耦合电网业务约束条件的电力通信故障检修辅助决策的实现

编者按

为适应一次能源与电力负荷逆向分布的国情，中国采用远距离交直流特高压输电技术成为必然选择，可再生能源大规模并网，电网大规模、高复杂度发展，加深了通信网与电网的物理网络融合，形成两网相依系统。对于特高压线路、重要输电断面线路等线路的通信通道保障十分重要。原有末端接入的火电厂普遍光缆网架薄弱，高比例新能源以风火打捆形式接入，对于火电厂送出线路通信可靠性保障要求提高。通信网的故障，无论是发生在特高压通信系统，还是发生在500 kV通信网络、电厂送出线路通信网络等，都可能会造成大范围电网业务通道受到影响，严重时直接影响电网安全。

《中国电力》2024年第12期刊发了何天玲等撰写的《耦合电网业务约束条件的电力通信故障检修辅助决策的实现》一文。文章主要关注重要性高、实时性要求高的骨干光缆网架和传输系统（简称通信网），考虑电力系统与通信系统的交互耦合作用，通过对电网重要业务的多场景中断研判分析，以及满足多约束条件的业务迂回恢复，研究开发了电力通信故障检修辅助决策平台。在电力通信网大规模故障下，可以实现电网业务快速、更多地恢复。

摘要

高比例新能源、交直流特高压远距离输电、高比例电力电子的应用给现有技术带来挑战的同时，也对电力通信网的调度运行管理提出了更高的要求。电网与电力通信网是典型的相依网络，通信网发生故障，特别是高重要度节点故障，不仅对通信自身网络系统造成严重影响，还会影响其相依网络，引发连锁故障。为此，首先总结通信网与电网业务耦合分析面临的挑战，然后提出判决通信网故障检修对电网业务影响的分析模型，以及受影响业务恢复模型，开发形成一种耦合电网安全的通信网与电网协同辅助平台，实现N-X及多维度故障检修场景下的自动化分析计算。最后以某区域骨干光缆网架和传输系统为实际场景进行验证，达到预期效果，有效提升了极端场景下通信网快速响应能力。

01

通信网络及业务运行方式特征

1.1  光路互备机制

当光传输网中两站点间具备双光缆条件时，为提高该段传输链路的可靠性，通常建立复用段保护（multiplex section protection，MSP）1+1主备光路。当其中任意一条光缆中断（N-1）时，主备光路间瞬时切换，所承载业务一般不受损失。

1.2  业务通道互备机制

随着不断发展，该区域继电保护业务通道配置形式有单通道、内置式双通道、外置式双通道3种。1）单通道：当保护装置为单口时，通常每套线路保护各对应一条通道；当该通道中断，该套保护停运；2）内置式双通道：当保护装置具备A/B口时，每套线路保护对应两条通道，互为主备。3）外置式双通道：当保护装置为单口配置，但保护装置与通信设备之间配置有2 M切换装置时，实现双通道主备运行。

安稳业务通道配置形式有单通道、外置式双通道、单通道子网连接保护（subnetwork connection protection，SNCP）形式。其中，单通道、外置式双通道与继电保护通道运行机制相同。SNCP即在原通道基础上增加保护，实现“双发选收”的互备机制。

由此可见，通信方式的安排具有多样性，当发生通信N-1、N-X等故障时，对电网业务影响程度多样，单纯从通信通道中断不能简单判断为电网业务中断，带来分析计算上的复杂性。当制定受影响业务迂回方案时，N-1独立性校核等面临较大挑战。因此，亟须提供一种高效的分析手段，通信网故障检修的智能化分析成为必然趋势。

02

基础分析算法

2.1  通信网与业务信息流建模

通信网的连接关系可以通过邻接矩阵描述， 其元素为

重点关注故障传输段的光路及经过的业务信息流。

1）关注故障传输段的光路。故障传输段的连接状态可以通过矩阵描述，其元素为

2）关注故障传输段关联的业务信息流。以主备路由建立信息流与故障区段的连接关系，主备路由邻接矩阵分别为

式中：i，j表示节点i与j直接连接；上标

2.2  影响业务分析模型

采用故障树的分析思路，建立树形结构，如图1所示。

图1  故障事件示意

Fig.1  Schematic diagram of fault event

2.2.1  光路及关联通道中断的判别

当该传输区段发生N-1故障时，须判断该区段传输链路是否具备光纤1+1复用保护机制。当具备主备光路时，故障发生后可瞬时切换，光连接不中断，关联通道均不受影响。当该传输区段发生N-2故障时，主备光路全部中断，关联通道全部中断。

