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電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)方法

2013-09-13 06:13:30董希杰
關(guān)鍵詞:骨干網(wǎng)電力通信權(quán)值

曾 瑛,汪 瑩,董希杰,樊 冰

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510600;2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展,通信業(yè)務(wù)的種類與數(shù)量不斷增多,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也由最初的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),因此,電力通信骨干網(wǎng)的可靠性對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響。研究表明,現(xiàn)實(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地位存在著明顯的差異,在無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)5%的核心節(jié)點(diǎn)被攻擊時(shí),網(wǎng)絡(luò)就會(huì)處于癱瘓狀態(tài)[1]。因此,對(duì)于電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性的研究就成為一個(gè)重要課題[2]。

最初,節(jié)點(diǎn)重要度的研究主要從無權(quán)網(wǎng)絡(luò)入手,只能體現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)間的連接方式和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦?,隨著研究的深入,逐步過渡到加權(quán)網(wǎng)絡(luò)。加權(quán)網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)節(jié)點(diǎn)之間作用細(xì)節(jié)的刻畫,真實(shí)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部作用特征,有助于更好地掌握系統(tǒng)的復(fù)雜特性[3]。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估的傳統(tǒng)方法包括介數(shù)法、基于最短路徑、生成樹數(shù)目的評(píng)估方法和因子分析算法[4~7],這些方法只注重網(wǎng)絡(luò)中某一特性的研究,不能全面反映節(jié)點(diǎn)的重要性。文獻(xiàn)[8]利用三角模算子將針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性與網(wǎng)架特性的節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行融合,克服了單一指標(biāo)的局限性,但是在應(yīng)用于電力通信骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)不能反映出節(jié)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的重要性,因此不能全面地體現(xiàn)出電力通信骨干網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)重要度。

基于以上分析,本文將電力通信骨干網(wǎng)抽象為加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型,提出了一種電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)方法。利用節(jié)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)權(quán)值,對(duì)基于通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行修正,既克服了單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的局限性,又很好的反映了節(jié)點(diǎn)自身的電力特性,能更好地應(yīng)用于電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度的評(píng)價(jià)。

1 電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)方法

在將電力通信骨干網(wǎng)抽象為加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬性,從鏈路帶寬以及節(jié)點(diǎn)連通性變化的角度得到節(jié)點(diǎn)的重要度。同時(shí),由于在電力系統(tǒng)中不同類型節(jié)點(diǎn)的重要度不同,因此,利用節(jié)點(diǎn)權(quán)值對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行修正,使得該方法更適用于電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度的評(píng)價(jià)。

1.1 節(jié)點(diǎn)收縮及網(wǎng)絡(luò)凝聚度計(jì)算

vi是圖WG=(V,E,W)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),WGi表示將節(jié)點(diǎn)vi收縮后所得到的圖。將節(jié)點(diǎn)vi收縮是指將與其相連接的ki個(gè)節(jié)點(diǎn)都與節(jié)點(diǎn)vi融合,即用一個(gè)新節(jié)點(diǎn)代替這ki+1個(gè)節(jié)點(diǎn),原先與它們關(guān)聯(lián)的邊現(xiàn)在都與新節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)[8]。如果節(jié)點(diǎn)vi是一個(gè)很重要的“核心節(jié)點(diǎn)”,那么將它收縮后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將更好的凝聚在一起,最典型的示例就是,如果將星形網(wǎng)中的中心節(jié)點(diǎn)收縮,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就收縮成一個(gè)節(jié)點(diǎn),而將其它節(jié)點(diǎn)收縮后,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的凝聚程度不會(huì)發(fā)生太大的改變。

網(wǎng)絡(luò)的凝聚程度首先由網(wǎng)絡(luò)的連通性來決定,可通過節(jié)點(diǎn)間平均路徑長(zhǎng)度l這一網(wǎng)絡(luò)連通性指標(biāo)來衡量,即為對(duì)各節(jié)點(diǎn)對(duì)的最短路徑距離計(jì)算其算術(shù)平均值。其次,網(wǎng)絡(luò)的凝聚程度還由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目N來決定[9]。文獻(xiàn)[9]定義網(wǎng)絡(luò)凝聚度?(WG)為

