編者按

為適應一次能源與電力負荷逆向分布的國情，中國采用遠距離交直流特高壓輸電技術成為必然選擇，可再生能源大規模并網，電網大規模、高復雜度發展，加深了通信網與電網的物理網絡融合，形成兩網相依系統。對于特高壓線路、重要輸電斷面線路等線路的通信通道保障十分重要。原有末端接入的火電廠普遍光纜網架薄弱，高比例新能源以風火打捆形式接入，對于火電廠送出線路通信可靠性保障要求提高。通信網的故障，無論是發生在特高壓通信系統，還是發生在500 kV通信網絡、電廠送出線路通信網絡等，都可能會造成大范圍電網業務通道受到影響，嚴重時直接影響電網安全。

《中國電力》2024年第12期刊發了何天玲等撰寫的《耦合電網業務約束條件的電力通信故障檢修輔助決策的實現》一文。文章主要關注重要性高、實時性要求高的骨干光纜網架和傳輸系統（簡稱通信網），考慮電力系統與通信系統的交互耦合作用，通過對電網重要業務的多場景中斷研判分析，以及滿足多約束條件的業務迂回恢復，研究開發了電力通信故障檢修輔助決策平臺。在電力通信網大規模故障下，可以實現電網業務快速、更多地恢復。

摘要

高比例新能源、交直流特高壓遠距離輸電、高比例電力電子的應用給現有技術帶來挑戰的同時，也對電力通信網的調度運行管理提出了更高的要求。電網與電力通信網是典型的相依網絡，通信網發生故障，特別是高重要度節點故障，不僅對通信自身網絡系統造成嚴重影響，還會影響其相依網絡，引發連鎖故障。為此，首先總結通信網與電網業務耦合分析面臨的挑戰，然后提出判決通信網故障檢修對電網業務影響的分析模型，以及受影響業務恢復模型，開發形成一種耦合電網安全的通信網與電網協同輔助平臺，實現N-X及多維度故障檢修場景下的自動化分析計算。最后以某區域骨干光纜網架和傳輸系統為實際場景進行驗證，達到預期效果，有效提升了極端場景下通信網快速響應能力。

01

通信網絡及業務運行方式特征

1.1  光路互備機制

當光傳輸網中兩站點間具備雙光纜條件時，為提高該段傳輸鏈路的可靠性，通常建立復用段保護（multiplex section protection，MSP）1+1主備光路。當其中任意一條光纜中斷（N-1）時，主備光路間瞬時切換，所承載業務一般不受損失。

1.2  業務通道互備機制

隨著不斷發展，該區域繼電保護業務通道配置形式有單通道、內置式雙通道、外置式雙通道3種。1）單通道：當保護裝置為單口時，通常每套線路保護各對應一條通道；當該通道中斷，該套保護停運；2）內置式雙通道：當保護裝置具備A/B口時，每套線路保護對應兩條通道，互為主備。3）外置式雙通道：當保護裝置為單口配置，但保護裝置與通信設備之間配置有2 M切換裝置時，實現雙通道主備運行。

安穩業務通道配置形式有單通道、外置式雙通道、單通道子網連接保護（subnetwork connection protection，SNCP）形式。其中，單通道、外置式雙通道與繼電保護通道運行機制相同。SNCP即在原通道基礎上增加保護，實現“雙發選收”的互備機制。

由此可見，通信方式的安排具有多樣性，當發生通信N-1、N-X等故障時，對電網業務影響程度多樣，單純從通信通道中斷不能簡單判斷為電網業務中斷，帶來分析計算上的復雜性。當制定受影響業務迂回方案時，N-1獨立性校核等面臨較大挑戰。因此，亟須提供一種高效的分析手段，通信網故障檢修的智能化分析成為必然趨勢。

02

基礎分析算法

2.1  通信網與業務信息流建模

通信網的連接關系可以通過鄰接矩陣描述， 其元素為

重點關注故障傳輸段的光路及經過的業務信息流。

1）關注故障傳輸段的光路。故障傳輸段的連接狀態可以通過矩陣描述，其元素為

2）關注故障傳輸段關聯的業務信息流。以主備路由建立信息流與故障區段的連接關系，主備路由鄰接矩陣分別為

式中：i，j表示節點i與j直接連接；上標

2.2  影響業務分析模型

采用故障樹的分析思路，建立樹形結構，如圖1所示。

圖1  故障事件示意

Fig.1  Schematic diagram of fault event

2.2.1  光路及關聯通道中斷的判別

當該傳輸區段發生N-1故障時，須判斷該區段傳輸鏈路是否具備光纖1+1復用保護機制。當具備主備光路時，故障發生后可瞬時切換，光連接不中斷，關聯通道均不受影響。當該傳輸區段發生N-2故障時，主備光路全部中斷，關聯通道全部中斷。