发生故障或检修的传输区段的方式矩阵为

式中：r₁为主用光路；r₂为备用光路。存在则为1，不存在则为0。

发生故障或检修的传输区段的故障矩阵为

式中：h₁为主用光路中断情况；h₂为备用光路中断情况。中断则为1，不中断则为0。

光路中断判别可根据其路由矩阵与故障矩阵的Hadamard积后的所有元素求积得到，即

当故障区段的光连接未中断时，D_ij=0，与其关联的所有通道不中断。

当故障区段的光连接中断时，D_ij=1，与其关联的所有通道中断。须开启业务中断情况分析。

2.2.2  业务中断的判别

当某通道因故障发生中断时，其关联的业务存在中断、瞬断2种情况。1）当该套线路保护装置具备A/B口、2 M切换条件时，其中一条通道因故障中断，瞬时切换至备用通道，业务不受影响。2）当该套线路保护单通道，通道故障业务随之中断。

业务主、备路由的中断判别可根据其路由矩阵和与故障矩阵的Hadamard积后的所有元素求和得到，即

2.2.3  电力调度生产业务停运的判别

保护、安控装置等均双套配置实现互备，考虑通信网发生N-X，双套业务存在同时中断的可能性。以继电保护业务为例：当因通信网故障，造成两套继电保护业务均中断时，线路保护将停运；当因通信网故障，造成其中一套继电保护业务中断时，线路单保护运行，线路正常运行。

式中：T_k表示某条电力线路（

综上，上述判决模型作为影响业务分析的关键约束。基于0-1变量实现对应故障树层级下业务中断与否的判决。

2.3  受影响业务恢复模型

在电力通信网络发生大规模故障后，都须对受影响业务制定迂回方案，保证通信网非正常方式下，各业务正常运行。

2.3.1  重载约束模型

若发生大规模通信网故障，受影响的业务通道可能多达数百条。通道的迂回路由若均安排在同一链路，将造成该区段链路重载，过多的保护、安控业务集中在同一区段链路风险较大，同时迂回路由所在链路可能面临带宽资源耗尽的问题。迂回路由须遵循一定的重载约束条件，即

式中：f(k)为该保护或安控业务的重载权重；T为链路的重载约束；A_k为迂回路由经过该段链路的判决，经过为1，不经过为0。

2.3.2  带宽约束模型

迂回路由所在链路应遵循一定的带宽约束条件，即

式中：A_mn表示通信业务通道表示失效业务通道

2.3.3  独立性校核模型

某光缆中断检修，如制定的保护、安稳业务等迂回方案不恰当（重路由），严重时会造成某地区80%电力用户供电中断风险。迂回方案重路由校核工作量大。

设主用路径为，备用路径为。主用路径的点集V₁={P_i|i∈} ，主用路径的边集E₁={L_ij|ij∈}；备用路径的点集V₂={P_i|i∈}，备用路径的边集E₂={L_ij|ij∈}。

主备路由间独立，要求迂回路由应与另一条路由保持完全独立，即

2.3.4  最优路径选择模型

在满足上述各约束条件的前提下，最优路径规划是迂回路由的关键环节，根据电力通信网拓扑地图，采用路径规划算法规划最优迂回路由。

最优路由的获得需要定义权值因子，结合该区域近10年的实际运行数据，选取10个关键因素作为权值因子。

1）权值因子。路径的规划选择兼顾可靠性、短时延、经济性。对影响这些特征的因素进行筛选，包括：①光缆方面，选取光缆类型C₁、光缆长度C₂、光缆运行年限C₃、光缆电压等级C₄、光缆运行率C₅等；②设备方面，选取设备运行年限B₁、设备重站状态B₂、设备运行率B₃等；③光传输段方面，选取光传输段保护状态D₁等；④重载指标F₁；⑤带宽指标F₂。

