本發(fā)明屬于電力信息物理融合系統(tǒng)建模分析技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種面向信息物理融合系統(tǒng)的通信網(wǎng)建模分析方法。

背景技術(shù)：

隨著智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通信信息緩解對物理系統(tǒng)的影響問題將更加突出。智能電網(wǎng)本身定位就是一個(gè)運(yùn)行在先進(jìn)IT技術(shù)之上的新型電網(wǎng)，其傳感器數(shù)量、信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和決策單元數(shù)量都大大增加，而能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)一步將多種能源系統(tǒng)與信息系統(tǒng)耦合在一起?？梢哉f，現(xiàn)在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行無時(shí)無刻不依賴于一個(gè)可靠的信息系統(tǒng)，由于這種依賴性，信息系統(tǒng)的失效也將顯著影響物理系統(tǒng)的運(yùn)行。

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)建模、分析與控制方法是針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所發(fā)展起來的，其中并沒有充分考慮電力信息系統(tǒng)的影響。由于智能電網(wǎng)中存在大量的傳感設(shè)備，并高度依賴通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息匯總，進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，因此作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，電力信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行行為會(huì)有顯著的影響。因此，研究面向信息物理融合系統(tǒng)的通信網(wǎng)建模與分析方法，對實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有重要推動(dòng)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，為了研究通信信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的影響，推動(dòng)電力信息物理融合系統(tǒng)的整體建模，本發(fā)明提供一種面向信息物理融合系統(tǒng)的通信網(wǎng)建模分析方法，采用本發(fā)明的建模分析方法，可以對不同電力應(yīng)用所對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信性能的分析而準(zhǔn)確研究通信信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的影響，為電力信息物理融合系統(tǒng)的整體建模與分析提供基礎(chǔ)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種面向信息物理融合系統(tǒng)的通信網(wǎng)建模分析方法，包括通信網(wǎng)建模階段和通信網(wǎng)通信性能分析階段；

所述通信網(wǎng)建模階段包括以下步驟：

S11根據(jù)通信網(wǎng)通信狀態(tài)對通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路進(jìn)行建模：

通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下：

設(shè)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路為l_ij，l_ij的內(nèi)存緩沖隊(duì)列長度表示為Q_ij，l_ij的數(shù)據(jù)處理能力表示為C_ij，l_ij中信號流入的速度表示為V_ij，l_ij的通信性能表示為L_ij，設(shè)通信性能L_ij為多元組形式，多元組通信性能L_ij根據(jù)通信性能分析需求確定，設(shè)輸出變量Y＝L_ij，輸入變量u＝(C_ij,V_ij)^T，狀態(tài)變量X＝Q_ij，則通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路模型表示為：

Y(t)＝A_k X’(t)+B_ku(t)

X’(t)＝C_kX(t)+D_ku(t)

上述A_k，B_k，C_k，D_k為常數(shù)，A_k，B_k，C_k，D_k值由通信協(xié)議和通信狀態(tài)決定，其中K值由通信網(wǎng)通信狀態(tài)決定，通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下：取A_k為A₁，B_k為B₁，C_k為C₁，D_k為D₁；通信網(wǎng)擁塞狀態(tài)下：取A_k為A₀，B_k為B₀，C_k為C₀，D_k為D₀，

通信網(wǎng)不同通信狀態(tài)下通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路模型：

引入有窮自動(dòng)機(jī)的建模方法對通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路建模，引入二元組其中S_k為離散狀態(tài)集合，為離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)變量X和約束條件α有關(guān)，由上述分析得到通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的混雜系統(tǒng)模型表示為如下多元組：

上述公式中，S_k，A_k，B_k，C_k，D_k中K值由通信網(wǎng)通信狀態(tài)決定，通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下：取S_k為S₁，A_k為A₁，B_k為B₁，C_k為C₁，D_k為D₁；通信網(wǎng)擁塞狀態(tài)下：取S_k為S₀，A_k為A₀，B_k為B₀，C_k為C₀，D_k為D₀；

S12對通信網(wǎng)進(jìn)行建模：

設(shè)通信網(wǎng)包含n個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，采用通信網(wǎng)鄰接矩陣L來描述通信網(wǎng)，矩陣L的結(jié)構(gòu)定義如下：

上述公式中L_ij中

當(dāng)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i與通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j之間無直接連接時(shí)，通信網(wǎng)支路l_ij的通信性能L_ij＝0；當(dāng)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i與通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j之間有直接連接時(shí)，通信網(wǎng)支路l_ij的通信性能L_ij不為0；

