馮偉東，焦堯毅，魯　云，孫　勇，曾　聰，向　輝，王　婕，劉　燦

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077；2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876；3.國網(wǎng)湖北省電力公司宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000；4.國網(wǎng)湖北省電力公司荊門供電公司，湖北 荊門 448001)

0　引言

智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感器量測(cè)技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)與能源電力技術(shù)以及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。近年來，隨著電力行業(yè)的發(fā)展，智能電網(wǎng)的進(jìn)程不斷加快。智能電網(wǎng)的建設(shè)關(guān)系到人民日常生活，關(guān)系到國家的能源戰(zhàn)略部署。電力通信專網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的通信支撐，可實(shí)現(xiàn)所有電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)的全覆蓋，實(shí)現(xiàn)與用戶的信息交互，在智能電網(wǎng)中具有極其重要的作用[1]。同時(shí)，智能電網(wǎng)中電力通信專網(wǎng)是關(guān)系到國家能源戰(zhàn)略及安全的重大基礎(chǔ)設(shè)施工程。

電網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生安全事件，不僅將直接影響電力通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，而且還可能對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成破壞。通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以把通信節(jié)點(diǎn)的重要程度標(biāo)識(shí)出來，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行分析，估計(jì)其造成的不良影響[2]。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估的傳統(tǒng)方法包括了基于最短路徑、介數(shù)法、生成樹數(shù)評(píng)估方法及因子分析法等，這些方法往往只關(guān)注了網(wǎng)絡(luò)中某一特性的研究，不能全面地反映節(jié)點(diǎn)的重要程度。文獻(xiàn)[2-3]選取網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬作為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值建立電力通信骨干網(wǎng)模型，利用節(jié)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的權(quán)值作為修正系數(shù)，提出了電力通信骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度的一種評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[4-5]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)電力光纖通信網(wǎng)的現(xiàn)狀及其在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中存在的問題，利用層次分析方法(AHP)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。文獻(xiàn)[8-9]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)互信息的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)重要度評(píng)估方法，該方法以一般網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，沒有考慮節(jié)點(diǎn)承載業(yè)務(wù)的特性。

本文提出了結(jié)合業(yè)務(wù)承載特性的電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)方法，該方法首先計(jì)算通信節(jié)點(diǎn)的互信息量，同時(shí)結(jié)合通信節(jié)點(diǎn)承載的業(yè)務(wù)重要度作為鏈路權(quán)值以及節(jié)點(diǎn)重要度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1　系統(tǒng)模型

智能電網(wǎng)場(chǎng)景如圖1所示，包括智能輸電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)和通信網(wǎng)。電力生產(chǎn)和管理的很多業(yè)務(wù)都承載在通信網(wǎng)中，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大，如果發(fā)生任何故障都有可能對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重影響[10]。

圖1　智能電網(wǎng)場(chǎng)景

將網(wǎng)絡(luò)抽象為拓?fù)鋱DG=(N，L)，其中N={ni}為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集，L={li}為網(wǎng)絡(luò)的鏈路集。將業(yè)務(wù)抽象為M=(S，R)，其中S={si}為業(yè)務(wù)集，R={ri}為業(yè)務(wù)重要度集。

根據(jù)業(yè)務(wù)特性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，因此給出業(yè)務(wù)重要度指標(biāo)[11]。業(yè)務(wù)重要度定義為業(yè)務(wù)發(fā)生中斷或可靠性降低時(shí)，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響程度，影響越大，業(yè)務(wù)的重要度就越高。該指標(biāo)能夠體現(xiàn)業(yè)務(wù)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。電力通信網(wǎng)上承載著多種不同的業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響程度也不一樣[12]。

電力業(yè)務(wù)的功能不同，對(duì)傳輸通道的特性要求也不一樣，根據(jù)電力生產(chǎn)需求特點(diǎn)，將業(yè)務(wù)的安全要求及傳輸要求綜合評(píng)估對(duì)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)影響，使用層次分析法計(jì)算出業(yè)務(wù)重要度，如表1所示[2]。

表1業(yè)務(wù)重要度指標(biāo)

標(biāo)號(hào)業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)重要度s1線路的繼電保護(hù)0．9661s2安穩(wěn)系統(tǒng)0．9448s3調(diào)度電話0．8550s4調(diào)度自動(dòng)化0．9161s5保護(hù)管理信息系統(tǒng)0．6480s6廣域管理信息系統(tǒng)0．8236s7雷電定位監(jiān)督系統(tǒng)0．4651s8變電站視頻監(jiān)督系統(tǒng)0．3755s9視頻會(huì)議系統(tǒng)0．5490s10行政電話0．4739

2　基于互信息的節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估

基于互信息的節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)方法是使節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算更全面、更準(zhǔn)確的一種方法。

步驟1：基于業(yè)務(wù)重要度計(jì)算鏈路權(quán)值。利用層次分析法，構(gòu)造電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)重要度各層指標(biāo)相對(duì)重要性判斷矩陣，得到典型電力通信業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)重要度。

步驟2：基于鏈路權(quán)值采用互信息法計(jì)算節(jié)點(diǎn)重要性。該評(píng)估方法通過節(jié)點(diǎn)的信息量來評(píng)估節(jié)點(diǎn)的重要性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的邊決定其所包含的信息量。節(jié)點(diǎn)的信息量是通過先計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的互信息，也就是與該節(jié)點(diǎn)相連每條邊的信息量，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)所包含的信息總量。

