一种基于消息队列吸收能力演化预测的保护装置防拥塞方法及系统与流程

本发明属于电力系统继电保护装置通信与消息队列管理，尤其涉及一种基于消息队列吸收能力演化预测的保护装置防拥塞方法及系统。

背景技术：

1、保护装置作为电力系统继电保护和控制系统中的关键二次设备，通常需要同时处理保护动作信息、跳闸命令、soe事件、故障录波、告警信息、模拟量刷新、开关量刷新、日志记录、打印任务以及后台通信等多类消息。为保证不同功能模块之间的数据传递，保护装置内部通常采用消息队列、共享缓冲区、进程间通信队列或网络发送缓存等方式实现消息传输与解耦。

2、在正常运行状态下，保护装置的消息产生相对平稳，消息队列能够及时完成入队、出队和处理。然而，在电网故障、保护启动、跳闸、录波触发、通信异常恢复或人机界面集中刷新等场景下，多个功能模块可能在短时间内集中产生大量消息，导致消息队列快速增长，进而引起消息发送失败、低优先级消息堆积、关键事件消息延迟甚至消息丢失。

3、现有消息队列拥塞处理方式通常依赖队列长度阈值、固定优先级调度或生产消费速率比较等方式实现。当队列长度达到预设阈值后，再对低优先级业务进行延迟、丢弃或缩减资源分配，能够在一定程度上缓解队列拥塞问题。但是，该类方式多以队列当前长度或当前资源状态作为触发依据，在启动防护时队列往往已经处于积压状态，难以在队列尚未达到拥塞状态之前提前识别处理能力退化趋势。

4、此外，单纯依据队列长度或生产消费速率进行判断时，难以有效区分短时消息突发与持续性处理能力退化。当短时间内出现大量日志、界面刷新、事件上送或录波相关消息时，传统方式容易在突发冲击已经占用大量队列空间后才进行处理，导致保护动作、跳闸、soe等关键消息与普通消息竞争队列空间，影响关键消息的实时传递可靠性。

5、因此，现有保护装置消息队列拥塞处理方式仍存在拥塞风险识别不够及时、防护动作启动滞后、对队列处理能力持续下降趋势识别不足，以及突发消息冲击下关键消息容易受到普通消息队列空间竞争影响，从而存在关键消息被延迟或丢失的风险的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于消息队列吸收能力演化预测的保护装置防拥塞方法及系统，该方法能够在保护装置消息队列尚未达到拥塞阈值之前，基于队列对新增消息冲击的吸收能力变化提前预测拥塞风险，并主动执行防护处理，降低关键消息被延迟或丢失的风险。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于消息队列吸收能力演化预测的保护装置防拥塞方法，包括：

4、获取保护装置中待监测消息队列在当前时间窗口的队列运行统计量和队列最大容量；所述队列运行统计量包括当前时间窗口内的新增消息量、当前时间窗口起始时刻的队列长度和当前时间窗口结束时刻的队列长度；

5、根据当前时间窗口结束时刻的队列长度相对于当前时间窗口起始时刻的队列长度的正向增长量，以及当前时间窗口内的新增消息量，确定当前时间窗口对应的队列吸收系数；

6、根据当前时间窗口对应的队列吸收系数和历史时间窗口对应的队列吸收系数，确定吸收能力演化参数，并根据所述吸收能力演化参数预测下一时间窗口对应的未来吸收能力；

7、根据当前时间窗口结束时刻的队列长度、所述队列最大容量、所述未来吸收能力以及所述吸收能力演化参数，生成拥塞风险指数；

8、根据所述拥塞风险指数确定待监测消息队列对应的风险等级；

9、在风险等级属于主动防护等级，且待监测消息队列在当前时间窗口结束时刻的队列长度未达到预设拥塞阈值的情况下，对待监测消息队列执行与所述风险等级匹配的主动防护处理；其中，所述主动防护处理包括对非关键消息执行延迟缓存、合并处理或限量丢弃中的至少一种，并在所述风险等级达到关键消息保护等级时，为关键消息预留受保护队列空间。

