电力系统中MEMS 光开关切换路径优化控制的方法

引言；以智能电网为建设背景，电力系统对于光通信网络稳定性，传输速率以及故障自愈能力等方面都有了更高的要求，MEMS 光开关具有低损耗，高切换速度和可集成性等特点，是电力光通信网络中的关键组件。基于此，接下来本论文重点研究MEMS 光开关切换路径的优化问题，对其在电力系统中的控制策略进行研究，目的是提高光通信网络的性能，以此可以有效的确保电力系统的安全稳定运行。

一、对多目标优化问题进行建模和约束条件分析

在电力系统的光通信网络中，MEMS 光开关的切换路径优化需要同时考虑传输效率、能耗和可靠性等多个目标，这是一个典型的多目标优化问题，需明确优化目标的多元性，传输效率要求路径切换时延最短，以满足电力系统实时数据（例如继电保护信号，SCADA 监控数据等）的快速传输；能耗目标是为了减少光开关经常开关所产生的功耗和延长器件的使用寿命；而可靠性对路径的抗故障能力提出了更高的要求，以保证电力通信能够在单点失效的场景中仍然保持稳定的工作状态[1]。这些对象之间是耦合的，例如最短的时延路径会伴随着高损耗的产生，冗余路径虽然增强了可靠性但增大了能耗，需要对其进行数学建模以达到均衡。

建模时约束条件的量化分析是关键。从物理约束的层面上看,MEMS 光开关的机械响应速度的典型值是 5ms,所以控制指令的间隔时间需要超过5ms 才能避免切换冲突；需要将光功率损耗限制在 3dB 范围内，否则会使信号信噪比小于15dB 而造成失真。在网络拓扑的约束条件下，骨干网络的最大带宽是100Gbps,而接入网络的带宽是10Gbps,为了控制传输的延迟，节点之间的跳数被限制在 8 跳之内。安全约束明确规定，继电保护信号路径切换时延需小于10ms,误码率低于 ,优先级高于普通监测数据路径（时延容忍度 50ms ,误码率 10^-6 ）。环境约束方面，工作温度需要维持在- ⋅20^∘ C～70^∘ C 之间，当电磁干扰强度大于50V·ρ_m 时，需要开始冗余路径切换。在这些参数的基础上，我们构建了混合整数规划（MIP）模型，将多个目标和约束条件转化为可以求解的数学公式，从而为优化算法的设计提供了量化的依据。

二、根据拓扑结构对路径状态进行参数化表达

电力系统的光通信网络具有复杂多样的拓扑结构，涵盖了环网、星型网和混合组网等多种形式，为了实现 MEMS 光开关路径的优化，对网络路径状态进行精确的参数化描述是至关重要的，需构建网络拓扑模型，将节点（如变电站、控制中心）抽象为图论中的顶点，并且通信链路（含光纤、光开关）表示为边，形成加权有向图 G= （V,E）。以此为基础，引入节点状态矩阵，链路属性矩阵和光开关状态向量对路径状态进行量化描述[2]。

节点状态矩阵中记录了每个节点业务负载、设备健康度，例如节点 i实时带宽利用率和光收发模块误码率；链路属性矩阵中包括链路长度，衰减系数和可用带宽以计算路径损耗和传输时延；光开关状态向量则表示每个开关的开闭状态及切换次数，为避免过度切换提供依据。为了准确捕捉路径的动态变化，可以使用时间序列参数化技术，将路径状态随时间变化转化为多维向量，并结合卡尔曼滤波等算法来预测未来的状态。以环网结构为例，利用参数化表达可以快速辨识出链路故障后受到影响的路径集，根据节点和链路状态对备选路径进行可行性计算，从而为路径切换决策提供依据。由此可见，该参数化表达方法实现了抽象网络拓扑到可计算数学模型的转换，能够使得该优化算法可以在复杂网络环境中高效地处理路径选择问题。

图1:拓扑结构

三、兼顾时延、损耗和可靠性设计目标函数

电力系统中光通信时延敏感，低损耗需求和高可靠性等特点决定其目标函数需要兼顾多维度性能指标。尤其时延目标函数是以最小化信号的传输时间为目标，它可以由累加路径中每条链路上的传播时延和光开关切换时延来构造，而需要对不同类型业务的时延容忍度进行判别。例如继电保护信号需要亚毫秒级的延迟，管理信息类的数据则可以适当放松，损耗目标函数 F_{loss}需要集成光纤衰减，光开关插入损耗和接头损耗，以此可以有效的保证总损耗不会大于光接收机的灵敏度阈值。并且可以通过指数加权方式来凸显关键链路损耗对其影响，可靠性目标函数需要对路径抗风险能力进行多维度量化。一方面可以通过对路径上节点和链路之间冗余度进行分析，使用网络连通性指标来评价它们单点或者多点失效时的生存概率，如使用最小割集理论来计算路径上的最大可靠传输容量等；另一方面综合历史故障数据和设备健康状态引入马尔可夫链模型对关键节点和链路进行失效概率预测，并也就可以纳入可靠性评估体系中。另外，鉴于电力系统业务连续性需求，目标函数需要反映路径切换时无缝衔接能力，以此能够有效的避免光路切换造成信号中断。由此可见，通过对以上可靠性指标归一化处理和加权求和形成一个完备的可靠性目标函数来保证优化路径具有抵抗设备故障的能力、环境干扰和其他多重风险所具有的容量为电力系统的平稳运行提供了坚实的保证。[3]

结束语；

综上所述，本文所设计的MEMS 光开关切换路径最优控制方法，也就能够进一步的有效地增强电力系统光通信网络性能和可靠性。基于此，在今后的工作中，需要进一步结合电力系统对新型业务的要求，加深算法优化和在实际工程中应用的研究，以此可以有效的促进电力光通信网络向着智能化和高效化的方向不断发展。

参考文献；

[1]白京城.基于FPGA的光缆资源管理和安全预警一体化系统设计与研究[D].电子科技大学:2024.

[2] 钟昌锦. 基于 MEMS 光开关的技术设计与实现[J]. 轻工科技,2024,40(04):87-89+96.

[3]徐宁,李若梅,涂兴华,等.基于微流控技术新型光开关器件设计[J].南京邮电大学学报(自然科学版), 2009(02):25-28.DOI:CNKI:SUN:NJYD.0.2009-02-006.