式中:dij表示電力通信骨干網(wǎng)中由節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的加權(quán)最短距離。節(jié)點(diǎn)收縮后得到的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)平均最短路徑減少的越多,則網(wǎng)絡(luò)凝聚度就會(huì)越大,即該節(jié)點(diǎn)越重要。設(shè)節(jié)點(diǎn)i收縮為一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)其網(wǎng)絡(luò)凝聚度?(WGi)=1。

1.2 基于通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算

文獻(xiàn)[9]算法引入鏈路距離為權(quán)值,通過節(jié)點(diǎn)連接度和節(jié)點(diǎn)收縮前后網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑距離的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行評(píng)價(jià),反映了節(jié)點(diǎn)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位置屬性和連接屬性。但是無權(quán)拓?fù)錈o法反映拓?fù)涞膬?nèi)部特征,其評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面。引入鏈路帶寬權(quán)值后,就可以體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息傳輸?shù)那闆r,進(jìn)一步考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下,鏈路帶寬受整條傳輸鏈路中最小帶寬線路的影響最大,因此,引入鏈路帶寬權(quán)值才能更全面地對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在電力通信骨干網(wǎng)中,重要度高的節(jié)點(diǎn)其通信業(yè)務(wù)量也相應(yīng)較大,因此,在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)其直連鏈路的帶寬值必然較大,從而該節(jié)點(diǎn)到拓?fù)渲衅渌鞴?jié)點(diǎn)最短路徑的平均帶寬值也較大。

在無權(quán)網(wǎng)絡(luò)中,文獻(xiàn)[9]算法無法對(duì)網(wǎng)絡(luò)位置對(duì)稱的兩節(jié)點(diǎn)的重要度進(jìn)行區(qū)分,為了解決這一問題,利用通信網(wǎng)絡(luò)帶寬對(duì)其進(jìn)行區(qū)分,得到基于通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的節(jié)點(diǎn)重要度Si:

式中:?(WG0)表示原始拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)凝聚度;?(WGi)表示將節(jié)點(diǎn)i收縮后的網(wǎng)絡(luò)凝聚度;wij表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的最短路徑上的最小帶寬值。

1.3 基于電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)權(quán)值的節(jié)點(diǎn)重要度修正

為了更全面評(píng)價(jià)電力通信骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)重要度,可利用節(jié)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)權(quán)值,對(duì)基于帶寬的節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)一步修正。電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括調(diào)度機(jī)構(gòu)、省級(jí)生產(chǎn)單位、500 kV變電站、少部分220 kV變電站以及500 kV接入電廠等類型,由于節(jié)點(diǎn)的類型不同,其節(jié)點(diǎn)重要度也有很大差別,例如省級(jí)調(diào)度節(jié)點(diǎn)的重要度就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接入的地調(diào)節(jié)點(diǎn)。因此,需要從節(jié)點(diǎn)規(guī)模、電壓等級(jí)、通信流量等方面對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),最終得到體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)特性的節(jié)點(diǎn)權(quán)值。

某節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值Pi的計(jì)算包括評(píng)分指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)分?jǐn)?shù)兩個(gè)參數(shù)。指標(biāo)權(quán)重Tk,是由專家根據(jù)通信節(jié)點(diǎn)i的類型,確定評(píng)分指標(biāo)類別,并對(duì)各評(píng)分指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配,使其滿足標(biāo)分?jǐn)?shù)Rik,則是由專家根據(jù)節(jié)點(diǎn)i的具體地位和重要程度對(duì)其評(píng)分指標(biāo)依次進(jìn)行評(píng)分得到的。由各評(píng)分指標(biāo)分?jǐn)?shù)及對(duì)應(yīng)指標(biāo)權(quán)重值,可得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)權(quán)值Pi:

式中:k表示節(jié)點(diǎn)評(píng)分指標(biāo)數(shù)量。

根據(jù)通信節(jié)點(diǎn)的具體地位和重要程度,由專家確定其評(píng)分指標(biāo)并分配相應(yīng)權(quán)重,同時(shí)利用專家評(píng)分法計(jì)算節(jié)點(diǎn)權(quán)值Pi,符合電力通信骨干網(wǎng)中通信節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用情況,能夠更清晰地反映出節(jié)點(diǎn)在電力通信網(wǎng)絡(luò)中的重要度差異。

