基于決策算法的電纜關鍵節點采集與規劃方法

鄭峻峰，許 霖，冷 志，陳 鳳，唐夢嫻

（國網長沙供電公司，湖南長沙 410000）

在我國電力系統中，規定額定電壓為110～500 kV的電力電纜為標準電纜，電纜通道已發展成為電力設施中非電氣部分和電網發展的一項重要戰略資源，直接影響電力線路的運輸安全[1]。

在電力系統運行過程中，部分電纜不可避免地會存在故障。在電纜布施的過程中，必須要考慮到地方政府控制性規劃和國網公司電力電纜管理要求[2]。傳統的節點采集與規劃方法容易造成關鍵節點的缺失，降低了電纜節點的穩定性。為了優化傳統的電纜規劃方法，該文借助決策算法、節點指標以及約束條件，構建了新的基于決策算法的電纜關鍵節點采集與規劃方法，在保證線纜通信穩定性的基礎上，降低了線纜布施的成本，提高了可持續發展性，從而便于管理電纜通道。

1 電纜關鍵節點采集

為了達到降低電纜關鍵節點規劃復雜度的效果，該文在電纜關鍵節點采集過程中構建了相關的節點采集指標，只有滿足各項指標的節點才會被視為是合格的，從而為電纜及通道快速有效采集提供決策支持。指標的建立都是根據目前電纜線路管理的最新規范[3-4]。該文建立節點的全局信息指標和節點的可承載業務能力指標兩項。節點網絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 節點網絡拓撲圖

節點的全局信息指標是對電纜局部信息的一種檢索指標，因為局部的信息不具有代表性，因此節點性能的辨識度不高。而節點全局信息指標是將節點的中心節點、邊界節點以及末梢節點全部集成在一起，然后按照一定比例進行計算。節點全局信息指標判定量化公式如下所示：

其中，BC 表示節點的介數向量；BC(i)表示節點的介數[5-6]。

電纜節點可承載業務的能力是采集關鍵節點的重要指標之一。如果節點不具備穩定承載業務的能力，其本質上就是一個占用內存的無效點。電纜節點承載業務的能力主要包括節點的誤碼率、時延、傳輸效率、傳輸速度、抗干擾性，該指標決定了電纜線路工作的穩定性和傳輸效率[7]。指標是利用層次分析方法計算而成的，計算的核心是利用層次矩陣判斷節點的業務能力。節點業務重要度指標的計算如下所示：

其中，SI(I)表示歸一化處理后電纜節點承載業務的重要度；i(k-n)表示節點實際承載業務的重要度；b(s,d,k)表示節點業務重要度向量；hj表示業務的單位流量；n表示兩個節點之間業務量的數量；max(L)表示節點之間業務傳輸的路徑；πτ表示一個二值函數。電纜節點的業務重要度越大，節點的關鍵性也越強[8-9]，當某個電纜節點的業務重要度越高時，節點的關鍵性也越強，此時可以采集該節點的相關指標信息。

2 電纜關鍵節點規劃方法

任何一種網絡拓撲結構中的每一個關鍵節點之間都具有一定的關聯性，傳統的電纜關鍵節點規劃方法根據每個節點的內部關系進行規劃[10-11]。但是由于存在某些特殊節點，這就導致利用正常的分析途徑完成規劃的效果不滿足規劃的需求。因此，該文在采集電纜關鍵節點后，將決策算法作為規劃基礎對電纜關鍵節點展開規劃設計。

根據設定的電纜數字化目標，融合電網與路網建立通道拓撲算法，實現通道有效規劃。為此，該文設計了電纜約束量為信息熵、肯德爾系數權重以及TOPSIS 融合約束，以保證規劃后的所有電纜關鍵節點具有穩定性和通信性能。以上約束的前提都是電纜通信中存在N個節點，其中，存在m個關鍵節點。

電纜節點信息熵的約束采用熵權法完成，其原理是采集電纜關鍵節點的信息后遍歷所有信息，再根據約束條件衡量電纜內所有節點的信息，為節點的拓撲規劃奠定數據基礎。該過程的計算公式如下所示：

式中，i表示電纜關鍵節點的個數；aij表示第i個節點的指標j的參數；A表示節點指標矩陣；gij表示電纜采集指標的權重；u表示第j個指標的熵值[12-13]。

電纜關鍵節點指標信息熵的權重值越小，表示節點所包含的信息量越大，相反則表示電纜關鍵節點所含信息量越小，說明節點的關鍵指數越來越低，在不需要的前提下，就沒必要對節點的信息進行采集。

肯德爾系數權重約束的目的是制約電纜節點之間各個指標的關聯度，既要保證各個節點之間具有關聯性，又要避免因過度關聯而影響電纜輸送效率。計算任意兩個電纜節點的關聯性，公式如下所示：

式中，kij表示電纜節點的指標；n0表示相互關聯和不關聯節點的個數；μ表示具有相同特征的節點；k表示節點指標內包括的關鍵集合；τ表示常量。計算結果在2～97 之間都表示節點滿足肯德爾系數約束，然后作進一步分析，若任意兩個電纜節點關聯性的數值較大，說明各節點的均衡度也較大，在電能輸送中具有優先選擇權[14]。

