中：n

②集中型业务是许多通信节点需要与一个控制中心进行数据交互的业务，通过计算通信满足率Fill

Fill

式中：n

所述网络安全的下级指标包括：

(1)实体与环境安全：

①各基站是否有监控；②所有网元是否有防水、防火措施；③基站是否有防雷措施；④网元设备是否有UPS电源；⑤基站是否有专职看守；

(2)网络通信安全：

①5G通信加密强度是否符合国家标准；②重要通信线路与通信控制装置是否有备份；③网络与信息系统是否有完备的访问控制机制；

(3)软件与信息安全：

①操作系统及数据库有访问控制办法；②计算机是否专设强力杀毒软件；③对数据库及系统状态有监控设施；④是否采用有效用户身份识别方法；⑤系统用户信息采用异地备份。

在本实施例中，对网络安全进行评分，电力多业务与5G融合应用的关键前期在于确保电力业务能够安全可靠通信，信息子系统具有良好的安全防护性能。然而网络安全领域尚未有明确全面的评价指标能够对融合方案的安全性进行评价，因此考虑《计算机信息系统安全保护等级划分准则》，提取主要评分细则，对融合应用方案的安全性进行评分量化，若存在则加分，若不存在，则不加分。

维度(1)：实体与环境安全(30分)

①各基站是否有监控(5分)；②所有网元是否有防水、防火措施(5分)；③基站是否有防雷措施(5分)；④网元设备是否有UPS电源(10分)；⑤基站是否有专职看守(5分)。

维度(2)：网络通信安全(30分)

①5G通信加密强度是否符合国家标准(10分)；②重要通信线路与通信控制装置是否有备份(10分)；③网络与信息系统是否有完备的访问控制机制(10分)。

维度(3)：软件与信息安全(40分)

①操作系统及数据库有访问控制办法(10分)；②计算机是否专设强力杀毒软件(10分)；③对数据库及系统状态有监控设施(5分)；④是否采用有效用户身份识别方法(10分)；⑤系统用户信息采用异地备份(5分)。

所述建设经济性的下级指标包括：

(1)业务开通费用：

①计算平均业务开通内部收益率Income：

Income＝Z

式中：Z

②计算平均业务开通投资比值Invest：

Invest＝Z

式中：Z

(2)终端网络建设费用：

①计算平均建设比值Cr：

Cr＝Z

式中：Z

(3)核心网(切片)建设费用：

①计算投资压力P：

P＝Z

式中：Z

在本实施例中，计算建设经济性的指标：方案的建设经济性也是重要的评价要素，考虑大规模生产建设需要，在实际电力多业务与5G融合过程中应力求经济效益最优方案。

维度(1)业务开通费用

①计算平均业务开通内部收益率Income：

Income＝Z

式中：Z

②计算平均业务开通投资比值Invest：

Invest＝Z

式中：Z

维度(2)终端网络建设费用

①计算平均建设比值Cr：

Cr＝Z

式中：Z

维度(3)核心网(切片)建设费用

①计算投资压力P：

P＝Z

式中：Z

所述扩展灵活性的下级指标包括：

(1)5G扩展性：

①计算可增设业务流总数N

②计算增设5G基站数目N

(2)经济扩展性：

①计算单点增设投资Invest

在本实施例中，计算扩展灵活性准则下的指标：

维度(1)5G扩展性：

①计算可增设业务流总数N

②计算增设5G基站数目N

维度(2)经济扩展性：

①计算单点增设投资Invest

步骤2、基于步骤1所建立的电力多业务融合应用指标体系，对电力多业务融合应用方案进行评估；

在本实施例中，由于影响融合方案的因素复杂多样，传统的分析方法人为主观影响较为严重，而模糊层次分析法将模糊法与层次分析法的优势结合，具有较强的评估一致性。因此为客观量化评估业务融合方案的优越性，基于电力多业务融合应用指标，提出一种基于模糊层次分析法的应用融合方案评价方法。

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)基于实际生产实践判断同层中的因素对上一层的重要度，建立模糊判断矩阵R；设某一层元素集为A＝{A

(2)用判断公式检验矩阵的一致性，对不一致的矩阵进行调整使其满足一致性条件。若模糊判断矩阵R(r

r

则称模糊判断矩阵R(r

(3)按照模糊理论公式计算各元素对上一层的权重系数，r

(4)运用最小二乘法计算出各因素的权重值表达式，如式(13)所示。

以此类推直到得到最终的评价结果。

在本实施例中，为验证本发明的可行性与有效性，选取天津地区的电力业务与5G融合应用的方案集进行对比验证。首先建立了模糊一致性判断矩阵，如准则层的判断矩阵R

根据模糊层次分析法可得各指标权重如下：

表1评价体系各个指标权重计算结果统计

选择事先由诸多电力系统专家评定的具有典型特征的两个方案：

方案一：根据5G网络切片的智能电网控制业务逐渐多元化的需求和不同应用场景，部署适用不同的网络切片配置，如图2所示。

a.基于uRLLC(超高可靠低时延通信)的电力控制业务在基于5G网络的电力控制业务应用中，分布式电源电压控制、柔性可调负荷精确控制、故障切除等工作任务的执行均需要低延时、高可靠的通讯网络。在控制器连接端，可以将UPF部署在边缘，采用通道化承载切片连接UPF和5G基站，并在UPF附近部署移动边缘计算节点。

b.基于eMBB(移动宽带)的电力控制业务电力无人机视频巡检、供配电场站机器人巡检、视频人机交互和电力VR监控业务等对于视频流量提出很高的要求，必须通过局域5G切片把业务相关视频内容接入移动边缘计算节点进行初级处理，然后将处理结果传送到上级控制系统。对于现场应用移动性、连续性要求高的特点，还需要在设置网络切片时使用独立的AMF/SMF保障业务开展的稳定性。

c.mIoT类(物联)业务

基于5G网络的电力控制业务应用的物联网业务覆盖面广，对时延、带宽的要求较低，可以采用与现有通讯系统共享资源的模式部署，网络承载方面使用逻辑隔离，可有效降低网络建设运营成本和网络切片部署复杂程度。

方案二：负荷控制业务旨在汇聚社会各层级的海量可中断负荷资源，可以实现海量资源被唤醒、“源–网–荷–储”全交互、安全效率双提升的电网。通过在省公司侧部署可中断负荷调节功能主站，地市侧部署可中断负荷调节功能子站，用户侧开展秒级可中断负荷接入功能建设。电网供需出现较大缺额时，针对预先选定的可中断负荷签约用户下发负荷调节指令，实现秒级负荷调节，确保快速恢复电网供需平衡，保障电网稳定运行。负荷控制业务场景总体架构如图3所示，可中断负荷快速响应系统采用分层结构设计，系统分为主站层、地市子站层和用户接入层3个层级。3个层级间实现负荷模型、实时数据、调节策略的交互，共同完成事故发生时对可中断负荷的快速精准切除，其中负荷调节子站与负控终端间通信链路由电力通信专网与运营商5G虚拟专用通道共同组成。

利用雷达图将两种方法的准则层得分进行图像化表示。如图4所示，通过对这两种方案评分进行对比可知：专家评价较好的方案一得分远高于较差融合方案二的得分，其中各方案在业务性能匹配度与扩展灵活性方面的评分差异并不明细，主要区别在网络安全与建设经济性层面。因此未来电力多业务与5G应用方案应更加重视网络安全与建设经济性。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。