所述通信網(wǎng)通信性能分析階段包括以下步驟：

S21首先針對上述步驟建立的通信網(wǎng)模型進(jìn)行通信路徑搜索步驟，獲取通信路徑；

S22采用通信性能分析功能分析計(jì)算所述步驟S21獲取的通信路徑的不同性能指標(biāo)，得到通信性能分析結(jié)果；

S23將所述通信性能分析結(jié)果通過交互接口輸出至電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用中。

進(jìn)一步地，所述步驟S21中，具體是根據(jù)通信層不同路由協(xié)議搜索出通信路徑或通過靜態(tài)配置方式直接獲取通信路徑。

進(jìn)一步地，所述通信性能分析包括通信延時(shí)分析、中斷概率分析以及傳輸錯(cuò)誤概率分析，則多元組通信性能L_ij＝(T_ij,P_Bij,P_Mij)^T，其中T_ij表示通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信延時(shí)、P_Bij表示通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的中斷概率以及P_Mij表示通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的傳輸錯(cuò)誤概率。

進(jìn)一步地，根據(jù)電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求對通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信性能多元組L_ij進(jìn)行擴(kuò)展，具體是通過所述交互接口接收電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:

1、采用本發(fā)明的建模分析方法，可以對不同電力應(yīng)用所對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信性能的分析而準(zhǔn)確研究通信信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的影響，為電力信息物理融合系統(tǒng)的整體建模與分析提供基礎(chǔ)；

2、對于通信分析應(yīng)用具備可擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)于不同應(yīng)用分析與計(jì)算方法相對獨(dú)立，對同一通信性能，可以根據(jù)需求建立不同的分析方法，如確定性延時(shí)值，或者延時(shí)的概率分布計(jì)算等；

3、對于交互接口具備可擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)為通信層應(yīng)用的分析結(jié)果可以通過不同的交互接口，接入不同的地方。如可以接入安控主站，用于分析安控性能。也可以接入電力控制中心，應(yīng)用于控制中心的應(yīng)用分析。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的通信網(wǎng)性能分析方法結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明提出了一種面向信息物理融合系統(tǒng)的通信網(wǎng)建模分析方法，包括通信網(wǎng)建模階段和通信網(wǎng)通信性能分析階段；通信網(wǎng)建模階段包括通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)支路建模和通信網(wǎng)建模；通信網(wǎng)通信性能分析階段包括依據(jù)建立的通信網(wǎng)模型，經(jīng)過路徑搜索，搜索到通信路徑，采用通信性能分析功能對該通信路徑通信網(wǎng)性能進(jìn)行計(jì)算分析，并通過交互接口與通信網(wǎng)中其他應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互相連接，通信性能分析根據(jù)具體需求確定，例如，通信性能分析包括通信延時(shí)性能分析、通信中斷概率分析和通信錯(cuò)誤概率分析；

通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信支路的建模：

通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的建模主要用于描述該通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信性能和該通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的可監(jiān)測的狀態(tài)變量之間的關(guān)系，通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路均包括內(nèi)存緩沖，進(jìn)入通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的數(shù)據(jù)包首先存儲在該通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的內(nèi)存緩沖中等待處理和傳輸；注意：不同通信協(xié)議下，數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制不同；即使在同一通信協(xié)議下，通信網(wǎng)在不同通信狀態(tài)下(通信網(wǎng)不同通信狀態(tài)包括通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)、通信網(wǎng)通信擁塞狀態(tài)等)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制也不相同，數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制不相同，導(dǎo)致不同狀態(tài)下通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的狀態(tài)空間描述不相同，因此，為了描述不同狀態(tài)之間的通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的狀態(tài)空間，引入有窮自動(dòng)機(jī)的建模方法，在描述該方法之前，首先對通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的建模進(jìn)行描述：

設(shè)在某一通信協(xié)議下，通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下，對于通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路表示為l_ij，l_ij的內(nèi)存緩沖隊(duì)列長度表示為Q_ij，l_ij的數(shù)據(jù)處理能力表示為C_ij，l_ij中信號流入的速度表示為V_ij，l_ij的通信性能表示為L_ij，設(shè)通信性能L_ij為多元組形式，多元組通信性能L_ij根據(jù)通信性能分析需求確定，設(shè)輸出變量Y＝L_ij，輸入變量u＝(C_ij,V_ij)^T，狀態(tài)變量X＝Q_ij，則通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路模型表示為：

Y(t)＝A_k X’(t)+B_ku(t)

