电力通信网是保证电力系统安全稳定运行的通讯网络，是电网管理、调度自动化和管理现代化的基础。目前电力通信网正常运行模式下的风险管理、预警和评估已经逐步完善并广泛应用，但是针对N − X检修模式下的风险预警并未加以考虑。因此，本文首先简述了研究现状，接着提出应用需求与应用场景，然后详细描述了关于电力通信网N − X检修模式下的风险防范预警算法，包含检修处理、恢复两大模块，计算得到不可再检修的节点设备和链路。如果用户对风险节点设备或链路提出检修需求，即提示业务中断。最后在文末阐述了对未来的展望，分析了电力网和通信网的混合综合仿真及其相互的影响与风险。 Power telecommunication network is not only a communication network ensuring the safe and stable operation of power system, but also the basis of the power grid management, dispatching automation and management modernization. Currently the risk management, risk early-warning and risk assessment of power telecommunication network in normal operation mode have been gradually perfected and widely used. But risk early-warning in N − X maintenance mode hasn’t got the researchers’ concern. Therefore, the paper does some work in this aspect, mainly including: briefly introducing the research status, putting forward the application requirements and the application scenarios, detailing a risk prevention warning algorithm in N − X maintenance mode, analyzing the hybrid simulation of power grid and telecommunication network and their mutual impact and risk, and in the end, prospecting for future development. The algorithm contains two modules: maintenance and recovery. Firstly we get the node devices and links which can’t be maintained any more by calculation, and then if the user has demand for repairing risk node devices or links, system will raise service interruption alarm.
黄汉华1，蒋烨1，陈炳伟2
1广西电网公司电力调度控制中心，广西 南宁
2北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京
收稿日期：2017年3月12日；录用日期：2017年3月27日；发布日期：2017年3月30日
电力通信网是保证电力系统安全稳定运行的通讯网络，是电网管理、调度自动化和管理现代化的基础。目前电力通信网正常运行模式下的风险管理、预警和评估已经逐步完善并广泛应用，但是针对N − X检修模式下的风险预警并未加以考虑。因此，本文首先简述了研究现状，接着提出应用需求与应用场景，然后详细描述了关于电力通信网N − X检修模式下的风险防范预警算法，包含检修处理、恢复两大模块，计算得到不可再检修的节点设备和链路。如果用户对风险节点设备或链路提出检修需求，即提示业务中断。最后在文末阐述了对未来的展望，分析了电力网和通信网的混合综合仿真及其相互的影响与风险。
关键词 :电力通信网，检修模式，N − X，风险预警
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电力通信网是承载智能电网信息交互业务的通信专网，是支撑智能电网生产管理的信息平台，是智能电网发展的重要基础设施 [
已有的研究工作大多应用于电力通信网静态、正常运行方式下的风险分析和计算，得出网络健康度和脆弱性等参数，而并没有针对动态、基于检修模式下的通信网运行方式、运行风险进行评估，给出预警。
然而，电力通信网的检修是日常运维中的例行工作，运维人员在发现故障后或根据例行检修任务进行检修，使业务运行在备用路由上；或者在修复已有的故障后恢复业务正常使用。在大多数情况下，电力通信网皆处于N − X的检修状态。目前，电力通信网风险管理主要采用自愈环保护、独立双通道保护等技术实现风险控制 [
本文所做的工作主要目的是设计一种电力通信网N − X检修模式下的风险预警机制。首先简述了电力通信网风险预估的研究现状，接着描述了应用需求与应用场景，然后详细阐释了关于电力通信网N − X检修模式下的风险预警算法，最后在文末表达了有关电力通信网未来发展方向的期望。
目前，电力通信学术界和部分电网企业在电网风险评估的基础上，开展了通信网风险定性分析和定量评估的研究 [
