本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的P圈保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

為解決需求側(cè)資源與電網(wǎng)的雙向通信問題，自動需求響應(yīng)聯(lián)盟提出了開放式自動需求響應(yīng)(Open Automated Demand Response，OpenADR)規(guī)約。OpenADR規(guī)約定義了需求響應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)中虛擬頂端節(jié)點(diǎn)(Virtual Top Node，VTN)和虛擬底端節(jié)點(diǎn)(Virtual End Node，VEN)的概念，其中VTN負(fù)責(zé)發(fā)布包括電價、輔助服務(wù)和電網(wǎng)可靠性等電網(wǎng)信息在內(nèi)的需求響應(yīng)信號給VEN；VEN可根據(jù)需求響應(yīng)信號控制一系列資源和設(shè)備的電能需求。在需求響應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)中，某個節(jié)點(diǎn)既可以是VTN，也可以是VEN。OpenADR的通信交互在一個VTN和多個VEN之間進(jìn)行。在實(shí)際通信主體中，VEN代表小型商業(yè)負(fù)荷或大型工業(yè)負(fù)荷，VTN/VEN代表負(fù)荷聚合商、服務(wù)聚合商或變電站，VTN代表需求響應(yīng)自動化服務(wù)器(Demand Response Automated Server，DRAS)。VTN與VEN的通信鏈路構(gòu)成了需求響應(yīng)樹，其通信結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示。

需求響應(yīng)項(xiàng)目如緊急需求響應(yīng)(Emergency Demand Response,EDR)、尖峰電價(Critical Peak Price,CPP)等需求響應(yīng)信號的實(shí)時、可靠傳輸對區(qū)域配電通信網(wǎng)提出了更高的要求。自動需求響應(yīng)要求從需求響應(yīng)信號發(fā)出到設(shè)備響應(yīng)所用時間不超過5s，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，導(dǎo)致預(yù)約的需求資源因未能接收到需求響應(yīng)信號而無法及時響應(yīng)，將使電網(wǎng)承受極大的安全壓力。

P圈(Pre-configured Cycle，P-cycle)是一種高效的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，其主要思想是在網(wǎng)孔型光網(wǎng)絡(luò)中預(yù)先計(jì)算和配置一系列圈的連接，以保護(hù)一系列工作鏈路。P圈可以為圈上鏈路提供1條備用保護(hù)鏈路，為跨接鏈路提供2條備用保護(hù)鏈路。由于保護(hù)鏈路是預(yù)置的，P圈可以提供與環(huán)網(wǎng)保護(hù)類似的保護(hù)速度(50ms以內(nèi))，但其資源利用率比環(huán)網(wǎng)保護(hù)更高，可達(dá)到類似網(wǎng)狀網(wǎng)的保護(hù)效率，使得網(wǎng)絡(luò)中的冗余度下降到70％～50％。

電力通信網(wǎng)現(xiàn)有的1+1/1:1保護(hù)、區(qū)段保護(hù)及保護(hù)環(huán)僅適用于單故障線性保護(hù)，很難實(shí)現(xiàn)保護(hù)資源的復(fù)用，同時也不適用于多播保護(hù)。隨著電力通信網(wǎng)逐步由環(huán)狀網(wǎng)升級為網(wǎng)狀網(wǎng)，這些傳統(tǒng)的保護(hù)方式將無法適用于新的電力通信業(yè)務(wù)的保護(hù)。為了保護(hù)承載需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的多播樹，并提高保護(hù)資源的利用率，有必要探索其他高效的保護(hù)方案在電力通信保護(hù)中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決電力通信網(wǎng)保護(hù)資源利用率較低的問題，本發(fā)明提出了一種適用于電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的P圈保護(hù)方法，所述方法具體包括：

步驟1、輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，設(shè)定每條鏈路上的空閑容量，并將存放P圈的集合記為PC。根據(jù)業(yè)務(wù)多播請求，利用普里姆算法生成多播樹T，分解T，得到對應(yīng)的多播樹鏈路集合E_T；