X’(t)＝C_kX(t)+D_ku(t)

對于上述公式中A_k，B_k，C_k，D_k為常數(shù)，A_k，B_k，C_k，D_k值由通信協(xié)議和通信狀態(tài)決定，其中K值由通信網(wǎng)通信狀態(tài)決定，通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下：取A_k為A₁，B_k為B₁，C_k為C₁，D_k為D₁；通信網(wǎng)擁塞狀態(tài)下：取A_k為A₀，B_k為B₀，C_k為C₀，D_k為D₀，則在通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下，通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路模型表示為：

Y(t)＝A₁X’(t)+B₁u(t)

X’(t)＝C₁X(t)+D₁u(t)

為了描述不同狀態(tài)之間的通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的狀態(tài)空間，引入二元組其中S_k為離散狀態(tài)集合，為離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)變量X和約束條件α有關(guān)，由上述分析得到通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的混雜系統(tǒng)模型表示為如下多元組：

上述公式中，S_k，A_k，B_k，C_k，D_k中K值由通信網(wǎng)通信狀態(tài)決定，通信網(wǎng)通信正常狀態(tài)下：取S_k為S₁，A_k為A₁，B_k為B₁，C_k為C₁，D_k為D₁；通信網(wǎng)擁塞狀態(tài)下：取S_k為S₀，A_k為A₀，B_k為B₀，C_k為C₀，D_k為D₀；

通信網(wǎng)建模：

采用矩陣來描述通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥B接關(guān)系，設(shè)通信網(wǎng)包含n個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，采用通信網(wǎng)鄰接矩陣L來描述通信網(wǎng)，矩陣L的結(jié)構(gòu)定義如下：

上述公式中L_ij中

當(dāng)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i與通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j之間無直接連接時(shí)，通信網(wǎng)支路l_ij的通信性能L_ij＝0；當(dāng)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i與通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j之間有直接連接時(shí)，通信網(wǎng)支路l_ij的通信性能L_ij不為0；

l_ij的通信性能表示為L_ij，設(shè)通信性能L_ij為多元組形式，多元組通信性能L_ij根據(jù)通信性能分析需求確定，設(shè)通信性能分析包括通信延時(shí)分析、中斷概率分析以及傳輸錯(cuò)誤概率分析，則多元組通信性能L_ij＝(T_ij,P_Bij,P_Mij)^T，其中T_ij表示通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信延時(shí)、P_Bij表示通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的中斷概率以及P_Mij表示通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的傳輸錯(cuò)誤概率；

根據(jù)電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求對通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信性能多元組L_ij進(jìn)行擴(kuò)展，具體是通過交互接口接收電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求，如誤碼率等，且新建立的模型不會(huì)對已有的模型產(chǎn)生影響；

通信網(wǎng)通信性能分析階段：

采用上述步驟提出的建模方法進(jìn)行通信網(wǎng)建模，根據(jù)通信網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行模型參數(shù)刷新而獲得實(shí)時(shí)通信網(wǎng)模型；針對實(shí)時(shí)通信網(wǎng)模型，通過通信路徑搜索功能獲取通信路徑，具體是根據(jù)通信層不同路由協(xié)議搜索出通信路徑或通過靜態(tài)配置方式直接獲取通信路徑，尋找通信路徑為通信性能分析的基礎(chǔ)應(yīng)用；采用通信性能分析功能分析計(jì)算獲取的通信路徑的不同性能指標(biāo)，得到通信性能分析結(jié)果，例如采用通信延時(shí)分析、中斷概率分析以及傳輸錯(cuò)誤概率分析功能進(jìn)行通信分析；將通信性能分析結(jié)果通過交互接口輸出至電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用中；

對于通信分析應(yīng)用的可擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)于不同應(yīng)用分析與計(jì)算方法相對獨(dú)立，對同一通信性能，可以根據(jù)需求建立不同的分析方法，如確定性延時(shí)值，或者延時(shí)的概率分布計(jì)算等，對通信網(wǎng)模型中新加入的模型，也需要擴(kuò)展相應(yīng)的分析方法。

對交互接口的可擴(kuò)展性主要體現(xiàn)為通信層應(yīng)用的分析結(jié)果可以通過不同的交互接口，接入不同的地方。如可以接入安控主站，用于分析安控性能，也可以接入電力控制中心，應(yīng)用于控制中心的應(yīng)用分析；

本發(fā)明能夠描述通信網(wǎng)絡(luò)的通信性能并對其進(jìn)行相關(guān)分析，可用于研究通信對電力系統(tǒng)的影響，為信息物理融合系統(tǒng)的分析提供基礎(chǔ)。