综上所述，已有的研究工作大多应用于电力通信网静态、正常运行方式下的风险分析和风险评估，得出风险值，而未针对动态、基于N − X检修模式下的通信网运行方式、业务路由风险进行分析，给出防范预警。
电力通信网主要由光缆网、SDH传输网、业务网和支撑网等构成，其中光缆网和SDH传输网是风险的主要承受对象 [
在检修条件下，可通过检修确定链路或节点设备A处在检修状态，业务路由发生变化，给出所有不能再检修的链路和节点设备，如N − 1业务的备用路由涉及的节点设备和链路就不能再检修。对于承载业务重要程度较高、承载业务较重的光缆和通信设备的检修工作，应满足N − 2条件后方可实施检修。同时，也可以在检修时，给出受影响的业务的备用路由建议，即在备用路由中给出建议。
目前，在大部分电力公司运维范围内的220 kV及以上光缆和光传输系统都具备上述要求，满足N − 1。随着光缆网络的逐年完善，网架结构不断坚强，大部分光缆区段满足N − 2。以下是N − 1和N − 2业务路由简易图，如图1和图2。
假设应用场景是运维检修人员在实际检修前，先在系统中模拟进行N − X检修，系统可给出不可再检修的设备和链路的风险防范预警，在风险预警的指导下，检修人员便可事先做好防范措施，规避风险，并且可以安排好设备或链路的检修顺序，有效地降低检修作业对电力通信网产生的风险。
分析处理的对象，或者说输入的数据是电力通信网业务路由分布的网络拓扑图，可以简化为无向图，有点V和边E构成，代表具体的设备和链路。每一个业务的每条路由都是由点V集合和边E集合组成。
针对N − X检修模式下的可恢复的设备和链路的风险防范预警，这里需要处理2类有风险的业务路由：
定义1：0备用路由：业务只有一条正在承载运行业务的主路由，没有备用路由，则主路由一旦某处检修，业务必然中断。
定义2：n + 1重合路由：业务有一条主路由和若干条备用路由，但是主路由和所有的备用路由都经过了同一处点V或边E，则重合处一旦检修，业务必然中断。
图1. N − 1业务简易路由图
图2. N − 2业务简易路由图
针对第一类情况，直接给出0备用路由业务列表及对应主路由，如果用户提出检修需求，即提示业务中断。
针对第二类情况，给出n + 1重合路由业务列表及重合处。如果用户提出重合处检修需求，即提示业务中断。
· 数据结构设计
现规定：主路由：正在承载业务i的路由，有且只有一条。
备用路由：业务i的备用路由，可以成为主路由，路由条数0~n。
检修路由：被检修人员选中了点或边后，业务i无法使用的路由，路由条数0~n，检修完毕(可恢复)后成为备用路由。
数据库中根据数据结构设计的存储信息的表格见表1。
主路由类：主路由的边和点的集合，{Vi}、{Ej}
备用路由类：备用路由的边和点的集合，{Vi}、{Ej}
检修路由类：检修路由的边和点的集合，{Vi}、{Ej}
每条检修路由有一个检修处的数量统计bad_num(>=1)
业务类：service_num总的业务数量
Number业务编号
main_route主路由
flag标志具体一条业务的主路由的有无，1为有，0为无
意义在于当检修任务涉及到业务的主路由时，算法可以立即判断并给出反应。
backup_route备用路由
backup_num具体一条业务的备用路由数(0~n)
repair_route检修路由
repair_num检修路由数(0~n)
路由类：vertex[
edge[
· 算法流程
1) 导入业务路由表信息，存入设计的数据结构中；
| 主路由 | 备用路由 | 检修路由 | |
|---|---|---|---|
| 业务1 | {Vi}, {Ej} | 无 | {Vi}, {Ej} {Vi}, {Ej} |
| 业务2 | {Vi}, {Ej} | {Vi}, {Ej} | 无 |
| 业务3 | {Vi}, {Ej} | {Vi}, {Ej} {Vi}, {Ej} | {Vi}, {Ej} {Vi}, {Ej} |
| 业务4 | {Vi}, {Ej} | {Vi}, {Ej} {Vi}, {Ej} | {Vi}, {Ej} |
| …… | |||
| …… |
表1. 数据库中存储信息的表
2) 遍历所有业务，检索出第一类0备用路由，即backup_num = 0的业务，打印标红其主路由；检索出第二类n + 1重合路由的业务的重合处V或E，并打印标红；
3) 等待检修人员选择一处V或E检修或恢复，判断选择可检修处检修，还是选择检修处恢复，即检修完毕，并将选择的V或E赋值给X。如果是检修，转4)；如果是检修完毕，转5)；
4) 检修处理模块，处理完毕后转至2)；
5) 检修完毕，恢复模块，处理完毕后转至2)。
· 主流程图
算法主流程图如图3。
· 检修处理模块
该模块处理选择检修后产生的相应主路由、备用路由、检修路由的变化。为分析N − X风险预警做准备。
用X匹配业务路由表，按业务编号的顺序依次检索。如果是业务i主路由中有，则将主路由移入检修路由，并且其bad_num = 0，flag = 0表示业务i缺少主路由；如果是业务i备用路由中有，则将备用路由移入检修路由，并且其bad_num = 0；如果是业务i检修路由中有，则其bad_num + 1。移动完路由后，如果业务i的flag = 0，缺少主路由，则让检修人员在业务i的备用路由中选择一条移入主路由(这里，可以结合风险评估模块给备用路由计算风险值，按风险值从小到大的顺序给出)。在移动路由的同时，要更新相应的数据，如backup_num, repair_num, bad_num。处理完毕后转至2)。
算法检修处理模块流程图如图4。
图3. N − X算法主流程图