10、可选的，所述待监测消息队列包括人机界面接收队列、主控通信队列、日志队列、打印队列、网络通信队列和事件上送队列中的至少一种。

11、可选的，根据当前时间窗口结束时刻的队列长度相对于当前时间窗口起始时刻的队列长度的正向增长量，以及当前时间窗口内的新增消息量，确定当前时间窗口对应的队列吸收系数，包括：

12、在当前时间窗口结束时刻的队列长度大于当前时间窗口起始时刻的队列长度的情况下，将当前时间窗口结束时刻的队列长度与当前时间窗口起始时刻的队列长度之间的差值确定为所述正向增长量；

13、在当前时间窗口结束时刻的队列长度小于或等于当前时间窗口起始时刻的队列长度的情况下，将所述正向增长量确定为零；

14、根据所述正向增长量与当前时间窗口内的新增消息量之间的比值，确定新增消息转化为队列积压的比例；

15、将一与所述新增消息转化为队列积压的比例之间的差值确定为所述队列吸收系数。

16、可选的，在所述待监测消息队列包括多个消息队列的情况下，分别确定每个消息队列在当前时间窗口对应的队列吸收系数，并获取每个消息队列对应的队列权重；

17、根据每个消息队列对应的队列吸收系数和队列权重，确定所述多个消息队列对应的综合吸收系数；

18、将所述综合吸收系数作为当前时间窗口对应的队列吸收系数，用于确定所述吸收能力演化参数。

19、可选的，所述吸收能力演化参数包括吸收能力退化程度和吸收能力退化加速程度；

20、所述吸收能力退化程度根据上一时间窗口对应的队列吸收系数与当前时间窗口对应的队列吸收系数之间的差值确定；

21、所述吸收能力退化加速程度根据当前时间窗口对应的吸收能力退化程度与上一时间窗口对应的吸收能力退化程度之间的差值确定。

22、可选的，根据所述吸收能力演化参数预测下一时间窗口对应的未来吸收能力，包括：

23、获取当前时间窗口对应的队列吸收系数，以及所述吸收能力退化程度和所述吸收能力退化加速程度分别对应的预设预测权重；

24、基于所述吸收能力退化程度和所述吸收能力退化加速程度分别对应的预设预测权重，对所述吸收能力退化程度和所述吸收能力退化加速程度进行加权处理，得到吸收能力退化预测影响量；

25、根据当前时间窗口对应的队列吸收系数和所述吸收能力退化预测影响量，预测下一时间窗口对应的未来吸收能力；

26、其中，所述吸收能力退化程度越大，和/或，所述吸收能力退化加速程度越大，所述未来吸收能力越低。

27、可选的，所述拥塞风险指数的计算表示如下：

28、；

29、其中， 表示第k个时间窗口对应的拥塞风险指数，第k个时间窗口为当前时间窗口；表示当前时间窗口结束时刻的队列长度；表示队列最大容量；表示下一时间窗口对应的未来吸收能力；表示当前时间窗口对应的吸收能力退化程度；表示当前时间窗口对应的突发冲击因子；、、和均为预设风险权重；

30、；

31、；

32、；

33、其中，表示当前时间窗口对应的新增消息量突增比；表示当前时间窗口对应的队列长度正向增长归一化值；表示当前时间窗口对应的连续低吸收系数窗口计数归一化值，当队列吸收系数低于预设低吸收系数阈值时更新；、和分别表示对应分量权重；表示当前时间窗口内的新增消息量；表示上一时间窗口内的新增消息量；表示上一时间窗口结束时刻的队列长度，等同于当前时间窗口起始时刻的队列长度。

