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基于OPTICS聚类的电力通信网跨层保护系统设计
摘要：电力通信网跨层传输数据时，受到噪声数据影响，导致跨层数据传输耗时长、电流畸变率高。为了保证跨层通信安全，设计基于密度的聚类算法（Ordering Points To Identify the Clustering Structure,OPTICS）的电力通信网跨层保护系统。构建并联有源电力滤波器安全保护电路，保证三相四线制限幅后具有良好谐波补偿效果。通过跨层控制主动切换模块，实现目标通信链路下达指令的主动切换。对电力通信网跨层数据进行OPTICS聚类处理，结合Laplace机制添加对称指数分布噪声，将Laplace噪声添加到聚类簇中，输出添加噪声后结果存储在输出队列中，完成通信网跨层保护。由系统测试结果可知，该系统传输耗时少，且在10 s测试时间内跨层电流畸变率仅为21%，能够起到保护通信网跨层传输的作用。
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电力通信网包括传输网络、业务网络和支撑网络，当前传输网络主要采取的是快速重路由的方法来修复。由于各层次间的相互隔离和较高的冗余，因此，随着数据容量的增加，网络的资源将会迅速消耗，从而导致整个系统的运行效率下降。为了增强通信网络的运行效能，文献[1]提出了基于最小路径选择度的保护方案，根据链路宽度的利用情况，利用图卷积法进行了链路带宽利用率的预测，并将其与三角形模式的运行图进行比较，从而确定了线路选型，实现对电网资源的动态分布；文献[2]提出了面向分布式一致性算法的设计方法，在此基础上，运用奈奎斯特稳定性准则，导出了最大的时滞，并运用代数连接性理论，提出了一种基于代数连接的多目标最优解的算法。然而，这两种保护方式都需要很高的连接和运算性能，因此，很难在现实中将它们用于跨级防护。为此，设计了基于OPTICS聚类的电力通信网跨层保护系统。
1、硬件结构设计
1.1并联有源电力滤波器安全保护电路
并联型有源电力滤波器从与系统无直接相连状态过渡到包含电网谐波和无功电流的全过程输入状态，其电路结构如图1所示。
图1并联有源电力滤波器安全保护电路
全过程输入是将有源电力滤波器与系统进行物理连接，其中，包含了触点闭锁和电流限制[3]。该输入是绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）启动信号是由初始闭塞状态到非闭合状态，再到主动功率滤波命令电流由限制向标准补偿的转变[4]。
在有源电力滤波中，由于采用了比例限制法，其谐波和无功补偿的数量均按一定的比例减小，从而导致最终的有源电力滤波器对谐波进行有效校正[5-6]。为了确保三相四线制有源电力滤波器在经过一定幅度后，每相位基准电压的总和为0，并根据中间基准电压对三相零序进行调节，调整后的各相参考电流为：
式中，IinA、IinB、IinC分别表示A、B、C三相实际电流值；I′inA、I′inB、I′inC分别表示A、B、C三相参考电流值[7-8]。在此基础上，可以在任意时刻确保所有的参考电流总和为0。而且，所有的相位都能得到充分的谐波补偿。
1.2跨层控制主动切换模块设计
电力通信功率监测模块利用电源的转换器获取目前工作通信线路的通信功率，经ADC模数转换模块变换成数字信号后，可以识别和处理数字信号[9]。该监测模块基于目前所计算的通信功率的容量来判断是否要进行通信交换机的切换，将有关的数据经由以太网络传输给主机，同时还可以接收来自主机的指令，实现对通信开关模块的自动切换[10]。跨层控制主动切换模块如图2所示。
图2跨层控制主动切换模块
图2所示的每一根接收光纤都通过一个分流器连接到一个通信电源监控装置，该监控装置负责光电转换、电子信号放大和AD转换等功能，再通过ARM的Linux系统进行信号的识别[11-12]。如果光纤出现故障，ARM将激活切换控制器，通过控制开关转换器，就能将故障光纤转换为保护光纤，同时通过网络通信装置将故障信号传输给监测中心，告知各个线路是否有必要进行抢修，并且控制模块可以接收来自主机发出的切换指令，从而实现跨层控制的主动切换。
2、基于OPTICS聚类的跨层保护
2.1电力通信网跨层数据OPTICS聚类处理
OPTICS聚类[13-15]的关键在于利用邻近区域中相邻点的数量来度量其位置的密度。密度可达距离与空间的密集程度有关的，当该点的位置密度较大时，其从邻近的位置到达的距离最短。而对于密集的区域，需要将其以最短的区域为条件进行扩大[16]。因此，OPTICS方法利用一组可到达的高度递增序列来存储要扩展的节点，从而快速地在密集的区域内找到目标。以所得队列中的点数列为横坐标，以所到达的长度为纵坐标，即可获得如图3所示的可达距离。
图3可达距离示意图
