一种变电站差异化业务流量调度方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明涉及tsn网络业务流量调度算法，尤其涉及一种基于tsn门控及流量整形机制的变电站差异化业务流量调度方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、智能变电站本地通信网络承载了电网一次设备运行状态监控信息，具有工业控制业务传输可靠性、确定性要求极高的特点。网络中若出现网络拥塞、网络风暴、时延抖动加剧等问题影响了数据传输的实时性和可靠性，将会给智能变电站的间隔层和过程层内的报文传输带来严重后果导致保护拒动、误动，或告警异常等问题，从而给智能变电站带来安全事故。

2、为了实现确定性低延时传输，ieee 802时间敏感网络工作组，提出了一系列链路层增强机制与流量策略的标准和规范，主要包括时间同步、流量调度、可靠传输和网络管理标准。tsn遵循标准的以太网协议体系，天然具有更好的互联互通优势，可以在提供确定性延时、带宽保证的同时，实现开放的2层转发。近年来，tsn作为新一代以太网技术，在工业互联网、移动前传、航空电子网络、车载网络、专业音视频等多个领域广泛应用，得到了学术界和工业界的持续关注。

3、应用时间敏感网络到变电站本地通信时，由于传统以太网采用尽力而为方式进行传输，难以保证goose、sv报文等时间敏感信息流的传输质量，尤其是延迟和抖动方面的要求。有必要设计一种新的业务流调度机制，确保针对特定时延敏感业务流能够高效选择tsna、b双网任意传输路径到达保护、测控装置。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于tsn门控及流量整形机制的变电站差异化业务流量调度方法、系统、设备及存储介质。

2、为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种变电站差异化业务流量调度方法，包括：

4、针对变电站构建基于tsn技术的a、b双网络传输模型；

5、根据双网络传输模型设计流量调度算法，获取多业务流量传输搜索最优路径，从而实现路径传输代价最小且满足多业务差异化流量传输性能需求。

6、进一步地，所述基于tsn技术的a、b双网络包括间隔层接入交换机和过程层汇聚交换机，过程层及间隔层tsn网络构成了a、b双网，每个合并单元发送的采样值报文通过a、b双端口向保护装置a、b发送，智能单元的状态量报文也通过a、b双端口向测控装置a、b发送。

7、进一步地，所述基于tsn技术的a、b双网络模型为：

8、g＝(v,e)

9、其中，合并单元、智能单元、接入交换机、汇聚交换机、测控装置以及继电保护装置被抽象为节点集合v，节点之间的直连通信链路则被抽象为无向图中边的集合e。

10、进一步地，所述获取多业务流量传输搜索最优路径包括：

11、定义s∈v为周期性业务的路由请求的源节点，d∈{v-{s}}为周期性业务路由请求目的节点，令周期性业务从源节点s∈v至目的节点d∈v的路由请求r(s,d)，则传输路径的qos表达式为：

12、

13、其中，delay(n)、delay_jitter(n)分别为业务流量经过节点n的时延、时延抖动；delay(e)、delay_jitter(e)为业务流量经过通信链路e的时延、时延抖动；

14、对于某个业务流量的路径请求r(s,d)令传输时延、时延抖动需小于预设值dbudget、合理设置调度算法的惩罚因子λ、μ的初始值，令m个路径搜索代理负责基于路径偏好值的计算与更新进行最佳路径搜索，m为路径搜索代理索引变量，t为迭代变量；

15、每次迭代搜索最优路径开始时，所有路径搜索代理初始均位于源节点s，其选择路径的方式是基于路径偏好计算选择概率，并以选择概率最大的路径为最优结果，在第t次路径搜索迭代过程中，当路径搜索代理m位于节点i时，其选择至节点j路径的概率计算方式如下：

16、

17、其中，passedm(m＝1,2,...,m)为路径搜索代理m已选中的节点集合，allowedm＝{i|i∈n-passedm}为路径搜索代理m备选的节点集合，n为集合v所包含的节点数量，lij为节点i至节点j的路径长度，ηij＝1/lij；τij(t)是边eij在第迭代搜索路径时剩余选择偏好值，将路径搜索代入上式计算获得概率，选取备选链路概率最大的作为当前下一跳链路，直至最终选择出目的节点d的传输路径，针对所有路径搜索代理执行上述操作，每次迭代过程中保留所有路径搜索代理获得的代价最小的即最优路径结果r*(s,d)，