步驟2、對于多播樹鏈路集合E_T中的每條鏈路，評價其重要度，并按照重要度由高到低的原則排列鏈路；

步驟3、判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在已配置的P圈，即PC集合是否為空，若PC不為空集，轉(zhuǎn)步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟6；

步驟4、將鏈路集合E_T中被P圈保護(hù)的鏈路移除，判斷E_T是否為空，若不為空，轉(zhuǎn)步驟5，否則轉(zhuǎn)步驟7；

步驟5、根據(jù)E_T中剩下的尚未被保護(hù)的鏈路，對PC集合中的P圈進(jìn)行邊擴(kuò)張，使得擴(kuò)張后的P圈能夠保護(hù)相應(yīng)的鏈路，然后從E_T中移除受到保護(hù)的鏈路。判斷E_T是否為空，若不為空，轉(zhuǎn)步驟6，否則轉(zhuǎn)步驟7；

步驟6、用寬度優(yōu)先搜索算法優(yōu)先為鏈路集合E_T中重要度最高的鏈路搜索備選P圈，計(jì)算P圈的保護(hù)效率PE，選出具有最大PE值的P圈。若所選P圈的所有圈上鏈路上存在空閑容量，則將此P圈加入集合PC，同時對PC中的P圈進(jìn)行合并，更新網(wǎng)絡(luò)中的空閑容量和鏈路集合E_T；若選出的P圈對應(yīng)圈上鏈路中一條或多條鏈路的空閑容量已經(jīng)耗盡，則將此P圈對應(yīng)的鏈路標(biāo)記為保護(hù)失效，并從鏈路集合E_T中移除該鏈路，即阻塞該鏈路。轉(zhuǎn)步驟4；

步驟7、輸出網(wǎng)絡(luò)中配置好的P圈集合PC，統(tǒng)計(jì)全網(wǎng)的資源使用情況，計(jì)算配置P圈數(shù)量、資源利用率和保護(hù)失效率。

所述步驟2中鏈路重要度α定義為：其中

這里n是多播請求中目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，l_i代表第i個目的節(jié)點(diǎn)d_i到源節(jié)點(diǎn)s的路徑，α是鏈路e在多播樹T中的重要程度，0<α≤1。

所述步驟5中邊擴(kuò)張算法的具體步驟為：

步驟501、判斷未被保護(hù)的鏈路a-b與待擴(kuò)張的圈p的位置關(guān)系。若a-b與p鏈路分離，則記為情形1，轉(zhuǎn)步驟502；若a-b與圈p僅有一個交點(diǎn)a，則則記為情形2，轉(zhuǎn)步驟503；

步驟502、分別查詢節(jié)點(diǎn)a，b到圈p的各個節(jié)點(diǎn)的鏈路的空閑容量，取空閑容量最大的鏈路l₁＝a-v作為擴(kuò)張邊，其中v是對應(yīng)的圈p上的節(jié)點(diǎn)。以b-a-v取代鏈路b-a，并將鏈路b-a-v視為與圈p僅有一個交點(diǎn)v的鏈路；

步驟503、查詢節(jié)點(diǎn)b到圈p上與交點(diǎn)a(情形1)或v(情形2)鄰接的節(jié)點(diǎn)u，w的鏈路的空閑容量，取空閑容量最大的鏈路l₂＝b-u作為擴(kuò)張邊，其中u是對應(yīng)的圈p上的節(jié)點(diǎn)。若為情形1，則以u-b-a取代圈p的鏈路u-a，并更新鏈路u-b和u-a上的空閑容量；若為情形2，則以u-b-a-v取代圈p的鏈路u-v，并更新鏈路u-b-a-v和u-v上的空閑容量。

所述步驟6中保護(hù)效率PE定義為：其中

這里p表示P圈，N表示圈p的圈上鏈路總數(shù)，c_i表示圈p的第i條圈上鏈路，M表示圈p的跨接鏈路總數(shù)，s_j表示圈p的第j條跨接鏈路，E_T表示多播樹的鏈路集。