此外，通道路由长度决定双向传输时延，文中通过权值因子中的光缆长度（C₂）选择最短路径。开展保护安稳业务通道迂回时，均采用短时中断迂回，因此文中不考虑通道切换时延。

综上，通过电力通信综合管理系统TMS的历史数据获取之前t个时刻各项因素指标值。指标值为不同量纲，为了统一量纲，提出一种适用于电力通信路径规划的指标权重系数计算方法。

构建通道综合权值ϕ，然后结合改进迪克斯特朗（dijkstra）算法，提出考虑时延与流量均衡性的路径重构算法，即

2）权重系数。为了有效规避保护安控重载链路和带宽利用率过载链路，在执行dijkstra算法时，须实时剔除不能容纳转移业务的链路和加入转移业务后最堵塞的链路。

其做法是：判断则w_n−1=，路径规划时权值最大，进行剔除；判断则w_n−1=0，不影响路径规划最优路径选择。

判断则w_n=，路径规划时权值最大，进行剔除；判断则w_n=0，不影响路径规划最优路径选择^[20-21]。

其他光缆、设备、光传输段的权重系数，结合该区域近10年的实际运行指标数据获得，t时刻各风险指标的指标值构成的矩阵为

式中：行向量为某项风险指标在t时刻的指标值；列向量为某个时刻各项风险指标的指标值。

通过熵权法，计算求得t时刻风险指标权重系数w₁、w₂、w₃、w₄、···，解决多个不同量纲风险指标之间的权重问题。综上，求得权重系数后，通过式（17），代入当前实际指标值，即可求得路径的综合权值，作为最优路径选择的依据。

3）最优路径规划算法。通过改进dijkstra算法，应用上述计算得出的综合权值，完成从不同源到不同目的地的最佳路径规划。

03

耦合电网业务的通信网N-X智能化分析

通过输入或实时接收通信网中断信息，即可分析得出电网业务受影响程度，确定是否需要制定相应的迂回措施。通过校核分析，须实施迂回措施时，自动计算出中断业务的最优迂回路径，实现中断电网生产业务的快速恢复，以最大限度减少通信故障对电网的影响。

3.1  N-1分析

当通信网发生N-1故障或通信网开展N-1状态检修时的算法流程如图2所示。

图2  N-1分析流程

Fig.2  N-1 analysis flowchart

3.2  N-X分析

当通信网发生N-X故障或开展N-X状态检修时，可能造成一条线路2套保护同时中断等影响。N-X分析就是对通信网发生多元故障的场景进行风险分析辨识。以2条或多条光缆同时故障或检修对电网继电保护影响为例，分析流程如图3所示。

图3  N-X分析流程

Fig.3  N-Xanalysis flowchart

其算法步骤在涵盖N-1整体分析基础上，分析中断业务关联的电力线路，判决该电力线路是否2套保护业务均中断，若均中断，发出线路停运风险预警。

04

应用实践案例

本文开发形成电力通信故障检修辅助决策平台，实现故障影响业务的“一键分析”、业务迂回方案的“一键制定”、重路由预警的“一键下发”、不同省（区）、不同单位提报的重叠检修的N-X风险“一键校核”。平台架构本文不做介绍，下面介绍具体实例。

4.1  通信光缆N-1分析实例

通信光缆配合电网检修中断频率高，据统计，该区域2021、2022、2023年，通信光缆中断次数均在200次以上。一条光缆承载分省多级网络、生产及管理多类型业务。每一次光缆中断，受影响业务量平均在100条以上，制定故障抢修方案及检修过渡方案难度较大。

4.1.1  主备光路中断

以某500 kV光缆中断为例：平台界面输入“光缆名称”，可快速分析得出光缆中断造成“一平面、二平面”等多套传输系统光路彻底中断。经验证该段线路仅具备单光缆，主备光路同缆。