34、当拥塞风险指数小于第一风险阈值，确定所述风险等级为正常等级；

35、当拥塞风险指数不小于第一风险阈值且小于第二风险阈值，确定所述风险等级为第一主动防护等级；

36、当拥塞风险指数不小于第二风险阈值且小于第三风险阈值，确定所述风险等级为第二主动防护等级；

37、当拥塞风险指数不小于第三风险阈值，确定所述风险等级为第三主动防护等级；

38、其中，所述第一风险阈值小于所述第二风险阈值，所述第二风险阈值小于所述第三风险阈值。

39、可选的，对待监测消息队列执行与所述风险等级匹配的主动防护处理，包括：

40、当风险等级为第一主动防护等级，将非关键消息写入可延迟缓存队列；

41、当风险等级为第二主动防护等级，对相同类型、相同来源且在预设时间范围内连续出现的非关键消息进行合并处理；

42、当风险等级为第三主动防护等级，对可丢弃低优先级消息进行限量丢弃，并为关键消息预留受保护队列空间；

43、其中，所述第三主动防护等级为所述关键消息保护等级；

44、所述非关键消息包括日志消息、打印消息、界面刷新消息和周期遥测消息中的至少一种；

45、所述关键消息包括保护动作消息、跳闸消息、soe消息、录波启动消息、故障报告消息和重要告警消息中的至少一种；

46、所述为关键消息预留受保护队列空间，包括：在所述待监测消息队列中划分用于写入所述关键消息的关键消息保护队列空间，或者限制所述非关键消息写入所述待监测消息队列的数量，以保留用于写入所述关键消息的剩余队列空间。

47、第二方面，本发明提供一种基于消息队列吸收能力演化预测的保护装置防拥塞系统，包括：

48、数据获取模块，用于获取保护装置中待监测消息队列在当前时间窗口的队列运行统计量和队列最大容量；所述队列运行统计量包括当前时间窗口内的新增消息量、当前时间窗口起始时刻的队列长度和当前时间窗口结束时刻的队列长度；

49、吸收系数确定模块，用于根据当前时间窗口结束时刻的队列长度相对于当前时间窗口起始时刻的队列长度的正向增长量，以及当前时间窗口内的新增消息量，确定当前时间窗口对应的队列吸收系数；

50、吸收能力确定模块，用于根据当前时间窗口对应的队列吸收系数和历史时间窗口对应的队列吸收系数，确定吸收能力演化参数，并根据所述吸收能力演化参数预测下一时间窗口对应的未来吸收能力；

51、风险指数生成模块，用于根据当前时间窗口结束时刻的队列长度、所述队列最大容量、所述未来吸收能力以及所述吸收能力演化参数，生成拥塞风险指数；

52、风险等级确定模块，用于根据所述拥塞风险指数确定待监测消息队列对应的风险等级；

53、主动防护模块，用于在风险等级属于主动防护等级，且待监测消息队列在当前时间窗口结束时刻的队列长度未达到预设拥塞阈值的情况下，对待监测消息队列执行与所述风险等级匹配的主动防护处理；其中，所述主动防护处理包括对非关键消息执行延迟缓存、合并处理或限量丢弃中的至少一种，并在所述风险等级达到关键消息保护等级时，为关键消息预留受保护队列空间。

54、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

55、本发明提供一种基于消息队列吸收能力演化预测的保护装置防拥塞方法及系统，该方法首先获取保护装置中待监测消息队列在当前时间窗口的新增消息量、当前时间窗口起始时刻的队列长度、当前时间窗口结束时刻的队列长度以及队列最大容量，并根据队列长度的正向增长量与新增消息量确定当前时间窗口对应的队列吸收系数。由于队列吸收系数能够反映新增消息进入待监测消息队列后转化为队列积压的程度，因此，本发明不是仅在队列长度达到拥塞阈值后被动触发处理，而是能够从队列对新增消息冲击的吸收情况出发，提前表征待监测消息队列的处理能力变化。在此基础上，本发明进一步根据当前时间窗口和历史时间窗口对应的队列吸收系数确定吸收能力演化参数，并预测下一时间窗口对应的未来吸收能力，再结合当前队列长度、队列最大容量、未来吸收能力和吸收能力演化参数生成拥塞风险指数，进而确定风险等级并在队列长度尚未达到预设拥塞阈值时执行主动防护处理。由此，本发明能够在保护装置消息队列进入明显拥塞状态之前提前识别风险并采取防护措施，减少防护动作启动滞后的情况，同时通过对非关键消息进行延迟缓存、合并处理或限量丢弃，并在达到关键消息保护等级时为关键消息预留受保护队列空间，降低突发消息冲击下保护动作消息、跳闸消息、soe消息等关键消息被普通消息挤占队列空间而产生延迟或丢失的风险。