所述步驟6中圈合并算法的具體步驟為：

步驟601、記合并后的P圈集合為P_new。取出集合PC中序號為1的圈p₁和序號為i的圈p_i(i的初值為2)，求p₁與p_i的相同邊集合S＝p₁∩p₂。若S中有一條相同邊，滿足合并條件，轉(zhuǎn)步驟602；則若S為空或S中不止一條相同邊，則不滿足合并條件，轉(zhuǎn)步驟603。

步驟602、將圈p₁與p_i合并為圈p_1,i，并從PC中刪除圈p_i，再以圈p_1,i取代圈p₁。求PC中P圈的數(shù)量n，若n>2，令i＝2，轉(zhuǎn)步驟601；否則轉(zhuǎn)步驟604。

步驟603、判斷圈p_i是否為PC中最末位的P圈，如果是，將圈p₁從PC集合中移存到集合P_new中，轉(zhuǎn)步驟601；否則令i＝i+1，轉(zhuǎn)步驟601。

步驟604將PC中僅剩的一個P圈移入集合P_new中，輸出合并后的P圈集合P_new。

有益效果

本發(fā)明將具有環(huán)網(wǎng)的倒換速率和網(wǎng)狀網(wǎng)的資源利用率的新型P圈保護(hù)方案應(yīng)用于電力需求響應(yīng)通信的多播鏈路保護(hù)中，根據(jù)多播請求生成最小距離多播樹，并為每條多播鏈路的重要性給出定量描述。在空閑資源受限的情況下優(yōu)先保護(hù)重要度最高的鏈路，避免了有限的空閑容量先保護(hù)了距根節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的鏈路，導(dǎo)致在保護(hù)距根節(jié)點(diǎn)較近的鏈路時無空閑容量可用的情況發(fā)生。同時利用寬度優(yōu)先搜索算法為鏈路搜索P圈，此后針對特定的鏈路和滿足合并條件的P圈，用邊擴(kuò)張和圈合并算法對已配置的P圈進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，不但可以減少所配P圈的數(shù)量，釋放相同邊上的空閑容量，減小保護(hù)失效的概率，而且擴(kuò)張或合并后的P圈中還可能存在新的跨接鏈路，從而大大提升了整個網(wǎng)絡(luò)保護(hù)容量的資源利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明為多需求響應(yīng)多播樹配置P圈主流程圖；

圖2為計(jì)算多播樹鏈路的重要度示意圖；

圖3為計(jì)算P圈對多播樹T的保護(hù)效率PE的示意圖；

圖4為邊擴(kuò)張算法示意圖；

圖5為圈合并算法示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種適用于電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的P圈保護(hù)方法，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

圖1是適用于P圈的電力需求響應(yīng)通信鏈路保護(hù)方法流程圖。具體包括：

步驟1、輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲO(shè)定每條鏈路上的空閑容量，并將存放P圈的集合記為PC。根據(jù)業(yè)務(wù)多播請求，利用普里姆算法生成多播樹T，分解T，得到對應(yīng)的多播樹鏈路集合E_T。

步驟2、對于多播樹鏈路集合E_T中的每條鏈路，評價其重要度，并按照重要度由高到低的原則排列鏈路。

步驟3、判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在已配置的P圈，即PC集合是否為空，若PC不為空集，轉(zhuǎn)步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟6。

步驟4、將鏈路集合E_T中被P圈保護(hù)的鏈路移除，判斷E_T是否為空，若不為空，轉(zhuǎn)步驟5，否則轉(zhuǎn)步驟7。

步驟5、根據(jù)E_T中剩下的尚未被保護(hù)的鏈路，對PC集合中的P圈進(jìn)行邊擴(kuò)張，使得擴(kuò)張后的P圈能夠保護(hù)相應(yīng)的鏈路，然后從E_T中移除受到保護(hù)的鏈路。判斷E_T是否為空，若不為空，轉(zhuǎn)步驟5，否則轉(zhuǎn)步驟7。