如圖1所示，根據(jù)通信網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行模型參數(shù)刷新而獲得實(shí)時(shí)通信網(wǎng)模型，通過對實(shí)時(shí)通信網(wǎng)模型建立，通信性能分析應(yīng)用、交互接口應(yīng)用實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法；在通信網(wǎng)模型建立過程中采用通信網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣L來描述通信網(wǎng)，根據(jù)電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求對通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信性能多元組L_ij進(jìn)行擴(kuò)展，具體是通過交互接口接收電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求，如誤碼率等，且新建立的模型不會(huì)對已有的模型產(chǎn)生影響；在通信性能分析應(yīng)用中，需要對通信路徑搜索得到通信路徑，然后對通信路徑進(jìn)行通信延時(shí)分析、中斷概率分析以及傳輸錯(cuò)誤概率分析，另外還采用應(yīng)用擴(kuò)展區(qū)對應(yīng)用分析進(jìn)行擴(kuò)展，對于通信分析應(yīng)用的可擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)于不同應(yīng)用分析與計(jì)算方法相對獨(dú)立，對同一通信性能，可以根據(jù)需求建立不同的分析方法，如確定性延時(shí)值，或者延時(shí)的概率分布計(jì)算等，對通信網(wǎng)模型中新加入的模型，也需要擴(kuò)展相應(yīng)的分析方法；采用交互接口完成與通信網(wǎng)中其他應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸，交互接口的功能為將通信性能分析的結(jié)果通過交互接口輸出至電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用，或者通過數(shù)據(jù)交互接口接收來自電力信息物理融合系統(tǒng)的其他應(yīng)用的通信性能分析需求，接口擴(kuò)展區(qū)主要體現(xiàn)為通信層應(yīng)用的分析結(jié)果可以通過不同的交互接口，接入不同的地方。如可以接入安控主站，用于分析安控性能，也可以接入電力控制中心，應(yīng)用于控制中心的應(yīng)用分析。

實(shí)施例：

參照圖2，以安全穩(wěn)定控制SDH通信網(wǎng)為例，來說明本發(fā)明具體的實(shí)施方式。在SDH 11和SDH 21節(jié)點(diǎn)分別連接的是安控子站和執(zhí)行站裝置，子站和執(zhí)行站的通過點(diǎn)到點(diǎn)光纖通信方式進(jìn)行通信；為了方便說明本發(fā)明使用方法，此處僅采用最簡單的通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和支路模型分析通信通道故障率。

在通信網(wǎng)正常狀態(tài)下，通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路建模，并對通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信通道故障率進(jìn)行分析，通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)支路的通信通道故障率用常數(shù)表示：

通信網(wǎng)建模，當(dāng)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i與通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j之間無直接連接時(shí)，通信網(wǎng)支路l_ij的通信性能L_ij＝0；當(dāng)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i與通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j之間有直接連接時(shí)，通信網(wǎng)支路l_ij的通信性能L_ij＝P_i-j；

可以得到通信網(wǎng)鄰接矩陣L_ij如下所示：

通信網(wǎng)性能分析：

首先進(jìn)行通信路徑搜索，由于安控業(yè)務(wù)采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，其路由靜態(tài)配置，其主路徑為11-2-3-21，備用路徑為11-6-5-4-3-21；

通信通道中斷概率分析：

P_m＝1-P₁₁*P_11-2*P₂*P_2-3*P₃

P_b＝1-P₁₁*P_11-6*P₆*P_6-5*P₅*P_5-4*P₄*P_4-3

P_v＝P_m*P_b

P_v3-21＝1-P_3-21*P₂₁

P_11-21＝P_v+P_v3-21-(P_v*P_v3-21)

其中，P_m為主路徑(11-2-3)的中斷概率，P_b為備用路徑(11-6-5-4-3)的中斷概率，P_v為節(jié)點(diǎn)11到節(jié)點(diǎn)3通信的中斷概率，P_v3-21為鏈路3-21的中斷概率，P_11-21為節(jié)點(diǎn)11和節(jié)點(diǎn)21進(jìn)行通信的中斷概率；

最后將中斷概率分析結(jié)果通過交互接口輸出，供后續(xù)的分析使用。

在本實(shí)施例中，僅考慮了通信中斷概率分析，也可以擴(kuò)展通信延時(shí)等的建模和分析方法，并且擴(kuò)展后對原來的分析應(yīng)用沒有影響。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。