图3可到达范围中的谷值区表示高密度集群中的点集，峰值区表示稀疏数据边界点集。因此，遍历可达图时，可以利用陡降和陡升两个方向识别并抽取群集。在进行运算时，一般都会选取最短的路径进行运算，即始终在密集的地方扩展，直至处理完当前稠密区域，再去寻找下一片密集的地方。当进入新的稠密区域时，未经加工的稀疏点就会被重新搁置，直到所有的数据都处理完毕之后，可获取OPTICS聚类后的电力通信网跨层数据。
2.2跨层保护方案设计
OPTICS是一种基于密度的聚类方法，其最大的优势在于可以对不同类型的数据进行检测，且对噪声数据不敏感。详细跨层保护流程如下所示。
步骤一：建立用于储存核心目标和中心目标的直接密度，可到达目标的队列Q1，并按照可达的递增顺序进行排列；建立用于储存生成序列Q2，按照储存采样点顺序进行排列；在群集中加入了噪音之后，输出排队Q用于保存数据。该过程主要采用Laplace机制，主要用于数值查询，如果随机算法满足差分隐私，那么查询结果中添加噪声，得到的响应值λ(Q)为：
式中，f (·)表示敏感函数；δ表示差分隐私参数；表示对称指数分布。
步骤二：当所有的点集都已经被处理后，该算法就会被终止；否则选取一个未处理（Q2排队）且是一个核心目标的样本，计算数据敏感程度，公式如下：
式中，F表示数据集。基于该数据敏感程度，分析样本点是否存在于结果队列中，如果不存在，则直接将其存放于输出队列Q中，并按照电力通信网跨层数据OPTICS聚类处理的可达距离排序。
步骤三：若Q1是空集，则进入步骤二；反之，从已排序的数据中提取出样本点（可以到达最短的样本点），并将所提取的样本点（若Q2不存在）存储到Q2。如果它不存储在Q2中，采用Laplace机制分布函数添加对称指数分布噪声，则得到的结果集落在密度可达点集的概率为：式中，S表示改变位置参数的变量。只要保证攻击者所查询的成功概率不大于P，就能保证通信网跨层数据安全，由此得到的隐私参数选取上界应满足下列条件：
在式（7）约束条件下，判定该直接密度可达样本点是否已经存储在Q2中，如果存储，则不进行处理，直接进行下一步。
步骤四：将Laplace噪声加入到聚类群集中，并将加入噪声结果集保存到Q中，由此完成通信网跨层保护。
3、系统性能测试
3.1测试平台架构
为了验证基于OPTICS聚类的电力通信网跨层保护系统设计的合理性，建立一个数据库服务器，采用“双机热备”方式，在虚拟平台构建了一个服务器集群，增大容灾覆盖范围，并能高效地消除单点故障，系统架构如图4所示。
图4测试平台架构
数据备份主要是为了保证数据的安全性，并将数据定期储存于备份服务器中。在系统受到损坏或受到袭击的情况下，将数据转到原来的数据库中进行恢复。
3.2跨层通信决策性能测试
设定通信链路传输数据分为恶劣和良好两种情况，将通信链路条件作为变量，观察不同时间间隔下使用基于最小路径选择度的保护方案、面向分布式一致性算法和基于OPTICS聚类系统的数据传输耗时，对比结果如图5所示。
由图5(a）可知，在传输数据为恶劣的情况下，基于最小路径选择度、面向分布式一致性算法的保护方案传输耗时最小值均为80 s，使用基于OPTICS聚类系统传输耗时最小值为40 s。由此可知，在该情况下使用所设计系统传输耗时最少。由图5(b）可知，在传输数据为良好的情况下，基于OPTICS聚类系统传输耗时最小，使用基于最小路径选择度保护方案传输耗时最大，两者传输最小耗时差值为10 s。由此可知，在该情况下使用所设计系统传输耗时最少。
3.3跨层电流畸变测试
如果电力通信网跨层得不到有效保护，跨层通信过程中电流将会出现畸变。根据GB/T 14549-1993可知，电流畸变率一般不超过25%，为了进一步验证所设计系统能够起到良好的保护效果，三种方法跨层电流畸变率对比分析如图6所示。
图5不同方法数据传输耗时对比分析
图6不同方法跨层电流畸变率对比分析
由图6可知，由于使用基于最小路径选择度的保护方案、面向分布式一致性算法在传输数据较为恶劣情况下，传输耗时较长，说明该情况下对跨层保护造成了一定影响。因此，使用这两种方法电流畸变率均大于基于OPTICS聚类系统。
4、结束语
文中从硬件结构设计、基于OPTICS聚类的电力通信网跨层数据保护两部分完成了基于OPTICS聚类的电力通信网跨层保护系统设计研究。性能测试结果表明，设计系统对电力通信网跨层数据聚类效果较好，且保证了电力通信网跨层的传输质量，为相关研究提供了参考。
参考文献:
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基金资助:内蒙古电力(集团)有限责任公司项目(KYTC2020HD09);
文章来源:梁发亮,岳龙,李树勇.基于OPTICS聚类的电力通信网跨层保护系统设计[J].电子设计工程,2024,32(18):163-167.
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2024-09-20
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