最后,根據(jù)節(jié)點(diǎn)重要度Si和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)權(quán)值Pi,可得到電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重要度Qi:

節(jié)點(diǎn)重要度Qi從通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇o態(tài)特性、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及節(jié)點(diǎn)在電力通信骨干網(wǎng)中的具體地位和重要程度等三個(gè)方面對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),在反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇o態(tài)網(wǎng)架特性的同時(shí),又結(jié)合了鏈路帶寬這一節(jié)點(diǎn)間的相互作用特性,最終利用電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)權(quán)值對(duì)基于帶寬的節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行修正,得到電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度。

2 實(shí)例分析

2.1 算法實(shí)現(xiàn)步驟

本文使用MATLAB語言編程計(jì)算,程序的輸入為圖的邊權(quán)連接矩陣和修正系數(shù)的各個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值及權(quán)重值,最終依次輸出電力通信骨干網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的重要度。算法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下:

(1)確定圖WG的邊權(quán)連接矩陣a;

(2)計(jì)算無權(quán)平均路徑長(zhǎng)度;

(3)根據(jù)式(1)計(jì)算原有網(wǎng)絡(luò)的凝聚度;

(4)依次循環(huán)計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)分別收縮后網(wǎng)絡(luò)的凝聚度;

(5)由式(2)計(jì)算基于通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的節(jié)點(diǎn)重要度;

(6)輸入各評(píng)分指標(biāo)得分、分?jǐn)?shù)及指標(biāo)權(quán)重,按照式(3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)權(quán)值;

(7)利用已得到的節(jié)點(diǎn)權(quán)值,按照式(4)計(jì)算修正節(jié)點(diǎn)重要度,并對(duì)各節(jié)點(diǎn)的修正節(jié)點(diǎn)重要度由大到小進(jìn)行排序。

修正節(jié)點(diǎn)重要度的值越大說明該節(jié)點(diǎn)越重要,即處于電力通信骨干網(wǎng)的核心位置。

2.2 模擬實(shí)例分析

本文先以圖1所示的電力通信骨干網(wǎng)模擬拓?fù)錇槔M(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。如圖1所示,圖中節(jié)點(diǎn)可分為變電站節(jié)點(diǎn)與調(diào)度節(jié)點(diǎn)兩類,其中v1,v3,v5,v7為500 kV變電站節(jié)點(diǎn),v2為220 kV變電站節(jié)點(diǎn),v4,v8,v9為地調(diào)節(jié)點(diǎn),v6為省調(diào)節(jié)點(diǎn)。鏈路權(quán)值中前者為帶寬,后者為距離。按照不同類別節(jié)點(diǎn)的特征,變電站節(jié)點(diǎn)選取電壓等級(jí)和流量等級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),而調(diào)度節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為節(jié)點(diǎn)規(guī)模和流量等級(jí)。

圖1 電力通信骨干網(wǎng)模擬拓?fù)銯ig.1 Simulation topology of electric power backbone communication network

專家通過模擬歷史數(shù)據(jù)分析對(duì)各節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果如表1和表2所示。評(píng)分指標(biāo)分?jǐn)?shù)范圍0~10分,取評(píng)分指標(biāo)節(jié)點(diǎn)規(guī)模Ri1的權(quán)值T1為0.6,流量等級(jí)R2的權(quán)值Ti2為0.4,由式(3)計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)權(quán)值Pi。

表1 變電站節(jié)點(diǎn)類節(jié)點(diǎn)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果Tab.1 Index score results of substation node

計(jì)算修正節(jié)點(diǎn)重要度的同時(shí)以文獻(xiàn)[8]算法作為對(duì)比算法,計(jì)算模擬電力通信骨干網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)重要度,對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表2 調(diào)度節(jié)點(diǎn)類節(jié)點(diǎn)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果Tab.2 Index score results of dispatching node

表3 節(jié)點(diǎn)重要度對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison results of node importance

