【精彩论文】基于层次分析法的“十四五”终端通信接入网通信技术规划

基于层次分析法的“十四五”终端通信接入网通信技术规划

吴庆¹, 王云棣¹, 曾令康¹, 孙云晓², 陈闽林³

（1. 国网信息通信产业集团有限公司, 北京 102211; 2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏 南京 211103; 3. 北京智芯微电子科技有限公司, 北京 102200）

摘要：“十三五”终端通信接入网建设主要由各专业业务部门主导，自行建设、运行及管理，存在通信技术选型缺乏科学指导依据、接入网建设缺乏统筹规划、通信网络重复建设等问题。面向“十四五”能源互联网终端融合、业务融合、网络融合的特点，基于层次分析法建立面向多业务融合典型场景下的接入网通信技术规划模型，计算并提出不同供电区域终端通信接入网远程通信技术选型原则，为“十四五”终端通信接入网规划与建设提供参考。

引文信息

吴庆, 王云棣, 曾令康, 等. 基于层次分析法的“十四五”终端通信接入网通信技术规划[J]. 中国电力, 2022, 55(5): 174-181.

WU Qing, WANG Yundi, ZENG Lingkang, et al. Communication technology planning for power terminal communication access networks in the “14th five-year plan” based on analytic hierarchy process[J]. Electric Power, 2022, 55(5): 174-181.

引言

随着国家电网有限公司“十三五”终端通信接入网的全面建设，公司已经积累了大量的相关技术研究、产品研发、网络建设、运维管理经验，但仍存在通信技术选型缺乏科学指导依据、接入网建设缺乏统筹规划等问题。随着能源互联网的建设与发展，电网末端将接入数量庞大功能各异的终端、产生更新更频繁的业务交互、采集更全面更详细的数据，海量接入、广域覆盖、低成本、高可靠的通信接入网络成为建设能源互联网的必要。因此，在“十四五”终端通信接入网规划方面，需要选择与应用场景适配的通信技术。文献[1-3]提出了基于层次分析的电力终端通信接入网综合评价模型，但并未考虑不同场景下指标体系权重的差异性，也未给出具体的技术选择适配结论；文献[4]主要围绕终端通信接入网的建设和运行成本开展分析，但未考虑不同通信技术对建设和运行成本的区别和影响；文献[5]设计了多技术融合的智能配用电终端通信接入3层架构，但主要面向配电自动化和用电信息采集，未考虑新兴业务对接入网的需求；文献[6]探讨了终端通信接入网建设和运行模式，仅从定性的角度提出了典型的网络建设模式；文献[7-8]仅从通信技术本身的角度，分析总结了配用电通信网的规划及适配模型，缺乏与现场应用的关联。综上，本文在建立层次分析法规划模型的基础上，充分考虑不同电力应用场景对模型指标体系权重的影响，进行综合考虑和评分，提出具体的网络典型配置原则，既可以适配现网电力业务，也可以为未来新兴电力业务接入网选型提供参考。

1  基于层次分析法的规划匹配模型

1.1  模型建立背景

在能源体系结构性变革过程中，能源互联网以电网客户需求和电网企业发展为导向，将源、网、荷等联系在一起^[9]。在多数据融合、多场景融合、接入网多业务承载的发展趋势下，需要综合考虑多业务整体需求，面向通信网络多业务承载的实际建设及发展情况，基于不同负荷密度的供电区域划分典型场景（A+、A、B、C、D、E地区^[10]），研究和建立典型场景与接入网通信技术匹配模型。利用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）^[11]建立匹配模型是比较常用的效益评价方法，除文献[1-2]之外，在电动汽车^[12-13]、输电线路在线监测^[14-15]、电力业务运营监测^[16-17]、电力创新体系建设^[18]、电力零售^[19]、电力通信网业务风险评估^[20]等电力相关方面都有分析和应用，能够较好地指导实际规划设计及运行管理等工作开展。

1.2  模型评价指标建立

匹配模型中，各评价指标能够从不同的方面反映通信技术与业务需求的匹配程度。首先是构造评价指标体系，然后进行数据的规范化处理，最后确定权重并进行一致性分析。接入网规划匹配模型从实际建设应用角度设计，基于层次分析法建立评价指标如表1所示。

