基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法研究

李瑞芬，葛 倩

(1. 哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 山東師范大學數學與統計學院，山東 濟南 250538；3. 山東建筑大學理學院，山東 濟南 250101)

1 引言

在電力系統中通常通過配電網實現電能的分配，利用變電所對電能做電壓處理，將降壓后的電能傳送到各個用戶家中，配電網的主要功能是為各個電力用戶傳輸電能，是供電公司和電力用戶之間的連接樞紐，在整個電力系統中配電網的可靠、穩定、安全運行極為重要[1]。配電網信息管理主要包括控制信息和運行信息在變電到用電過程中的管理[2]。電子技術、通訊技術和計算機技術的發展，形成了網絡系統用于配電網的信息管理，具體功能包括用戶服務、配電工作管理、故障投訴管理、設備管理和配網分析管理等[3]。目前電力系統中的數據類型較多且數據量大，信息在各級調度中較為困難，加大了管理配電網調控信息的難度，需要研究OMS配網一體化調控方法[4]。

當前配網一體化調控方法存在如下問題：基于流調度代價的配網一體化調控方法區分流量在擁塞鏈路中的大小，計算各條等價路徑中大流的開銷權重，根據計算結果選擇權重較小的路徑，根據貸款中流量的比例和路徑開銷變化量定義流調度代價，選擇最小調度代價對應的流實現OMS配網的一體化調控，該方法存在帶寬利用率低的問題[5]。基于任務調度和時間序列的OMS配網一體化調控方法利用時間序列對配網中的任務做聚類處理，對數據做壓縮處理，通過服務時間相似性計算服務器在網絡中的執行能力，根據計算結果分配任務，實現配網的一體化調控，該方法存在數據傳輸時延高和數據丟包率高的問題[6]。基于負載均衡的OMS配網一體化調控方法將最小化網絡負載不均衡度作為優化模型，在平均負載率的基礎上通過遺傳算法求解優化模型，獲得最優解，實現配網一體化的調控，該方法存在數據丟包率高的問題[7]。

綜上所述，提出基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法。

2 任務的優先級和節點性能

2.1 任務的優先級

根據任務的稀缺性和緊急性確定任務在配網中的優先級，通過優先級排序實現配網一體化的調控[8]。

(1)

(2)

(3)

其中，任務在OMS配網中的稀缺性PR(r)和r任務在配網中的副本數之間為反比，r任務副本數越多，任務在配網中的稀缺性越小，體現了任務優先級受任務稀缺性的影響[9，10]。任務在配網中的實時性PE(s)與緩沖區中任務的相對位置s之間為反比，反映任務優先級受任務實時性的影響。通過下述兩個公式可將任務的緊急程度因素值和稀缺性因素值設定在一個空間內

PE(s)=1-s，s∈[0，1]

(4)

PR(r)=1-r，r∈[0，1]

(5)

2.2 節點性能

根據節點中存在的歷史數據，計算節點在配網中的性能，每個節點在一個調度周期向鄰居節點請求任務后，根據任務在配網中的傳輸過程，評估任務的實際情況，如在規定時間內達到的任務，為有效任務，未在規定時間內到達的任務，為無效任務[11，12]。計算任務在配網中的傳輸時間以及任務的總數，并將計算結果記錄下來

(6)

在OMS配網調控中，根據歷史數據估算鄰居節點的調度能力，選擇調度能力最高的節點進行調度。

3 OMS配網一體化調控算法

基于大數據調度的OMS配網一體化調度算法根據向前時延和帶寬預測實現一體化調控，具體步驟如下：

1)計算每條路徑在配網中的可用帶寬

設Bi代表的是配網中的可用時間帶寬，為了提高動態帶寬計算結果的精準度，需要獲取若干個樣本值，提高平滑性，可用帶寬Bi的計算公式如下

Bi=εBi+Cij(1-ε)Bi

(7)

式中，ε代表的是比率因子；

2)子流分類

接收節點和發送節點之間在配網中存在多條子流，基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法通過相關因子γ判斷子流之間在配網中的相關性。

設接收節點和發送節點之間存在n條子流，每條子流在網絡中相應的前向傳輸時延會構成一個集合{FT1，FT2，…，FTn}，FTmin代表的是集合中存在的最小值，其表達式如下

FTmin=Bi-min{FT1，FT2，…，FTn}

(8)

當子流在配網中滿足下式時，認為子流存在相關性

FTi≤γFTmin

(9)

第一類子流指的是滿足上述公式的子流。去除集合{FT1，FT2，…，FTn}中存在的第一類子流，通過上述方法繼續選擇子流，獲取第二類子流；并以同種方式完成子流在網絡中的分類。

3)獲取路徑在配網中的往返時延，計算FTi

采用基于前向傳輸時延的調度方法結合計算得到的帶寬Bi促使數據在多子流中可以根據原始順序傳輸到接收端中。設RTT代表的是路徑往返時延，其計算公式如下

RTT=κRTTi+(1-κ)RTTi

(10)

根據計算得到的路徑往返時延RTT，計算前向傳輸時延FTi

FTi=RTT/2

(11)

4)將最大優先算法應用到發生數據丟包的現象中，重新選擇傳輸路徑

通過最大優先算法避免配網中接收端出現亂序的現象。將確認字符傳輸到發送端后，多條子流中同時出現新的確認值，需要更新子流在配網中的擁塞窗口，具體步驟如下

①假設子流在配網中的帶寬為Bi，傳送但沒有經過核實的數據量為Oi。

②計算發送端處理D分組所用的時間Ri

Ri=(Oi+D)/Bi

(12)

