電力信息物理系統無線通信網等價多路徑動態控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電力信息物理系統優化數據傳輸方法，特別是涉及一種電力信息 物理系統無線通信網等價多路徑動態控制方法。
【背景技術】
[0002] 電力信息物理系統（CyberPhysicalSystem，CPS)是基于嵌入式設備的高效能 網絡化智能信息系統，它通過一系列計算單元和物理對象在網絡環境下的高度集成與交 互來提高系統在信息處理、實時通信、遠程精準控制以及組件自主協調等方面的能力，是 時空多維異構的混雜自治系統；CPS在功能上主要考慮性能優化，是集計算、通信與控制 3C(Computation，Communication，Control)技術于一體的智能技術，具有實時、安全、可靠、 高性能等特點；相較于現有的實時嵌入式系統和網絡控制系統，CPS關注資源的合理整合 利用與調度優化，能實現對大規模復雜系統和廣域環境的實時感知與動態監控，并提供相 應的網絡信息服務，且更為靈活、智能、高效。
[0003] 電力CPS是將CPS技術引入智能電網，結合CPS系統體系架構，構造電力CPS體 系結構；電力CPS主要由大量的計算設備、數據采集設備和物理設備組成；這些設備又通過 2個大型網絡互連；其中，各種信息設備通過通信網絡相互連接，而各種物理設備則通過輸 電、配電網絡相互連接；電力CPS不同于常見電網控制體系的特點是：電力CPS具有遠大于 智能電網的信息采集范圍；電力CPS的通信網絡是有線網絡和無線網絡的結合；電力CPS 中包括大量分布式計算設備；在電力CPS中，各種負荷設備和分布式電源也與控制中心聯 網并可以由控制中心直接控制。
[0004] 隨著電網不斷發展，使得具有電力流、信息流和業務流高度融合的電力CPS的運 行和控制策略更加復雜，從電能協調控制到電力市場運營所需交互的大量業務流信息都需 要經電網通信網絡進行傳輸，使得電網正常運行對通信網的依賴程度越來越高；電力CPS 的通信網絡可由電力系統專用有線網絡、一般有線網絡和無線網絡3個部分組成；電力系 統專用有線網絡一般用于連接控制中心和系統中的傳感/控制設備；由于電力系統對于分 析和控制的實時性要求很高，建立專用網絡有助于降低通信延遲和提高信號傳輸可靠性； 有線網絡可用于連接非關鍵設備如部分計算設備、備份數據鏡像等；無線網絡可用于連接 部分活動的設備如電動汽車等，也可用于連接系統中的無線傳感設備；其中，無線通信網絡 由于其本身具有成本低、可擴展性好等特點，尤其使得配用電終端設備通信更加方便從而 在電力CPS中廣泛應用。
[0005] 電力CPS作為多層且層與層之間相互耦合的復雜互聯系統，無線通信網絡是其重 要組成部分，如何運用先進的無線通信技術是構建電力CPS的關鍵；且電力CPS具有大數 據量的結構化數據、非結構化數據，如何合理傳輸分配這些數據，充分利用無線通信網絡有 限的網絡帶寬，避免鏈路瓶頸實現通信負載均衡成為無線通信網絡在電力CPS中應用的關 鍵；合理分流流量，實現負載均衡是提升網絡承載能力的有效方法；負載均衡是指將網絡 中的業務流量建模成可調變量，將其按一定的規則進行分割，通過合理的路由算法并行傳 遞數據，實現網絡資源的有效利用；而傳統的單一路徑算法，不能保證電力CPS無線通信網 絡整體通信的路由可靠性和信息傳遞的時延性。
[0006] 等價多路徑（EqualCostMulti-Path，ECMP)技術是當源、目的節點之間存在不 止一條最短路徑時，能同時使用多條最短路徑，并在多條路徑之間合理分配網絡負載；ECMP 為業務提供下一跳路由選擇的等價多條最短路徑，并將流量均衡分配于這些路徑中，實現 負載均衡；如果使用傳統的路由技術，發往該目的地址的數據包只能利用其中的一條鏈路， 其它鏈路處于備份狀態或無效狀態，并且在動態路由環境下相互的切換需要一定時間；等 價多路徑路由協議可以在該網絡環境下同時使用多條鏈路，不僅增加了傳輸帶寬，并且可 以無時延無丟包地備份失效鏈路的數據傳輸；常用的求解ECMP問題的方法一般將ECMP路 由問題抽象為一個混合整數規劃（MIP)數學模型等；在這些傳統ECMP流量分擔研宄中，基 于網絡中全部路由節點都具備ECMP功能成為主體；然而，全網節點開通ECMP功能并非能達 到最優負載均衡，在實際電力CPS無線通信網絡中，如果全部開通ECMP不僅會增加網絡控 制信息開銷，反而會增大區域負載，形成網絡擁塞；因此，若將ECMP技術應用于電力CPS無 線通信網絡中，需要更新傳統ECMP模型及對應的相關負載均衡算法。