發生故障或檢修的傳輸區段的方式矩陣為

式中：r1為主用光路；r2為備用光路。存在則為1，不存在則為0。

發生故障或檢修的傳輸區段的故障矩陣為

式中：h1為主用光路中斷情況；h2為備用光路中斷情況。中斷則為1，不中斷則為0。

光路中斷判別可根據其路由矩陣與故障矩陣的Hadamard積后的所有元素求積得到，即

當故障區段的光連接未中斷時，Dij=0，與其關聯的所有通道不中斷。

當故障區段的光連接中斷時，Dij=1，與其關聯的所有通道中斷。須開啟業務中斷情況分析。

2.2.2  業務中斷的判別

當某通道因故障發生中斷時，其關聯的業務存在中斷、瞬斷2種情況。1）當該套線路保護裝置具備A/B口、2 M切換條件時，其中一條通道因故障中斷，瞬時切換至備用通道，業務不受影響。2）當該套線路保護單通道，通道故障業務隨之中斷。

業務主、備路由的中斷判別可根據其路由矩陣和與故障矩陣的Hadamard積后的所有元素求和得到，即

2.2.3  電力調度生產業務停運的判別

保護、安控裝置等均雙套配置實現互備，考慮通信網發生N-X，雙套業務存在同時中斷的可能性。以繼電保護業務為例：當因通信網故障，造成兩套繼電保護業務均中斷時，線路保護將停運；當因通信網故障，造成其中一套繼電保護業務中斷時，線路單保護運行，線路正常運行。

式中：Tk表示某條電力線路（

綜上，上述判決模型作為影響業務分析的關鍵約束。基于0-1變量實現對應故障樹層級下業務中斷與否的判決。

2.3  受影響業務恢復模型

在電力通信網絡發生大規模故障后，都須對受影響業務制定迂回方案，保證通信網非正常方式下，各業務正常運行。

2.3.1  重載約束模型

若發生大規模通信網故障，受影響的業務通道可能多達數百條。通道的迂回路由若均安排在同一鏈路，將造成該區段鏈路重載，過多的保護、安控業務集中在同一區段鏈路風險較大，同時迂回路由所在鏈路可能面臨帶寬資源耗盡的問題。迂回路由須遵循一定的重載約束條件，即

式中：f(k)為該保護或安控業務的重載權重；T為鏈路的重載約束；Ak為迂回路由經過該段鏈路的判決，經過為1，不經過為0。

2.3.2  帶寬約束模型

迂回路由所在鏈路應遵循一定的帶寬約束條件，即

式中：Amn表示通信業務通道表示失效業務通道

2.3.3  獨立性校核模型

某光纜中斷檢修，如制定的保護、安穩業務等迂回方案不恰當（重路由），嚴重時會造成某地區80%電力用戶供電中斷風險。迂回方案重路由校核工作量大。

設主用路徑為，備用路徑為。主用路徑的點集V1={Pi|i∈} ，主用路徑的邊集E1={Lij|ij∈}；備用路徑的點集V2={Pi|i∈}，備用路徑的邊集E2={Lij|ij∈}。

主備路由間獨立，要求迂回路由應與另一條路由保持完全獨立，即

2.3.4  最優路徑選擇模型

在滿足上述各約束條件的前提下，最優路徑規劃是迂回路由的關鍵環節，根據電力通信網拓撲地圖，采用路徑規劃算法規劃最優迂回路由。

最優路由的獲得需要定義權值因子，結合該區域近10年的實際運行數據，選取10個關鍵因素作為權值因子。

1）權值因子。路徑的規劃選擇兼顧可靠性、短時延、經濟性。對影響這些特征的因素進行篩選，包括：①光纜方面，選取光纜類型C1、光纜長度C2、光纜運行年限C3、光纜電壓等級C4、光纜運行率C5等；②設備方面，選取設備運行年限B1、設備重站狀態B2、設備運行率B3等；③光傳輸段方面，選取光傳輸段保護狀態D1等；④重載指標F1；⑤帶寬指標F2。

