扎培

摘要：以復雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，對電力通信網(wǎng)進行拓撲建模、基本參數(shù)計算和網(wǎng)絡(luò)特性分析，對于確保電力系統(tǒng)安全運行和加強電網(wǎng)健壯性有重要影響。針對電力通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點，依據(jù)度數(shù)、介數(shù)指標找出網(wǎng)絡(luò)脆弱點，修改傳統(tǒng)效能函數(shù)，并以此函數(shù)作為衡量網(wǎng)絡(luò)脆弱性的指標，確定網(wǎng)絡(luò)脆弱點。最后，以某2個實際電力通信網(wǎng)為例進行了網(wǎng)絡(luò)特性分析，針對不同故障模式對其進行攻擊脆弱性仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)脆弱性，總結(jié)了影響電力通信網(wǎng)脆弱性的因素。

關(guān)鍵詞：電力通信網(wǎng);復雜網(wǎng)絡(luò);脆弱性

電力系統(tǒng)實時監(jiān)測的發(fā)展趨勢與精細化控制的業(yè)務(wù)需求使得一次電網(wǎng)更加依賴于電力通信網(wǎng)的可靠運行。近年來發(fā)生多次大停電事故，如2003年北美大停電意大利大停電、2004年羅馬大停電，其間通信系統(tǒng)的故障都起了推波助瀾的作用。研究電力通信網(wǎng)的脆弱性并提出針對性的保護措施具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義。

針對電力通信網(wǎng)的保護，目前主要有以下2種思路。

（1）第一種思路以現(xiàn)有的電力通信業(yè)務(wù)為研究重點通過更新硬件設(shè)備優(yōu)化軟件系統(tǒng)建立合理的安全評估指標等策略提高其可靠性。針對電力通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)分布不均衡的問題，提出了面向業(yè)務(wù)的風險均衡路由分配機制以降低通道段和網(wǎng)絡(luò)整體風險?；跇I(yè)務(wù)平均風險度和業(yè)務(wù)風險均衡度，提出了一種基于電力通信網(wǎng)可靠性的業(yè)務(wù)路由分配優(yōu)化算法。文獻[12]針對電力通信網(wǎng)安全評估指標中專家打分的不確定性問題提出了一種基于電力業(yè)務(wù)重要度的電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)層脆弱性分析方法。

（2）第二種思路基于網(wǎng)絡(luò)理論，通過優(yōu)化電力通信網(wǎng)的拓撲改善其結(jié)構(gòu)脆弱性。提出了基于節(jié)點重要度的平衡度網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化算法。對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的拓撲特性進行了研究并指出現(xiàn)有的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)大致可分為雙星形和網(wǎng)狀2種典型結(jié)構(gòu)，雙星形網(wǎng)是典型的無標度網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)狀網(wǎng)是典型的小世界網(wǎng)絡(luò)?；趶碗s網(wǎng)絡(luò)理論，從網(wǎng)絡(luò)效率的角度評估了電力通信網(wǎng)的脆弱性。拓撲是電力通信網(wǎng)最直觀本質(zhì)的屬性 通信業(yè)務(wù)的有效傳輸建立在可靠的物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上。除此之外由于電力通信業(yè)務(wù)種類繁多運行方式復雜拓撲脆弱節(jié)點更容易成為攻擊對象。基于復雜網(wǎng)絡(luò)理論可以有效地識別電力通信網(wǎng)固有的結(jié)構(gòu)脆弱性并提出針對性的保護策略。雖然已有學者提出了通過增加多條地理上相互獨立的線路以改善網(wǎng)絡(luò)脆弱性的思路，但是缺乏對各種加邊策略的對比研究且其有效性尚未在實際電力通信網(wǎng)中得到檢驗。電力系統(tǒng)長期重一次側(cè)輕二次側(cè)對一次電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)已進行了較為充分的研究，而對實際電力通信網(wǎng)尤其是區(qū)域級電力通信網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)尚不清楚。因此，有必要對電力通信網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行深入分析并對現(xiàn)有加邊策略的有效性進行對比研究。

1 脆弱性的衡量指標

目前，對于脆弱性還沒有統(tǒng)一的定義。本文采用文獻[3]提出的網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，即網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點或邊遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)性能的下降。目前，復雜網(wǎng)絡(luò)理論中衡量網(wǎng)絡(luò)特性的基本參數(shù)特征量包括最短路徑、聚類系數(shù)、度數(shù)、度分布、介數(shù)等，這些參數(shù)從不同方面表現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的特性。

1）平均距離 L。在一個網(wǎng)絡(luò)中，任意 2 個節(jié)點間的距離被定義為連接 這 2 個節(jié)點的最短路徑 d。對所有節(jié)點對的距離求平均值，就得到該網(wǎng)絡(luò)的平均距離。平均距離反映了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間信息傳播的平均長度。