【發明內容】

[0007] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種可以用于電力CPS無線通信網絡多約束 優化模型，針對該模型提出一種對應的動態配置ECMP最優負載均衡算法的電力CPS無線通 信網絡等價多路徑動態控制方法。
[0008] 電力信息物理系統無線通信網等價多路徑動態控制方法，具有如下特點：針對電 力CPS無線通信網絡建立多約束優化模型，模型在傳統ECMP模型的基礎上，結合電力CPS 無線通信網絡結構特性，提出動態配置ECMP模型；模型將流入無線通信節點流量等于流出 節點流量作為業務守恒約束，無線信道帶寬上限作為鏈路容量約束，以最大鏈路利用率最 小化為目標函數建立電力CPS無線通信網絡多約束優化模型；在此模型的基礎上提出動態 配置ECMP最優負載均衡算法（DECMP)，實現網絡負載均衡，得到電力CPS無線通信網絡最優 網絡傳輸性能。
[0009] 本發明的電力CPS無線通信網等價多路徑動態控制方法，動態選擇需開通ECMP節 點，實現電力CPS無線通信網絡更優負載均衡；與設定所有節點都具備ECMP功能的傳統模 型相比，本發明方法將減少網絡內控制信息開銷，減少特定區域的通信負載，使電力CPS無 線通信網絡運行達到更優負載均衡。
[0010] 本發明針對電力CPS應用中業務不斷增長，研宄無線網絡流量分擔和負載均衡， 形成電力信息物理融合系統CPS無線通信網等價多路徑動態控制方法，動態控制方法提出 一種動態選擇開通ECMP算法DECMP;DECMP算法依據最大鏈路使用率max(%)和節點度匕判 定優先級，動態選擇需開通ECMP節點；算法將流入節點流量等于流出節點流量作為業務守 恒約束，鏈路帶寬上限作為鏈路容量約束，以最大鏈路利用率最小化為目標函數，建立多約 束優化模型，采用動態選擇貪婪算法求解，以獲取最優網絡傳輸性能；仿真結果表明DECMP 算法比已有基于鏈路繁忙趨勢值（pathpotentialvalue，PPV)的等價多路徑路由選擇算 法有效降低最大鏈路使用率，消除網絡局部擁塞隱患，并且減少傳輸延時和網絡資源消耗， 提升網絡傳輸性能。
[0011] 本發明的電力CPS無線通信網等價多路徑動態控制方法，包括如下幾個階段： (1)建立動態配置ECMP模型； 將電力CPS無線監測和信息采集終端設備抽象為節點，V= {vl，v2,…，vn};將可通信 的各設備間無線信道抽象為鏈路邊集，E= {el，e2,…，en};則電力CPS系統數學建模為有 向賦權圖G= (V，E)，其中每個節點（監測和信息采集終端設備）有唯一標識符，vi，i= 1，...，n為通信節點，具有信息采集和數據轉發功能，V中各節點的有效傳輸距離X。相等， 貝1」已={6|〇(^，￥15)彡入(|，￥』，￥ 15￡￥};且相鄰節點￥1￥1^共享同一無線介質，節點的信息 發射功率：
(1) 式中a為發射功率參數，依據實際網絡節點發射模塊類型決定。
[0012] 當A eF，M(v,)= 為網絡節點Vi的狀態向量，其中Eg $ v i的當前能量， 定義當Egi<a/A/時節點vi失效；kv節點度（vi的最大鄰節點數），Sk為節點ECMP控制開關；
(2) 當義('4)￡￡，￥(￡,) = {0^)，1^?，1々,)}為鏈路4上量度函數集；(^(6):(帶寬函 數）鏈路ei帶寬上限；Me_(ei):(費用函數）經過鏈路&所消耗網絡費用；y_(ei):(延 時函數）經過鏈路4所需最大延時。
[0013] 并且定義網絡傳輸業務矩陣F= {fst|源目的節點對vs，\間的業務 量，vs，vtGV};則業務守恒約束和鏈路容