從節(jié)點(diǎn)重要度排序結(jié)果來看,兩種算法基本一致,僅在v8和v9的排序上略有不同,但是,就節(jié)點(diǎn)重要度大小比例來看,兩種算法在v5和v7節(jié)點(diǎn)存在較大差異。節(jié)點(diǎn)v7具有很突出的中介轉(zhuǎn)接作用,其拓?fù)涮匦院蛡鬏斕匦跃容^重要,使其利用對(duì)比算法得到的節(jié)點(diǎn)重要度略低于節(jié)點(diǎn)v6但是差別不大,但是,在實(shí)際的電力通信骨干網(wǎng)中,核心省調(diào)節(jié)點(diǎn)重要度要明顯高于變電站節(jié)點(diǎn),所以,本文算法利用電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)權(quán)值對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行修正,使得最終得到的節(jié)點(diǎn)重要度更接近于電力通信骨干網(wǎng)的實(shí)際情況。節(jié)點(diǎn)v5在拓?fù)涮匦院蛡鬏斕匦陨吓c節(jié)點(diǎn)v1相同,故兩者節(jié)點(diǎn)重要度理應(yīng)接近,但由于節(jié)點(diǎn)v5與省調(diào)節(jié)點(diǎn)v6直連,故其節(jié)點(diǎn)重要度略高于節(jié)點(diǎn)v1。

2.3 復(fù)雜實(shí)例分析

為了進(jìn)一步分析本算法對(duì)復(fù)雜電力通信網(wǎng)絡(luò)的適用性,采用具有代表性的21節(jié)點(diǎn)ARPA(Advanced Research Project Agency)網(wǎng)進(jìn)行仿真。ARPA網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,圖中各節(jié)點(diǎn)的類型及電力屬性評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)如表4和表5所示。利用本文算法對(duì)ARPA網(wǎng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià),仿真結(jié)果如表6所示。

圖2 ARPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 ARPA network topology

表4 ARPA網(wǎng)絡(luò)變電站類節(jié)點(diǎn)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果Tab.4 Index score results of substation node in ARPA network

表5 ARPA網(wǎng)絡(luò)調(diào)度類節(jié)點(diǎn)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果Tab.5 Index score results of dispatching node in ARPA network

從表6的仿真結(jié)果來看,本文算法與對(duì)比算法的節(jié)點(diǎn)重要度排序總體趨勢(shì)相似,只是在個(gè)別節(jié)點(diǎn)順序上存在差別。采用本文算法評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)v3最重要,因?yàn)樗粌H具有較大的拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)以及平均帶寬值,而且作為省調(diào)節(jié)點(diǎn),其節(jié)點(diǎn)權(quán)值較大;節(jié)點(diǎn)v2與v14均為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)度較大的節(jié)點(diǎn),兩者拓?fù)涮匦韵嗨?,通過節(jié)點(diǎn)權(quán)值差異分析可將兩者區(qū)分開來,節(jié)點(diǎn)v14較重要;節(jié)點(diǎn)v12是網(wǎng)絡(luò)中中介轉(zhuǎn)接作用較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn),其平均帶寬值較大,節(jié)點(diǎn)重要性提升。同對(duì)比算法相比,本文算法評(píng)價(jià)出的排序靠前的節(jié)點(diǎn)重要度差距較大,這是由于在實(shí)際的電力通信網(wǎng)中,核心調(diào)度節(jié)點(diǎn)的重要度與其它節(jié)點(diǎn)就存在較大差異,通過節(jié)點(diǎn)權(quán)值參數(shù)的修正,即可真實(shí)反映出這一差異。此外,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲写嬖趘7~v10這樣的串行接入節(jié)點(diǎn),作為接入的調(diào)度節(jié)點(diǎn),其節(jié)點(diǎn)重要性較低,通過本文算法可準(zhǔn)確反映出該類型節(jié)點(diǎn)重要度。

表6 ARPA網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Node importance evaluation results of ARPA network

通過上述結(jié)果對(duì)比分析可以看出,本文提出的修正節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)方法更適用于電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度的評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面且準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

本文在分析電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)可靠性影響的基礎(chǔ)上,提出了基于通信網(wǎng)絡(luò)帶寬和節(jié)點(diǎn)權(quán)值的修正節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)算法。通過仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析,最終證明該算法從通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、通信網(wǎng)絡(luò)帶寬以及節(jié)點(diǎn)在電力通信骨干網(wǎng)中的具體地位和重要程度三個(gè)方面對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià),既克服了單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的局限性,又反映了電力通信骨干網(wǎng)的特性,能更好地適用于電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度的評(píng)價(jià)。

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