基于多协议标记的输电线路状态监测数据跨层传输方法研究

赵立英 王敏珍 刘超

摘  要： 以往输电线路状态监测数据跨層传输方法，很少考虑传输过程中传输路径的拥塞现象，不能确保跨层传输输电线路状态监测数据的及时性和可靠性。为此，提出基于多协议标记的输电线路状态监测数据跨层传输方法。多协议标记交换网络模型由标签交换路由器和标签边缘路由器组成，通过CMA设备组网实现两个路由器间相互通信，通信过程中在智能电网输电线路中划分两个路由器后，通过输电线路状态监测数据传输方向构建标签交换路径，通过定义数据类型确定传输输电线路状态监测数据的优先级顺序，根据优先级顺序跨层传输输电线路状态监测数据，避免传输路径拥塞，实现负载均衡。经过实验检测发现，采用该方法后，输电线路两条链路上的数据流量几乎相同，数据流量大约为1.5 Mb/s，且传输精度最高可达到99.5%，即该方法能实现输电线路状态监测数据的负载平衡，且能保障数据传输的可靠性。

关键词： 跨层传输; 输电线路; 状态监测数据; 多协议标记; 路由器; 实验分析

中图分类号： TN344?34; TM73                        文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）20?0103?04

Research on multi?protocol label based cross?layer transmission method of

transmission line condition monitoring data

ZHAO Liying， WANG Minzhen， LIU Chao

（School of Computer Technology and Engineering， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： As the traditional cross?layer transmission method of transmission line condition monitoring data can not ensure the timeliness and reliability of cross?layer transmission line condition monitoring data， a multi?protocol label based cross?layer transmission method of transmission line condition monitoring data is proposed. The multi?protocol label switched network model is composed of label switching router and label edge router to realize the communication between two routers by means of CMA equipment networking. In the process of communication， two routers are divided in a smart grid transmission line， and then the label switching path is constructed according to transmission direction of transmission line state monitoring data. The priority order of transmitting the transmission line condition monitoring data is determined by defining data types， and the across?layer transmission of the transmission line condition monitoring data is implemented according to the priority order to avoid transmission path congestion and achieve load balancing. The experimental results show that after adopting this method， the data flow on the two links of the transmission line is almost the same， and the data flow is approximately 1.5 Mb/s， and the transmission accuracy can reach 99.5%. That is， this method can realize load balancing of transmission line condition monitoring data and ensure the reliability of data transmission.

Keywords： cross?layer transmission; transmission line; condition monitoring data; multi?protocol label; router; experiment analysis

目前全球正在进行绿色产业革命，随着低碳思想的不断普及，在政府的引导下，世界发达国家提出电力发展的战略规划，智能电网是战略规划中最为核心的理念[1]。智能电网中主要组成部分是智能输电网，智能电网对输电设备管理要求较为严格。需要采用有效方法检测输电线路中存在的问题。通过在线跨层传输状态监测数据可实现对输电线路的实时检测，但在数据传输过程中需保证数据传输的实时性和可靠性。多协议标记交换技术是一种网络技术，能在帧中继、SDH等多个链路层协议中实现标签交换[2]。多协议标签交换技术具有兼容性高、支持DiffServ模型、较多保证机制等优点，而且多协议标记交换网络对流量工程有一定的支持作用，使输电线路处于负载均衡状态，对传输路径产生影响。多协议标记交换通过两个方面保证跨层传输输电线路状态监测数据的质量，分别是网络节点和和通信链路[3]。采用多协议标记技术，实现输电线路状态监测数据的跨层输出，能够提高智能输电网中输电线路状态监测数据跨层传输速度，使管理人员及时检测输电线路中存在的问题，提升对智能输电网中输电线路的管控能力[4]。

1  输电线路状态监测数据跨层传输方法

1.1  多协议标记交换技术

多协议标记交换技术的核心是多协议标记交换（MPLS）网络模型，其由两个不同的路由器组成，两个路由器分别是标签交换路由器（LSR）和标签边缘路由器（LER），通过标签分发协议实现两个路由器之间的标签交换算法[5]。多协议标记网络模型通过集成服务和DiffServ两种方式，实现网际协议的带宽和服务质量要求。在智能电网大规模输电线路中，采用集成服务方式很难实现端到端网际协议的带宽和服务质量要求;而只采用DiffServ同样也无法实现端到端网际协议的带宽和服务质量要求[6]。多协议标记网络模型能合理配置资源，高效控制路由器，在避开网络故障、网络瓶颈和网络拥塞的情况下，实现标签路径交换。将多协议标记网络模型和DiffServ相结合，可跨层传输输电线路状态监测数据，同时保证数据的质量。

1.2  CMA技术方案

通过CMA设备组网实现多标记协议网络模型中的标签交换路由器和标签边缘路由器间的交互通信，两种路由器进行通信组网过程中的重要设备是CMA。在CMA设备中应放置接口通信模块，并确保接口通信模块具备附加处理功能和丰富的通信功能，使CMA设备可作为处理设备和通信设备，只具备通信功能的通信设备不适用智能电网中跨层传输输电线路状态数据[7]。CMA设计框架如图1所示。

从图1可以看出，一个崭新的CMA组网框架中需包括电源供电模块、I2接口、安全加密模块、CMA核心处理模块和I1接口。其中，I1接口由串口通信模块、无线专网通信模块和以太网通信模块构成;I2接口模块由无线专网通信模块、无源光网络OLT通信模块、无源光网络ONU通信模块等模块构成。在实际使用过程中，只需将所需要的通信模块匹配在CMA中，用来降低功耗和成本[8]。