18、根据求得的最优路径结果r*(s,d)，按照以下方式更新调度算法的惩罚因子：

19、λ＝[λ-θt[dbudget-delay(r*(s,d))]]+

20、其中，运算符[z]+为max(z,0)，θt为正的更新步长，判断惩罚因子λ、μ是否收敛，如收敛则流量调度算法结束，并将本次内层迭代求得的最优路径结果作为最终结果输出；否则返回继续下一次迭代，直到算法收敛。

21、第二方面，本发明提供了一种变电站差异化业务流量调度系统，包括：

22、构建模块，用于针对变电站构建基于tsn技术的a、b双网络传输模型；

23、优化模块，用于根据双网络传输模型设计流量调度算法，获取多业务流量传输搜索最优路径，从而实现路径传输代价最小且满足多业务差异化流量传输性能需求。

24、进一步地，所述构建模块，用于针对变电站构建基于tsn技术的a、b双网络传输模型，基于tsn技术的a、b双网络包括间隔层接入交换机和过程层汇聚交换机，过程层及间隔层tsn网络构成了a、b双网，每个合并单元发送的采样值报文通过a、b双端口向保护装置a、b发送，智能单元的状态量报文也通过a、b双端口向测控装置a、b发送。

25、进一步地，所述构建模块，用于针对变电站构建基于tsn技术的a、b双网络传输模型，表示为：

26、g＝(v,e)

27、其中，合并单元、智能单元、接入交换机、汇聚交换机、测控装置以及继电保护装置被抽象为节点集合v，节点之间的直连通信链路则被抽象为无向图中边的集合e。

28、进一步地，所述优化模块，用于根据双网络传输模型设计流量调度算法，获取多业务流量传输搜索最优路径，包括：

29、定义s∈v为周期性业务的路由请求的源节点，d∈{v-{s}}为周期性业务路由请求目的节点，令周期性业务从源节点s∈v至目的节点d∈v的路由请求r(s,d)，则传输路径的qos表达式为：

30、

31、其中，delay(n)、delay_jitter(n)分别为业务流量经过节点n的时延、时延抖动；delay(e)、delay_jitter(e)为业务流量经过通信链路e的时延、时延抖动；

32、对于某个业务流量的路径请求r(s,d)令传输时延、时延抖动需小于预设值dbudget、合理设置调度算法的惩罚因子λ、μ的初始值，令m个路径搜索代理负责基于路径偏好值的计算与更新进行最佳路径搜索，m为路径搜索代理索引变量，t为迭代变量；

33、每次迭代搜索最优路径开始时，所有路径搜索代理初始均位于源节点s，其选择路径的方式是基于路径偏好计算选择概率，并以选择概率最大的路径为最优结果，在第t次路径搜索迭代过程中，当路径搜索代理m位于节点i时，其选择至节点j路径的概率计算方式如下：

34、

35、其中，passedm(m＝1,2,...,m)为路径搜索代理m已选中的节点集合，allowedm＝{i|i∈n-passedm}为路径搜索代理m备选的节点集合，n为集合v所包含的节点数量，lij为节点i至节点j的路径长度，ηij＝1/lij；τij(t)是边eij在第迭代搜索路径时剩余选择偏好值，将路径搜索代入上式计算获得概率，选取备选链路概率最大的作为当前下一跳链路，直至最终选择出目的节点d的传输路径，针对所有路径搜索代理执行上述操作，每次迭代过程中保留所有路径搜索代理获得的代价最小的即最优路径结果r*(s,d)，

36、根据求得的最优路径结果r*(s,d)，按照以下方式更新调度算法的惩罚因子：

37、λ＝[λ-θt[dbudget-delay(r*(s,d))]]+

38、其中，运算符[z]+为max(z,0)，θt为正的更新步长，判断惩罚因子λ、μ是否收敛，如收敛则流量调度算法结束，并将本次内层迭代求得的最优路径结果作为最终结果输出；否则返回继续下一次迭代，直到算法收敛。

39、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，执行所述程序时实现根据所述的变电站差异化业务流量调度方法的步骤。

40、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，以下简称为存储介质，存储介质中存储有计算机程序，被设计为运行时实现根据所述的变电站差异化业务流量调度方法的步骤。

41、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：能够在不同层级tsn交换机引入时延及抖动时、考虑各类装置配置管理报文背景流量条件下，动态选择代价最小传输路径，确保保护测控业务流传输有界时延及抖动；采用公开的基于智能路径搜索代理与梯度下降结合的迭代算法，能够有效解决网络业务流量调度的组合优化问题。