步驟6、用寬度優(yōu)先搜索算法優(yōu)先為鏈路集合E_T中重要度最高的鏈路搜索備選P圈，計(jì)算P圈的保護(hù)效率PE，選出具有最大PE值的P圈。若所選P圈的所有圈上鏈路上存在空閑容量，則將此P圈加入集合PC，同時對PC中的P圈進(jìn)行合并，更新網(wǎng)絡(luò)中的空閑容量和鏈路集合E_T；若選出的P圈對應(yīng)圈上鏈路中一條或多條鏈路的空閑容量已經(jīng)耗盡，則將此P圈對應(yīng)的鏈路標(biāo)記為保護(hù)失效，并從鏈路集合E_T中移除該鏈路，即阻塞該鏈路。判斷鏈路集合E_T是否為空，若不為空，轉(zhuǎn)步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟6。

步驟7、輸出網(wǎng)絡(luò)中配置好的P圈集合PC，統(tǒng)計(jì)全網(wǎng)的資源使用情況，計(jì)算配置P圈數(shù)量、資源利用率和保護(hù)失效率。

圖2是本發(fā)明中計(jì)算多播樹鏈路的重要度示意圖。

對于圖2中的VTN—VEN多播樹，一共有7條通信鏈路，底端VEN到頂端VTN共有n＝4條路徑，以α_i,j表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j對應(yīng)鏈路在多播樹中的重要度，分別計(jì)算各鏈路的重要度如下：

α_1,2＝3/4，α_1,3＝1/4，α_2,4＝1/4，α_2,5＝2/4，α_3,6＝1/4，α_5,7＝1/4，α_5,8＝1/4。當(dāng)兩條及以上的鏈路具有相同重要度時，不區(qū)分相互的排列順序。因此，按照鏈路重要度由高到低對各鏈路排列為①1-2、②2-5、③1-3、④3-6、⑤2-4、⑥5-7、⑦5-8。

圖3是本發(fā)明中計(jì)算P圈對多播樹T的保護(hù)效率PE的示意圖。

對于圖3中的p圈7-14-13-10-26-12-11-9-7(圖中黑色虛線)與樹T{1；3，4，5，6，8}(圖中黑色粗線，其中節(jié)點(diǎn)1是源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3，4，5，6，8是目的節(jié)點(diǎn))，P圈的鏈路總數(shù)為8；P圈的圈上鏈路中，屬于樹T的鏈路為{1-9，9-3，10-4，7-1}，共4條；P圈的跨接鏈路中，屬于樹T的鏈路為{1-10，10-5，10-6}，共3條。因此P圈對樹T的保護(hù)效率為PE＝(4+3×2)/8＝1.25。

圖4是本發(fā)明中邊擴(kuò)張算法的示意圖。

邊擴(kuò)張算法通過擴(kuò)張已配置的P圈以保護(hù)某些未被保護(hù)的鏈路。鏈路與P圈的位置關(guān)系有兩種：(1)鏈路與P圈有一個交點(diǎn)；(2)鏈路與P圈分離。為了保證在P圈擴(kuò)張后，受到擴(kuò)張前P圈保護(hù)的鏈路集合不至于失去保護(hù)，要求在擴(kuò)張節(jié)點(diǎn)和交點(diǎn)之間或兩個擴(kuò)張節(jié)點(diǎn)之間不能有節(jié)點(diǎn)。

在情形(1)中，P圈與鏈路a-b有交點(diǎn)a，先在P圈上搜索出a的鄰居節(jié)點(diǎn)u和v，再查詢鏈路b-u、b-v上的空閑容量，最終選取空閑容量最大的鏈路作為擴(kuò)張邊。每次邊擴(kuò)張時優(yōu)先選擇了空閑容量最多的鏈路作為擴(kuò)張鏈路，可以平衡地使用整個網(wǎng)絡(luò)的空閑容量，能夠有效避免在生成P圈后因某條鏈路空閑容量不足而使得該P(yáng)圈不可用的情況，進(jìn)而減小保護(hù)失效的概率。