此外，通道路由長度決定雙向傳輸時延，文中通過權值因子中的光纜長度（C2）選擇最短路徑。開展保護安穩業務通道迂回時，均采用短時中斷迂回，因此文中不考慮通道切換時延。

綜上，通過電力通信綜合管理系統TMS的歷史數據獲取之前t個時刻各項因素指標值。指標值為不同量綱，為了統一量綱，提出一種適用于電力通信路徑規劃的指標權重系數計算方法。

構建通道綜合權值?，然后結合改進迪克斯特朗（dijkstra）算法，提出考慮時延與流量均衡性的路徑重構算法，即

2）權重系數。為了有效規避保護安控重載鏈路和帶寬利用率過載鏈路，在執行dijkstra算法時，須實時剔除不能容納轉移業務的鏈路和加入轉移業務后最堵塞的鏈路。

其做法是：判斷則wn?1=，路徑規劃時權值最大，進行剔除；判斷則wn?1=0，不影響路徑規劃最優路徑選擇。

判斷則wn=，路徑規劃時權值最大，進行剔除；判斷則wn=0，不影響路徑規劃最優路徑選擇[20-21]。

其他光纜、設備、光傳輸段的權重系數，結合該區域近10年的實際運行指標數據獲得，t時刻各風險指標的指標值構成的矩陣為

式中：行向量為某項風險指標在t時刻的指標值；列向量為某個時刻各項風險指標的指標值。

通過熵權法，計算求得t時刻風險指標權重系數w1、w2、w3、w4、···，解決多個不同量綱風險指標之間的權重問題。綜上，求得權重系數后，通過式（17），代入當前實際指標值，即可求得路徑的綜合權值，作為最優路徑選擇的依據。

3）最優路徑規劃算法。通過改進dijkstra算法，應用上述計算得出的綜合權值，完成從不同源到不同目的地的最佳路徑規劃。

03

耦合電網業務的通信網N-X智能化分析

通過輸入或實時接收通信網中斷信息，即可分析得出電網業務受影響程度，確定是否需要制定相應的迂回措施。通過校核分析，須實施迂回措施時，自動計算出中斷業務的最優迂回路徑，實現中斷電網生產業務的快速恢復，以最大限度減少通信故障對電網的影響。

3.1  N-1分析

當通信網發生N-1故障或通信網開展N-1狀態檢修時的算法流程如圖2所示。

圖2  N-1分析流程

Fig.2  N-1 analysis flowchart

3.2  N-X分析

當通信網發生N-X故障或開展N-X狀態檢修時，可能造成一條線路2套保護同時中斷等影響。N-X分析就是對通信網發生多元故障的場景進行風險分析辨識。以2條或多條光纜同時故障或檢修對電網繼電保護影響為例，分析流程如圖3所示。

圖3  N-X分析流程

Fig.3  N-Xanalysis flowchart

其算法步驟在涵蓋N-1整體分析基礎上，分析中斷業務關聯的電力線路，判決該電力線路是否2套保護業務均中斷，若均中斷，發出線路停運風險預警。

04

應用實踐案例

本文開發形成電力通信故障檢修輔助決策平臺，實現故障影響業務的“一鍵分析”、業務迂回方案的“一鍵制定”、重路由預警的“一鍵下發”、不同省（區）、不同單位提報的重疊檢修的N-X風險“一鍵校核”。平臺架構本文不做介紹，下面介紹具體實例。

4.1  通信光纜N-1分析實例

通信光纜配合電網檢修中斷頻率高，據統計，該區域2021、2022、2023年，通信光纜中斷次數均在200次以上。一條光纜承載分省多級網絡、生產及管理多類型業務。每一次光纜中斷，受影響業務量平均在100條以上，制定故障搶修方案及檢修過渡方案難度較大。

4.1.1  主備光路中斷

以某500 kV光纜中斷為例：平臺界面輸入“光纜名稱”，可快速分析得出光纜中斷造成“一平面、二平面”等多套傳輸系統光路徹底中斷。經驗證該段線路僅具備單光纜，主備光路同纜。