同时，光路中断造成“某线路NSR保护业务中断”“某线路PCS保护业务未中断，仅B口通道中断”。分析结果与实际情况相符，中断的业务为该线路保护单通道配置情况；未中断的业务为该线路保护启用A/B口实现互备。如图4所示。

图4  主备光路中断实例

Fig.4  Fault example of the main and standby optical paths

针对各中断业务，平台自动规划迂回路由，有效避开故障链路。经验证迂回路由满足实际生产需求，并兼顾了电网业务独立性约束、通信网带宽和重载约束。如图4所示。

4.1.2  主用光路中断

在线路架设双光缆等条件较好区段，通常开通光路MSP1+1保护，但通信光缆检修时，MSP1+1保护被破坏。光缆中断周期一般较长（多达几个月），中断期间，如果业务不满足N-1能力（即因光路切换出现业务重路由），若再发生重路由区段N-1故障（即N-2），业务将中断。

实例如下：某500 kV光缆1中断，平台自动分析得出：传输系统“一平面某区段主用光路中断”“二平面某区段备用光路中断”，业务均未受影响。经验证：因一平面该区段备用光路承载在500 kV光缆2，二平面该区段主用光路承载在500 kV光缆2，如图5所示。

图5  光路中断引起重路由

Fig.5  Rerouting caused by the optical path faulting

与此同时，某三回同名线路的继电保护业务均发出重路由风险告警。分析结果与实际相符，因为500 kV光缆1故障期间，随光路切换后，该三回同名线路的继电保护业务均承载在500 kV光缆2。如图5所示。

针对如上出现重路由的业务通道，平台自动规划迂回路由，避开重路由区段。实现业务双路由，抵御检修期间N-2风险。如图6所示。

图6  路由迂回避免重路由

Fig.6  Routing detour to avoid rerouting

4.2  通信光缆N-2分析实例

该区域2023年度检修计划中，单日存在同一省内多条光缆同时检修占比为45%，单日存在不同省间多条光缆同时检修占比为35%。不同单位同时开展光缆检修时，可能产生关联影响，严重时会造成一条线路2套保护通道同时中断，或安稳系统AB平面同时发生通道中断。因此，在制定通信年度检修计划、月度检修计划及日前检修校核时，光缆N-2或N-X的分析不可缺少。

如A省将对A光缆开展检修，同日，B省计划对B光缆开展检修。输入：“A光缆”“B光缆”，系统自动分析得出某线路AB套保护通道将同时中断，并发出线路停运风险预警。经验证，该线路PSL保护为直达路由，承载在A光缆，而另一套NSR保护为迂回路由，经过了B光缆。因此AB光缆不能同时检修。如图7所示。

图7  光缆N-2实例

Fig.7  Example of the optical cableN-2

4.3  通信设备N-2分析实例

平台输入“某电厂2台光传输设备同时故障（N-2）”，分析得出：该站三回出线同时失去双套线路保护，该站双套安稳业务同时中断。因该电厂三回线路全部保护安稳通道均承载于如上2套故障设备。故障将造成电网紧急降低出力，造成电力损失。如图8所示。

图8  设备N-2实例

Fig.8  Example of the deviceN-2

05

结语

电力通信网作为电力系统的第2张实体物理网，其网络结构及业务与电网紧密耦合；其建设发展、故障检修工作与电网在时序上也相互影响。通信网亟需一套完善的故障检修智能管理手段，解决人工方式下粗放、缓慢、快速反应能力不足等问题。本文探索紧密耦合电网安全的通信网故障检修管理，提出电力通信故障检修智能化管理新思路、新方法、新平台。

算法模型上，覆盖不同运行方式下业务受影响程度的判决；实现业务最优迂回路由的自动分析；融合通信与电网业务的联合校核。系统开发上，突破现有通信综合管理平台均用于监控功能，而未实现智能化分析调控的局限，开发形成满足生产运行的实用化平台，故障检修各场景实现一键分析。数据应用上，通信网长期积累的海量数据价值得到挖掘和利用。

平台在实际生产中发挥了重要作用，故障响应更加迅速、检修方案及校核更加高效，通信网资源使用更加合理均衡，对电网业务的支撑能力取得显著提升。

注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。