TOPSIS 融合約束是對電纜節點信息加權的特殊約束，約束生成流程如圖2 所示。TOPSIS 融合約束側重于考慮電纜節點信息的多次權重。信息經過多次權重遍歷，得到的節點信息真實度較大。該約束相對于電纜節點信息熵約束的不同，權重對象也不同。TOPSIS 融合約束面向的對象是電纜節點的正理想解和負理想解，對這兩方面進行加權處理，約束計算形式如下所示：

圖2 TOPSIS融合約束生成示意圖

3 實驗與分析

通過以上論述完成對基于決策算法的電纜關鍵節點采集與規劃方法的設計，為了檢驗該方法是否具有可行性，設計實驗測試過程。

實驗選擇小型電纜通道、BA 類型的電纜通道以及大型電纜通道三個不同類型的電纜為對象，避免測試樣本的單一性。

實驗中，將傳統的基于多屬性決策的電力網絡關鍵節點識別方法作為對比。實驗內容是對三種不同類型的電纜通道分別完成測試，對比電纜關鍵節點采集的效率、關鍵節點的真偽性、規劃后電纜的穩定性、對配電網網絡業務的影響以及電纜的抗毀性，展開多方面分析，從而完成兩種方法性能的判定。該實驗測試忽略測試電纜網絡的邊權，并且設置邊權值為1，采用長春市郊區某一個配電廠作為實驗場地。

選擇某小型電纜通道，全長12.4 km，其中共設計30 個節點，其中15 個為關鍵點，GT 參數值在0～0.7 之間，SI 參數的數值在0.1～1 之間。大型電纜通道設計500 個節點，其中關鍵節點為100 個，每個關鍵節點的長度、GT 參數值以及SI 參數的數值的設計與小型變量參數的變化相同。BA 類型的電纜通道設計300個節點，其中B 類型的關鍵節點為50 個，A 類型的關鍵節點為50個，每個關鍵節點的長度、GT參數值以及SI參數數值的設計與小型變量參數的變化相同。

在完成對測試環境的搭建后，將每個電纜通道錄入到一個設備后，分別利用該文方法和傳統方法完成對電纜關鍵節點的采集與規劃。開始實驗并記錄時間，得到以下實驗結論：在采集小型電纜通道和BA 類型電纜通道的關鍵節點中，兩種方法花費的時間呈現的差異不大，但是在采集大型電纜通道內關鍵節點信息時，該文方法所消耗的時間是傳統方法消耗時間的一半。在對采集到關鍵節點進行關鍵信息特征匹配時，該文方法對不同類型電纜通道關鍵節點采集的正確率均在98%以上，然而傳統方法只對于小型的電纜通道內部關鍵節點的采集結果能達到應用標準，對于其他具有一定復雜性類型的電纜通道的采集效率始終未達到應用標準。

在評價電纜關鍵節點規劃方法的穩定性和對其他關聯網絡業務的影響能力時，通過電纜關鍵節點內部的業務重要度進行展現。移除關鍵節點后電纜業務重要度下降情況如圖3 所示，電纜關鍵節點丟失率如圖4 所示。

圖3 移除電纜節點后電纜業務重要度下降情況

圖4 電纜關鍵節點丟失率

綜合分析圖3 和圖4 可知，在移除電纜關鍵節點后，兩種方法隸屬的電纜業務重要度都出現下降的趨勢，但是應用傳統方法后的電纜關鍵節點丟失率仍高于文中方法。這是因為電纜通道內部的關鍵節點缺失，一定會導致電纜業務工作效率的降低。而該文方法能夠最大程度地降低該狀態下電纜業務重要度的下降幅度，并將電纜關鍵節點丟失率控制在20%以內。通過以上數據證明了基于決策算法的關鍵節點的采集與規劃方法具有保證業務重要度的能力。

在此基礎上，針對電纜關鍵節點規劃方法的抗毀性展開測試。該性能的測試是在網絡拓撲中隨機中斷并移除關鍵節點附近的節點輸送功能，觀察一定時間內網絡拓撲圖內部關鍵節點的工作是否仍然正常。每個類型測試的方法相同，重復執行即可，該實驗設置的觀察時間為50 min。實驗結果如圖5 所示。

圖5 移除節點實驗圖

為了保證實驗數據具有分析性，該文采集了沒有移除節點前15 min 的網絡效率波動數據，然后實驗圖中從第15 min 開始，移除5 個關鍵節點附近的節點。傳統方法下三種類型電纜的網絡效率出現了大幅度波動。而經過20 min 的運行后，該文方法下三種類型電纜的網絡效率與正常的網絡效率差別不超過0.2。上述結果證明了該研究設計的基于決策算法的電纜關鍵節點采集與規劃方法的抗毀性，在電纜遭受到攻擊時，該方法規劃的電纜通信網絡仍可以穩定運行。

4 結束語

該文利用電纜節點的目標函數計算出有效的電纜節點的指標，參照決策算法的規律和電纜節點分布約束條件，最終遍歷出最優的電纜節點規劃方案。該研究還通過實驗證明了基于決策算法的電纜關鍵節點采集與規劃方法的工作效率和穩定性，另外也證明了該文設計方法的合理性。在該文研究的基礎上，可以進一步研究分析以主動式配電網作為規劃原理的電纜關鍵節點的采集與規劃，從而完善電纜關鍵節點規劃的邏輯程序，促進電纜通道管理的發展。