图4. N − X算法检修处理模块流程图
· 检修恢复模块
该模块处理选择恢复后产生的相应主路由、备用路由、检修路由的变化。为分析N − X风险预警做准备。
用X匹配路由表的检修路由，按业务编号的顺序依次检索。检修路由：(bad_num >= 1)第一种情况bad_num = 1：则路由恢复正常，移回备用路由，bad_num = 0；第二种情况bad_num > 1：则路由依然无法使用，bad_num − 1。在移动路由的同时，要更新相应的数据，如backup_num, repair_num, bad_num。处理完毕后转至2)。
算法检修恢复模块流程图如图5。
由电力通信网实际的业务分布图简化出的网络拓扑图，总共有12个点，即12个设备，14条边，即14处链路。如图6。
图5. N − X算法检修恢复模块流程图
分布在图6所示的网络拓扑图上的3条业务，具体的主路由、备用路由、检修路由信息见表2。
首先分析得出的是不可以检修的点和边，其次用户输入检修处，最后给出检修处导致的不可再检修的点和边。程序运行后的效果展示图如图7。
图6. 业务分布拓扑图
图7. 程序运行效果图
| 主路由 | 备用路由 | 检修路由 | |
|---|---|---|---|
| 业务1 | V1, E2, V5, E7, V8, E10, V10 | (1) V1, E1, V4, E9, V10 | 无 |
| 业务2 | V2, E3, V5, E7, V8, E11, V11 | 无 | 无 |
| 业务3 | V3, E6, V7, E8, V9, E14, V12 | (1) V3, E5, V6, E13, V12 (2) V3, E4, V5, E7, V8, E12, V12 | 无 |
表2. 业务分布路由表
本文完成的是电力通信网在N − X检修模式下的风险防范预警，而电力通信网与电网之间的关系是密不可分的，电力通信网是实现智能电网的重要基础设施。随着电网系统的不断发展，充分的考虑通信技术在电网系统当中的重要作用，规划功能比较齐全的、体系比较完整的电力通信网络是十分有必要的 [
已有的研究表明，无论是电力系统本身，还是通信系统中的部件发生故障或是被攻击，都可能导致整个耦合网络的连锁故障 [
a) 电力系统本身的检修风险
b) 电力系统的检修引起的通信系统的风险
c) 通信系统本身的检修风险
d) 通信系统的检修引起的电力系统的风险
针对a)和c)已有了大量的研究，在此不再讨论，主要考虑b)和d)在未来双结合仿真平台中的展望。基于未来电网和通信网的综合仿真，可以刻画和分析电力和通信混合系统中连锁故障的发生过程，我们可以先考虑风险故障的关联。
图8. 双结合系统仿真平台图
首先是b)电力系统的检修引起的通信系统的风险：
基于未来双结合系统的实现，可以将类似OPGW(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire)光缆，兼具地线与通信双重功能，即兼具电力网与通信网功能的设备检修工作，使用系统来完成。可以更好地模拟电力一次线路特色检修时，通信网络侧需要完成的工作流程和电力侧需要配合的事宜。当OPGW复合光缆电力侧即地线需要检修时，势必会影响到通信侧的信号传输，这时候就需要考虑好业务路由调整、恢复过程等问题，找出电力系统检修时，通信系统所需要承担的风险，提前做好风险防范预警工作，可以保障整个耦合网络的安全稳定运行。
其次是d)通信系统的检修引起的电力系统的风险：
通信系统检修会对电力系统产生影响，比如电网调度和稳定运行控制等方面。具体通信网设备检修与电网事故之间的业务关联性如图9。
通信光缆故障或者信息网络故障所导致的设备故障，业务不可用等，进一步可能会影响到电网的正常运行，进而导致电网事故事件的发生。具体的与通信网安全事件相关的电网事件包括保护通道中断，安稳，继电保护等关键业务通道中断，时间不同步，导致输电系统双极闭锁，安稳系统失灵等。
有了针对电力通信网业务路由N − X检修模式下的风险防范预警，我们在未来的双结合系统中就可以考虑具体到一个风险业务对应的电力网风险事件，这样可以做好电力通信网和电力网的双重风险预警。基于电力通信网N − X检修模式下得到的风险路由业务，得出电力网风险事故事件，做好风险防范准备。
本文提出了电力通信网N − X检修模式下可恢复的风险防范预警算法，可以处理任何的电力通信网业务路由分布拓扑图，分析并呈现对全网设备或光缆执行检修操作后不能再检修的光缆和设备，呈现风险预警详细信息，分析业务检修前后的路由变化情况和风险值的变化情况，呈现风险评估详细信息。可以方便检修人员在模拟平台上模拟N − X检修的时候，给出所有业务潜在的路由风险，并告知检修人员做好风险防范，这具有重大的实际意义。
图9. 业务关联性分析流程图
未来的研究工作包括数据结构、算法时间复杂度等性能层面的优化和细化。电力通信网有许多的网络，除了业务路由风险之外，我们仍然有许多的风险情况需要考虑。另外，对于不能检修的业务路由未来可以考虑加入路由规划算法，当场配置一条备用路由，接下来业务路由便可以正常检修。
在论文完稿之际，谨对在本文的撰写过程中，给予过帮助的好人们，表示深深的感谢！
最后衷心感谢在百忙之中评审论文的各位！
黄汉华,蒋 烨,陈炳伟. 电力通信网检修模式下的风险预警机制 The Risk Early-Warning Mechanism in Maintenance Mode of the Power Telecommunication Network[J]. 计算机科学与应用, 2017, 07(03): 262-273. http://dx.doi.org/10.12677/CSA.2017.73033