2）聚類系數(shù) C。網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù) C 是用來衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集聚程度的重要參數(shù)。聚類系數(shù)的大小表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)小集團化的程度。

3）節(jié)點介數(shù)分布 Pcum（S）。在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的介數(shù)是指所有最短路徑中必須經(jīng)過此節(jié)點的次數(shù)。用 P（S′）表示介數(shù)為 S′的節(jié)點個數(shù)占節(jié)點總數(shù)的百分比。

一般用這些參數(shù)來表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，但是仍不能比較全面地描述網(wǎng)絡(luò)性能。目前，普遍使用的衡量網(wǎng)絡(luò)特性的指標是效能函數(shù)。

2通信網(wǎng)功能與電網(wǎng)不同，分析的角度也有所不同

本文從業(yè)務(wù)傳輸帶寬和業(yè)務(wù)的連通性 2 方面來考慮通信網(wǎng)業(yè)務(wù)影響。原來的效能函數(shù)可以表示出業(yè)務(wù)的傳輸帶寬，但沒有涉及連通性，因此有必要對效能函數(shù)進行改進。計算流程如下。

1）計算最短路徑的方法不變。計算系統(tǒng)的總效能 E。

2）由業(yè)務(wù)矩陣 Sij 計算出網(wǎng)絡(luò)的總業(yè)務(wù)量 S，計算最短路徑矩陣 Aij，其中，aij表示節(jié)點 i 和 j 之間的最短路徑。

3）每次仿真去除 1 個點，統(tǒng)計失去連接的業(yè)務(wù)數(shù)量。

3 脆弱性分析

本文將電力通信網(wǎng)的脆弱性定義為電力通信網(wǎng)在遭受攻擊或故障下能夠繼續(xù)提供服務(wù)的能力，并從連通性和網(wǎng)絡(luò)效率 2 個角度進行評估。文中設(shè)定了以下幾種攻擊模式：

1）隨機節(jié)點攻擊模式（random attack，RA）。隨機選擇并移除一定比例的節(jié)點。

2）高度數(shù)節(jié)點攻擊模式（high degree attack，HDA）。計算網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的度數(shù)并進行排序，選擇并移除一定比例的高度數(shù)節(jié)點。

3）高介數(shù)節(jié)點攻擊模式（high betweennessattack，HBA）。計算網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的介數(shù)并進行排序，選擇并移除一定比例的高介數(shù)節(jié)點。

3.1 脆弱性評估

連通性是保障站點間進行通信的最基本要求。連通脆弱性用以評估電力通信網(wǎng)在遭受攻擊或故障下的最大連通能力，以最大連通子集中節(jié)點所占比例 G 為指標。區(qū)域三為該網(wǎng)絡(luò)的最大連通子集。

連通脆弱性評估了通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的脆弱性，沒有考慮故障對通信業(yè)務(wù)的影響。，電力通信網(wǎng)在故障下解體為 3 個區(qū)域，區(qū)域之間的通信雖然中斷，區(qū)域內(nèi)部的節(jié)點仍可通過重新規(guī)劃路由保障部分業(yè)務(wù)的正常運行。

實時性是通信網(wǎng)最重要的指標之一，廠站間的通信延時取決于經(jīng)過站點的數(shù)目與通信線路的長度。網(wǎng)絡(luò)效率 E 評估電力通信網(wǎng)在遭受攻擊或故障下各廠站之間進行通信的效率，網(wǎng)絡(luò)的相對效率 R評估了網(wǎng)絡(luò)效率的下降趨勢。

4 結(jié)束語

本文運用基于復雜網(wǎng)絡(luò)理論的脆弱性分析法對電力通信網(wǎng)的脆弱性進行了分析;提出了適合電力通信網(wǎng)的效能指標，同時考慮了網(wǎng)絡(luò)的可達性和傳輸率問題;以具體電力通信網(wǎng)為例，對其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性和脆弱性進行了分析。

通過攻擊脆弱性的仿真，得出了系統(tǒng)潛在的脆弱點，分析了影響網(wǎng)絡(luò)脆弱性的因素。今后的研究將圍繞網(wǎng)絡(luò)節(jié)點承受能力的限制，使這種分析方法更加完善。

參考文獻：

[1]ZHAO L，PARK K，and LAI Y C. Attack vulnerabilityof scale-free networks due to cascading breakdown[J]，Phys. Rev. E，2004（70）：35-101.

[2]張俊良. 復雜網(wǎng)絡(luò)可靠性研究[D]. 大連：大連理工大學. 2006.

[3]歐陽敏，費奇，余明輝. 復雜網(wǎng)絡(luò)的功效性與脆弱性研究綜述[J]. 計算機科學，2008，32（7）：1-4.

[4]丁明，韓平平. 加權(quán)拓撲模型下的小世界電網(wǎng)脆弱性評估[J]. 中國電機工程學報，2008，28（10）：20-25