表1  规划匹配模型评价指标

Table 1  The evaluation indexes of planning matching model

一级评价指标分为3项：通信设备及系统全生命周期成本、通信技术带来的业务效益及通信技术特点。每个一级评价指标下，再细分多个二级评价指标，具体如下。（1）通信设备及系统全生命周期成本。①通信设备采购成本：对采购成本的敏感度，也即在选择通信体制时，需要考虑设备的招标采购价格以及项目建设配套通信建设投资金额，对于供电可靠性要求高、经济发达的地区，该项成本的敏感度较低。②通信设备建设成本：对通信系统建设施工难易度及施工成本的敏感度，例如在城市中心敷设光缆挖沟、电力无线专网基站（非自有物业）站址征地^[21]等。对于城市结构复杂、拥挤的地区，该项成本的敏感度较高^[22]。③通信系统运维成本：对通信系统正常运行所需人力及财物资源的敏感度，不同地区的人力成本（工资）、运行成本存在区别。对于经济发达地区，该项成本敏感度较高。④通信系统故障抢修成本：对通信故障时抢修所花费的人力、物力等的敏感度。对于供电可靠性要求高、经济发达的地区，该项成本的敏感度较低^[23]。⑤通信设备废置处理成本：由于通信技术及设备升级、系统改造等原因，导致已部署设备提前报废或更换，造成前期投资浪费。对于设备和技术更新速度快、更新概率高的地区，该项成本的敏感度较高。（2）通信技术带来的业务效益。①通信技术提供的通信可靠性：基于供电区域对供电可靠性的要求，对通信可靠性的要求^[24]。②通信技术提供的通信隔离性：多业务承载场景下，对通道安全隔离性的需求^[25]。③通信技术提供的接入容量：单位供电面积下，业务终端接入数量的需求。④通信系统可扩展性：对应业务及终端的增长速度，要求通信系统具备一定的可扩展性^[26]。在A+/A类地区，业务基本饱和，业务以质量和性能提升为主，而不是绝对数量的快速增长；而在B、C类地区，业务及终端数量增长速度最快。（3）通信系统本身特点。①通信技术先进性：通信技术应用受到国家政策影响力及公司试点影响力的程度，同时，适度考虑各类地区对新技术的需求强烈程度，以及对已部署的相对落后技术的更替需求强烈程度。②通信设备产业链成熟度：对备品备件需求强烈度，以及对产品兼容性、一致性的要求。同时，适度考虑在D、E等技术和设备相对落后地区，对因为技术淘汰而无法找到更换或替代件的需求情况。③通信技术适配性：对通信技术业务适配性的需求，主要考虑通信技术是否能够根据电力业务场景及需求进行定制化配置或设计开发，以及定制化的程度。基于上述评价指标，面向A+、A、B、C、D、E 6类供电地区场景，后续将对一级和二级评价指标进行评分和计算。

1.3  权重决策计算

在确定各层次各因素之间的权重时，采用一致矩阵法，通过评价指标两两相互比较，尽可能减少性质不同的诸因素相互比较的困难，以提高准确度。一致矩阵法中，判断矩阵为

式中：a_ij=1/a_ji ， a_ij 表示评价指标i与评价指标j相互之间重要性的比较结果，如表2所示。

表2  评价指标间重要性标度Table 2  Importance scale between evaluation indexes
基于一致矩阵A，可以计算每一个评价指标在该判断矩阵中的归一化权重值为

式中：

在对多个评价指标进行比较时，为了确保不同评价指标相互之间进行比较的逻辑一致性，需要对于每个判断矩阵进行一致性检验。也即计算一致性比率 ，若一致性比率<0.1，则检验通过；否则不通过，需重新构造判断矩阵。其一致性指标为

式中：n为判断矩阵的阶数；λ_max 为判断矩阵的最大特征根，有R_I  是判断矩阵的随机性指标，与判断矩阵的阶数n相关，如表3所示。

表3  随机性指标Table 3  Randomness index
由此得出各个判断矩阵及权重，并根据一级评价指标和二级评价指标之间的层次关系，计算出针对评价目标而言，所有因素重要性的权重。

1.4  通信技术评分原则

为了对不同通信技术的匹配度做出量化评价，对不同的评价指标满足场景应用要求的情况进行定级，定级原则按照某一参数指标下，不同通信技术的优劣进行评分，分为4个档次：40、60、80、100。进行规划的接入网远程通信技术包括光纤专网、无线公网、无线专网、中压载波、北斗短报文等，技术评分结果如表4所示。
表4  技术评分结果Table 4  Rating scores for communication technologies

1.5  公式化求解

在某一典型应用场景中，将1.4节各通信技术的评分与1.3节中各指标权重依次相乘并求和，得到各通信技术的评分值，进而可得出在该典型应用场景下不同通信技术的匹配度。分数最高即为在该典型应用场景下优先选择的通信技术。

2  评价指标评分

分别针对A+、A、B、C、D、E等6类供电地区，对评价指标进行权重决策和计算。2.1  A+类供电区域

A+类供电区域负荷密度最大，经济也相对发达，对供电可靠性指标的要求最高，相对而言对成本的敏感度较低，对前沿通信技术的需求不迫切。评价指标评分及权重如表5~8所示。

表5  A+类供电区域一级评价指标及权重策略Table 5  The 1st-level evaluation indexes and weights in type A+ power supply area
表6  A+类供电区域二级评价指标（成本）及权重策略Table 6  The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type A+ power supply area
表7  A+类供电区域二级评价指标（效益）及权重策略
Table 7  The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type A+ power supply area
表8  A+类供电区域二级评价指标（技术）及权重策略Table 8  The 2nd-level evaluation indexes (technology) and weights in type A+ power supply area
计算表5评价指标一致性指标 C_R =0.033199＜0.1，满足一致性校验要求。分别计算上述3个二级评价指标的一致性指标 C_R ，依次是：0.071248、0.023934、0.007933，均小于0.1，满足一致性校验要求。