图1  CAM组网框架

在实际使用CMA组网框架实现两个路由器间相互通信时，应结合实际需求，采用相应的通信模块减少不必要的成本，降低使用该技术的能量损耗。

1.3  网络配置方法

采用CMA设备组网实现多标记协议网络模型中，LSR和LER两个路由器间的相互通信过程，还应构建多协议标记交换网络，完成输电线路状态监测数据的跨层传输。在构建多协议标记交换网络时，应在智能电网输电线路中划分两个路由器，将普通智能电网输电线路厂站中的接入路由器当成标签交换路由器，通过该路由器接入各种信息，对标签进行分配，在IP数据包中填上标签，将其封装成多协议标记交换数据包[9]。同时将智能电网输电线路控制中心接入路由器當成标签交换路由器，分离多协议标记交换数据包的标签，将多协议标记交换数据包转换成IP数据包，将输电线路中骨干网路由器当成标签边缘路由器，采用标签分配协议获取标签交换表和相关的带宽和服务质量控制策略，通过上述策略转发和交换标签。

划分好两个路由器后，依据输电线路状态监测数据传输方向构建标签交换路径，采用定义数据类型确定传输输电线路状态监测数据的优先级顺序，通过IP包中DSCP字段划分状态监测数据的DiffServ等级，同时获取多协议标记交换网络EXP域映射。在多协议标记交换网络中两个路由器都需要进行相应的配置，在标签交换路由器上配置控制承诺访问速率，对管理信息和多媒体信息的传输速度进行限制;在标签交换路由器中配置加权随机检测技术和加权公平队列，控制拥塞程度，避免过度拥塞现象的出现，采用多协议标记交换技术跨层传输输电线路状态监测数据能有效避免状态监测数据的拥塞现象[10]。状态监测数据的拥塞现象主要是由多种监测数据类型采用最短传输路径导致的，采用多协议标记交换技术能分配输电线路状态监测数据的优先级，实现负载均衡。同时当某一条状态监测数据传输路线出现故障时，多协议标记交换技术能在较短时间内切换输电线路状态监测数据传输路径，保障输电线路状态监测数据的可靠性。

2  实验分析

实验采用OPNET网络仿真工具，构建某智能电网，包括六个输电线路、区域控制中心和上级控制中心，在跨层传输输电线路状态数据时采用的主干网链带宽为160 Mb/s，数据业务接入路由器与主干网链采用两条2.5 Mb/s的链路，控制中心在接入数据网时采用带宽为160 Mb/s。

2.1  负载平衡状态分析

为检测实验智能电网采用本文方法跨层传输输电线路状态监测数据的负载均衡状态，将未采用本文方法的输电线路负载平衡状态与采用本文方法后的输电线路负载均衡状态进行对比。未采用本文方法时，根据最短路径跨层传输输电线路状态监测数据，设置6个输电线路跨层传输数据的2条传输路径分别是a，b，传输状态如图2所示。采用本文方法设置6个输电线路跨层传输数据传输路径为c，d，传输状态如图3所示。

图2  未采用本文方法的传输数据状态

从图2可以看出，在未采用本文方法前传输输电线路状态监测数据时，a链路上的数据流量在3.6～4.6 Mb/s之间;b链路上的数据流量为0，表示未采用本文方法前六个输电线路跨层传输输电线路状态监测数据全在a链路上。从图3中可以看出，c，d两条链路上的数据流量几乎相同，数据流量大约为1.5 Mb/s，即采用本文方法后实验输电线路跨层传输输电线路状态监测数据较为平均，处于负载均衡状态，说明本文方法能够提高数据线路的数据传输效果。

2.2  自愈性故障恢复分析

对比未采用本文方法和采用本文方法时，实验输电线路在传输链路出现故障的情况下接收数据流情况，结果如图4所示。

从图4a）中可以看出，在未采用本文方法，实验输电线路在通信链路发生故障的情况下，终端接收的数据流会中断，中断时间大约为12 ms，然后恢复传输数据流。而从图4b）中可以看出，采用本文方法跨层输电线路状态监测数据时，在通信链路出现故障的情况下，终端仍能接收数据流，表明采用本文方法的输电线路具有自愈性故障恢复能力，可以在多条标签交换路径中切换数据流，达到有效传输输电线路状态监测数据的目的。

2.3  跨层传输数据精度对比

为研究采用本文方法的输电线路跨层传输输电线路状态监测数据的精度，分析随着输电线路状态监测数据的增加，实验输电线路采用本文方法、无线传感网络方法和ARM方法的监测数据跨层传输精度变化情况，结果如表1所示。

从表1中可以看出，与另外两种方法相比，采用本文方法的输电线路跨层传输输电线路状态监测数据精度最高，最高可达到99.5%。

3  结  論

本文提出基于多协议标记的输电线路状态监测数据跨层传输方法，充分考虑传输过程中传输路径拥塞现象，能提升传输数据速度，保证传输数据质量。该方法有上述优点主要是因为以下几点原因：

1） 由于输电线路状态监测数据业务的带宽和服务质量要求，多协议标记交换网络通过集成服务和DiffServ两种方式，合理配置资源，高效控制路由器，有效避开网络故障和网络拥塞，完成标签路径交换，并能划分、选取所需的转发等价类，将转发等价类绑定到相关的标签交换路径上，在标签交换路由器和标签边缘路由器上配置所需的带宽和服务质量，保证跨层传输输电线路状态监测数据的速度和质量。

2） 多协议标记交换网络可达到跨层传输数据的负载平衡，减少传统输电线路状态监测数据跨层传输方法存在的传输延迟问题。

3） 本文方法自愈性故障恢复功能较好，当在跨层传输输电线路状态监测数据中出现故障时，如网络节点失效、传输路径失效等，本文方法能保障输电线路跨层传输状态监测数据的及时性和可靠性。

注：本文通讯作者为王敏珍。

参考文献

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