同時，光路中斷造成“某線路NSR保護業務中斷”“某線路PCS保護業務未中斷，僅B口通道中斷”。分析結果與實際情況相符，中斷的業務為該線路保護單通道配置情況；未中斷的業務為該線路保護啟用A/B口實現互備。如圖4所示。

圖4  主備光路中斷實例

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

針對各中斷業務，平臺自動規劃迂回路由，有效避開故障鏈路。經驗證迂回路由滿足實際生產需求，并兼顧了電網業務獨立性約束、通信網帶寬和重載約束。如圖4所示。

4.1.2  主用光路中斷

在線路架設雙光纜等條件較好區段，通常開通光路MSP1+1保護，但通信光纜檢修時，MSP1+1保護被破壞。光纜中斷周期一般較長（多達幾個月），中斷期間，如果業務不滿足N-1能力（即因光路切換出現業務重路由），若再發生重路由區段N-1故障（即N-2），業務將中斷。

實例如下：某500 kV光纜1中斷，平臺自動分析得出：傳輸系統“一平面某區段主用光路中斷”“二平面某區段備用光路中斷”，業務均未受影響。經驗證：因一平面該區段備用光路承載在500 kV光纜2，二平面該區段主用光路承載在500 kV光纜2，如圖5所示。

圖5  光路中斷引起重路由

Fig.5  Rerouting caused by the optical path faulting

與此同時，某三回同名線路的繼電保護業務均發出重路由風險告警。分析結果與實際相符，因為500 kV光纜1故障期間，隨光路切換后，該三回同名線路的繼電保護業務均承載在500 kV光纜2。如圖5所示。

針對如上出現重路由的業務通道，平臺自動規劃迂回路由，避開重路由區段。實現業務雙路由，抵御檢修期間N-2風險。如圖6所示。

圖6  路由迂回避免重路由

Fig.6  Routing detour to avoid rerouting

4.2  通信光纜N-2分析實例

該區域2023年度檢修計劃中，單日存在同一省內多條光纜同時檢修占比為45%，單日存在不同省間多條光纜同時檢修占比為35%。不同單位同時開展光纜檢修時，可能產生關聯影響，嚴重時會造成一條線路2套保護通道同時中斷，或安穩系統AB平面同時發生通道中斷。因此，在制定通信年度檢修計劃、月度檢修計劃及日前檢修校核時，光纜N-2或N-X的分析不可缺少。

如A省將對A光纜開展檢修，同日，B省計劃對B光纜開展檢修。輸入：“A光纜”“B光纜”，系統自動分析得出某線路AB套保護通道將同時中斷，并發出線路停運風險預警。經驗證，該線路PSL保護為直達路由，承載在A光纜，而另一套NSR保護為迂回路由，經過了B光纜。因此AB光纜不能同時檢修。如圖7所示。

圖7  光纜N-2實例

Fig.7  Example of the optical cableN-2

4.3  通信設備N-2分析實例

平臺輸入“某電廠2臺光傳輸設備同時故障（N-2）”，分析得出：該站三回出線同時失去雙套線路保護，該站雙套安穩業務同時中斷。因該電廠三回線路全部保護安穩通道均承載于如上2套故障設備。故障將造成電網緊急降低出力，造成電力損失。如圖8所示。

圖8  設備N-2實例

Fig.8  Example of the deviceN-2

05

結語

電力通信網作為電力系統的第2張實體物理網，其網絡結構及業務與電網緊密耦合；其建設發展、故障檢修工作與電網在時序上也相互影響。通信網亟需一套完善的故障檢修智能管理手段，解決人工方式下粗放、緩慢、快速反應能力不足等問題。本文探索緊密耦合電網安全的通信網故障檢修管理，提出電力通信故障檢修智能化管理新思路、新方法、新平臺。

算法模型上，覆蓋不同運行方式下業務受影響程度的判決；實現業務最優迂回路由的自動分析；融合通信與電網業務的聯合校核。系統開發上，突破現有通信綜合管理平臺均用于監控功能，而未實現智能化分析調控的局限，開發形成滿足生產運行的實用化平臺，故障檢修各場景實現一鍵分析。數據應用上，通信網長期積累的海量數據價值得到挖掘和利用。

平臺在實際生產中發揮了重要作用，故障響應更加迅速、檢修方案及校核更加高效，通信網資源使用更加合理均衡，對電網業務的支撐能力取得顯著提升。

注：本文內容呈現略有調整，如需要請查看原文。