③選擇允許子流中存在最小處理時間Ri對應的傳輸分組：

處理時間Ri主要受兩個因素的影響：Oi/Bi代表的是在配網中傳送數據量消耗的時間；D/Ri代表的是大小為D的數據在路徑上傳輸消耗的時間。

OMS配網一體化調控算法的主要目的是實現OMS配網的一體化調控，通過最大優先策略解決超時傳輸的現象，具體步驟如下：

①構建若干條子流，計算子流在配網中的可用帶寬Bi和FTi。

②利用子流分類原則和相關性因子分類子流。

③在發送端中處理需要傳輸的數據，并通過下述公式計算不同類型子流在配網中的發送起始包Nm

Nm=∑0

(13)

式中，P代表的是預測時間。

④當在子流中出現丟包的現象時，利用重傳算法實現丟包的重傳；如果出現丟包超時的現象時，采用最大優先算法重傳丟包。

⑤統計子流在工作狀態下的可用帶寬和往返時延，并將1分鐘作為間隔，更新前向傳輸時延的值，實現重新歸類。

4 實驗結果與分析

為了驗證基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法的整體有效性，在Simulink平臺中進行測試，并采用MATLAB軟件進行數據處理，具體的參數見表1。

表1 仿真平臺具體參數設置

在上述實驗參數設置下，分別采用基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法、基于流調度代價的OMS配網一體化調控方法(文獻[5]方法)、基于任務調度和時間序列的OMS配網一體化調控方法(文獻[6]方法)進行測試，對比三種不同方法的帶寬利用率，測試結果如圖1所示。

圖1 不同方法的帶寬利用率對比

分析圖1可知，在多次迭代中基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法的帶寬利用率整體水平較高，其帶寬利用率最大值為64%；采用基于流調度代價的OMS配網一體化調控方法對OMS配網進行調控時的帶寬利用率較低，雖然其最高值達到了59%，但是整體帶寬利用率低于所提方法；基于任務調度和時間序列的OMS配網一體化調控方法在多次迭代中的帶寬利用率最高值為60%，但是該方法的整體帶寬利用率較低，且波動較大。對比三種不同方法的測試結果可知，基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法的帶寬利用率較高，因為該算法通過任務的稀缺性和緊急性確定任務的優先級，按照優先級發送任務，從而提高了帶寬利用率。

將實驗指標設置為數據傳輸時延，對基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法、基于流調度代價的OMS配網一體化調控方法、基于任務調度和時間序列的OMS配網一體化調控方法進行測試，結果如圖2所示。

圖2 不同方法的數據傳輸時延對比

分析圖2可知，采用基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法調控OMS配網時，數據在OMS配網中的傳輸時延均低于現有方法，該方法的傳輸時延在可接收范圍內，不影響數據的傳輸；基于流調度代價的OMS配網一體化調控方法和基于任務調度和時間序列的OMS配網一體化調控方法在多次迭代中的數據傳輸時延整體上高于所提方法。對比三種不同方法的測試結果可知，基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法的數據傳輸時延較低，因為該算法在調控OMS配網時，根據歷史數據計算了節點在OMS配網中調度能力，在計算結果的基礎上選擇調度能力高的節點實現OMS配網的一體化調控，降低了基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法的數據傳輸時延。

以數據丟包率為指標，對基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法、基于流調度代價的OMS配網一體化調控方法、基于負載均衡的OMS配網一體化調控方法進行測試，結果如圖3所示。

圖3 不同方法的數據丟包率對比

分析圖3可知，采用基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法在多次迭代中的數據丟包率均在45%以下；采用基于流調度代價的OMS配網一體化調控方法和基于負載均衡的OMS配網一體化調控方法進行測試時，兩種方法的數據丟包率最高分別達到了94%和54%。對比三種不同方法的測試結果可知，基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法的數據丟包率較低，因為該算法將最大優先算法應用到發生數據丟包的現象中，重新選擇傳輸路徑，降低了數據在OMS配網中的丟包率。

5 結論

通常情況下配電網都在復雜的環境中工作，發生故障的概率較高，故障會導致停電，嚴重影響了用戶日常生活的用電，甚至會造成經濟損失。保障用戶日常生活中用電的主要方法是提供高質量的用電服務，需要加強OMS配網的調控工作，提高配網的響應速度和性能。當前OMS配網一體化調控方法存在帶寬利用率低、數據傳輸時延高和數據丟包率高的問題。提出基于大數據調度的OMS配網一體化調控算法，本文研究主要取得了以下幾個成果：

1)當任務的緊急程度因素值和稀缺性因素值處于同一個區間值時，計算任務在OMS配網中的優先請求級別，得出任務優先級受任務實時性的影響。

2)根據可用帶寬和前向傳輸時延計算結果，采用最大優先算法實現傳輸路徑重選，解決了配網中接收端容易產生亂序的現象。

3)實驗結果表明，所提方法能夠有效改善現有方法存在的問題，帶寬利用率最高可達64%，數據丟包率低于45%，充分驗證了其有效性。

綜上分析可知所提方法解決了當前方法中存在的問題，并進行了優化，為配網的運行提供了保障。