如選擇u-b為擴(kuò)張邊，且u-b存在可用的空閑容量，則在原P圈中以u-b-a取代b-a，得到擴(kuò)張后的P圈。若b只與u，v中的一點(diǎn)鄰接，則直接將b-u選為擴(kuò)張邊。若b與u，v均不鄰接，則此P圈擴(kuò)張失敗，嘗試對下一個P圈進(jìn)行擴(kuò)張。當(dāng)PC集合中的P圈均不能針對鏈路a-b進(jìn)行擴(kuò)張時，則用寬度優(yōu)先搜索算法為a-b計(jì)算新的P圈。

情形(2)與情形(1)有所不同。情形(2)需要確定兩個擴(kuò)張節(jié)點(diǎn)。為此，先分別查詢節(jié)點(diǎn)a，b到P圈各節(jié)點(diǎn)的鏈路的空閑容量，再選擇空閑容量最大的鏈路為擴(kuò)張邊，例如此處選取a-v為擴(kuò)張邊，將連路段b-a-v視為b-v,此后情形2轉(zhuǎn)化為情形(1)，可用情形(1)中的擴(kuò)張算法確定另一條擴(kuò)張邊。若節(jié)點(diǎn)a，b與此P圈的節(jié)點(diǎn)均不鄰接，則考慮下一個P圈。若PC集合中的P圈均無法擴(kuò)張，則通過寬度優(yōu)先搜索算法為a-b計(jì)算新的P圈。

情形(1)中，擴(kuò)張P圈消耗了1個單位的空閑容量，同時保護(hù)了一個單位的空閑容量，也即保護(hù)效率PE計(jì)算公式中，分子和分母同時增加1，擴(kuò)張后P圈的PE值是增大的。情形(2)中，擴(kuò)張P圈消耗了2個單位的空閑容量,雖然只保護(hù)了1個單位的空閑容量,但引入了兩個新的節(jié)點(diǎn)，使得產(chǎn)生新跨接鏈路的概率大為增加，因此擴(kuò)張后PE值會增大，最壞情況下(沒有產(chǎn)生新跨接鏈路)PE也只是略有下降。

圖5是本發(fā)明中圈合并算法的示意圖。

圖5中，圈p₁為1-2-6-7-8-1，圈p₂為2-3-4-5-6-2-6，p₁與p₂有且僅有一條共同邊2-6，即p₁與p₂互為對偶圈，滿足合并條件。合并后的圈p為1-2-3-4-5-6-7-8-1。合并后，鏈路2-6占用的2個單位的空閑容量得到釋放，這些空閑容量可以在配置新的P圈時得到利用；此外，若網(wǎng)絡(luò)中存在p₁上的節(jié)點(diǎn)與p₂上的節(jié)點(diǎn)直接相連的情況(如圖中鏈路1-5、4-7)，則合并后P圈的跨接鏈路數(shù)會超過p₁與p₂的跨接鏈路數(shù)之和，這將大大提升所配空閑容量的利用率。

以上是對兩個P圈進(jìn)行合并的場景。為了合并P圈集合PC＝{p₁,p₂,p₃…p_n}中的多組對偶圈(這里p_i表示P圈集合中第i個P圈)，設(shè)計(jì)如下算法，其中合并后的P圈存放于集合P_new中。

嘗試合并PC中序號為1的圈p₁與下一個圈p₂，若能將p₁、p₂成功合并為p_1,2，則先從PC中刪除p₁、p₂，再將p_1,2存入PC的首位；若合并失敗則嘗試合并p₁與p₃，合并成功則執(zhí)行上述刪存操作，失敗則轉(zhuǎn)下一個圈p_i。若所有的p_i(i≥2)圈均無法與p₁合并，則將p₁從集合PC移入集合P_new。重復(fù)上述過程，直至PC中只剩1個圈，無法再進(jìn)行合并，則將此圈移入集合P_new，算法結(jié)束。