2.2  A类供电区域

A类供电区域负荷密度较大，经济较发达，对供电可靠性指标的要求高，对通信建设成本的敏感度较低，较常试点先进通信技术（尤其是前沿通信技术）。评价指标评分及权重如表9~12所示。

表9  A类供电区域一级评价指标及权重策略

Table 9  The 1st-level evaluation indexes and weights in type A power supply area

表10  A类供电区域二级评价指标（成本）及权重策略Table 10  The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type A power supply area
表11  A类供电区域二级评价指标（效益）及权重策略Table 11  The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type A power supply area
表12  A类供电区域二级评价指标（技术）及权重策略Table 12  The 2nd-level evaluation indexes (technology) and weights in type A power supply area
计算表9评价指标一致性指标 C_R =0.046225＜0.1，满足一致性校验要求。分别计算上述3个二级评价指标的一致性指标 C_R ，依次是：0.080646、0.058922、0.046225，均小于0.1，满足一致性校验要求。

2.3  B、C类供电区域

B、C类供电区域负荷密度一般，对供电可靠性指标的要求一般，对成本的敏感度较A+、A供电区域高，对先进通信技术及设备本身的要求一般。评价指标评分及权重如表13~16所示。

表13  B、C类供电区域一级评价指标及权重策略Table 13  The 1st-level evaluation indexes and weights in type B & C power supply areas
表14  B、C类供电区域二级评价指标（成本）及权重策略Table 14  The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type B & C power supply areas
表15  B、C类供电区域二级评价指标（效益）及权重策略Table 15  The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type B & C power supply areas
表16  B、C类供电区域二级评价指标（技术）及权重策略Table 16  The 2nd-level evaluation indexes (technology) and weights in type B & C power supply areas

计算表13评价指标一致性指标， C_R =0.015 771＜0.1，满足一致性校验要求。

分别计算上述3个二级评价指标的一致性指标 C_R ，依次是：0.046252、0.071975、0.081048，均小于0.1，满足一致性校验要求。

2.4  D、E类供电区域

D、E类供电区域负荷密度小，经济相对落后，对供电可靠性指标的要求较低，对成本的敏感度高，对通信技术及设备本身的要求较低。评价指标评分及权重如表17~20所示。

表17  D、E类供电区域一级评价指标及权重策略Table 17  The 1st-level evaluation indexes and weights in type D & E power supply areas
表18  D、E类供电区域二级评价指标（成本）及权重策略Table 18  The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type D & E power supply areas
表19  D、E类供电区域二级评价指标（效益）及权重策略Table 19  The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type D & E power supply areas
表20  D、E类供电区域二级评价指标（技术）及权重策略Table 20  The 2nd-level evaluation indexes (technology) and weights in type D & E power supply areas计算表17评价指标一致性指标， C_R =0.073 937＜0.1，满足一致性校验要求。分别计算上述3个二级评价指标的一致性指标 C_R ，依次是：0.099749、0.095662、0.063374，均小于0.1，满足一致性校验要求。

3  规划匹配计算结果

3.1  规划匹配计算结果

对上述不同供电区域终端通信接入网规划进行匹配计算，结果如表21所示。

表21  各类供电区域下通信技术匹配得分Table 21  Matching scores for communication technologies in all types of power supply areas
由计算结果可见，不同供电区域终端通信接入网对通信技术的需求不相同。

3.2  规划原则建议

根据3.1节模型匹配计算结果，针对“十四五”终端通信接入网建设，总结远程通信技术规划原则建议如下。（1）A+类区域：对于控制类业务，配置光纤通道，在必要时进行多路由备份配置；对于非控制类业务，配置电力无线专网及无线公网。（2）A类区域：对于控制类业务，优先配置光纤通道，可选择配置电力无线专网；对于非控制类业务，在已建设电力无线专网的情况下，优先复用电力无线专网，也可选择配置无线公网。（3）B、C类区域：以配置电力无线专网和无线公网为主，配置电力线载波为辅，必要时可对关键业务节点选择配置光纤通道。（4）D、E类区域：优先配置无线公网，在无线公网覆盖条件受限的情况下，可考虑配置电力线载波、北斗短报文等通信方式。

4  结论

围绕技术特点、全生命周期成本、经济效益等评价指标，通过层次分析法建立“十四五”终端通信接入网远程通信技术规划匹配模型，通过权重策略、技术评分，得到不同供电区域下，光纤专网、无线公网、无线专网、中压载波、北斗短报文等远程通信技术的推荐选型原则。该原则与具体电力业务解耦，不仅适用于现网电力业务通信网建设，还能够适应将来新兴电力业务的通信需求，能够指导“十四五”终端通信接入网远程通信技术选型，提升接入网电力业务支撑效益。

（责任编辑　张重实）

作者介绍

吴庆（1983—），男，通信作者，博士，高级工程师，从事电力通信技术、终端通信接入网研究及无线专网、5G等电力通信产品研发，E-mail：[e-mail].欢迎点击文后“阅读原文”跳转期刊官网，获取更多信息！

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编辑：杨彪、于静茹

校对：蒋东方

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