步驟3：在計(jì)算出所有節(jié)點(diǎn)的信息量之后，從大到小進(jìn)行排序，信息量大的節(jié)點(diǎn)重要性也越強(qiáng)。

2.1　鏈路權(quán)重

在通信網(wǎng)中不同的鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響也不完全相同，因此每條鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度也不同。

定義鏈路的權(quán)重為鏈路在網(wǎng)絡(luò)中的影響力。鏈路權(quán)重反映了鏈路在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度[13]。

鏈路lk的權(quán)重為：

(1)

式中，q為鏈路lk上運(yùn)行的業(yè)務(wù)總數(shù)；nkq為鏈路lk上所運(yùn)行的第q類業(yè)務(wù)；rq為第q類業(yè)務(wù)的重要度；鏈路權(quán)重wk為鏈路lk的權(quán)值。

對(duì)節(jié)點(diǎn)ni連接的所有邊的權(quán)值進(jìn)行歸一化得：

(2)

式中，Ei是與節(jié)點(diǎn)i相連接的鏈路集合；wk為相鄰兩點(diǎn)間的邊權(quán)。

式(2)考慮了節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)以及業(yè)務(wù)的運(yùn)行狀況，可體現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)與鄰接節(jié)點(diǎn)間的相互影響，表征了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在業(yè)務(wù)層面上的特征數(shù)值。

2.2　互信息與信息量

使用互信息的評(píng)估方法是通過采集節(jié)點(diǎn)的信息量來評(píng)估節(jié)點(diǎn)的重要性，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)所包含的信息量由它的邊來決定，可以作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)之一。

節(jié)點(diǎn)的信息量是先計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的互信息，即與該節(jié)點(diǎn)相連的每條邊的信息量，然后再計(jì)算該節(jié)點(diǎn)所包含的信息總量。

設(shè)節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的互信息表示為I[i，j]：

(3)

如果節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j直接相連則為前者，其他情況為0。式中，pij為節(jié)點(diǎn)i的邊(i，j)的概率。本方法中將歸一化鏈路權(quán)重作為節(jié)點(diǎn)邊的概率，即pij=wk，其中邊(i，j)即為鏈路lk。

節(jié)點(diǎn)i的信息量是i與其他節(jié)點(diǎn)的互信息之和，表示為I[i]：

(4)

2.3　節(jié)點(diǎn)重要度分布值

節(jié)點(diǎn)重要度分布值D是衡量電網(wǎng)中鏈路風(fēng)險(xiǎn)分布的指標(biāo)，可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差來直觀地反映某一總體各單位標(biāo)志值的差異程度、集中或離散狀況，也是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)之一。

(5)

式中，I[i]為節(jié)點(diǎn)i的信息量；i為I[i]的平均值；n為節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3　仿真結(jié)果與分析

3.1　以典型通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D為例進(jìn)行評(píng)估

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示，表2是圖2的鏈路業(yè)務(wù)分布情況，其中，0表示沒有業(yè)務(wù)分布，1表示有一次業(yè)務(wù)分布。

圖2　基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表2鏈路業(yè)務(wù)發(fā)布表

業(yè)務(wù)l1l2l3l4l5l6l7l8l9s1111111000s2211011000s3000000000s4000010010s5000100110s6100100111

首先建立鏈路的業(yè)務(wù)分布矩陣lmn(9*6)，其中m行表示第m條鏈路，n列表示第n個(gè)業(yè)務(wù)。

(6)

根據(jù)業(yè)務(wù)重要度矩陣得到s1～s6的業(yè)務(wù)重要度：

si=[0.9661 0.9448 0.855 0.9161 0.648 0.8236]T，

(7)

所以每個(gè)鏈路的權(quán)重為：

wk=lmn*si=

[3.6793 2.7345 1.9109 2.4377 4.2986 1.9109

1.4716 2.3877 0.8236]T，

(8)

將得到的各個(gè)鏈路權(quán)重歸一化。

接著基于鏈路權(quán)值采用互信息法計(jì)算節(jié)點(diǎn)重要性。先計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的互信息，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的信息量，即節(jié)點(diǎn)i與其他節(jié)點(diǎn)的互信息之和，即

Ii=[0.0321 -0.2094 0.2392 0.3456

-0.7873 0.2230 0.6360]T。

(9)

本文采用基于介數(shù)法的重要度評(píng)價(jià)方法與本文所提出的基于互信息的重要度評(píng)價(jià)方法來分析節(jié)點(diǎn)的重要度。2種算法均采用業(yè)務(wù)重要度為鏈路權(quán)重。

節(jié)點(diǎn)介數(shù)定義為網(wǎng)絡(luò)中所有最短路徑中經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的路徑的數(shù)目占最短路徑總數(shù)的比例。所以首先應(yīng)求出各點(diǎn)到各點(diǎn)的最短路徑，可用迪杰斯特拉算法，然后算出經(jīng)過某一節(jié)點(diǎn)有幾條路徑，之后求出節(jié)點(diǎn)介數(shù)[5]。

圖2所示拓?fù)鋱D的通信節(jié)點(diǎn)重要度對(duì)比結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，通過介數(shù)法只能看到N2點(diǎn)的介數(shù)值遠(yuǎn)大于平均值，N5點(diǎn)的介數(shù)值稍稍比平均值大，說明介數(shù)法凸顯出N5點(diǎn)的重要度。通過互信息法，可以看出除了N2、N5點(diǎn)的數(shù)值離均值較遠(yuǎn)，N7和N4點(diǎn)的數(shù)值離均值也偏大。仿真結(jié)果表明互信息法能夠更加精確地表現(xiàn)出通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的重要度分布。

表3典型電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度對(duì)比結(jié)果

編號(hào)度數(shù)法介數(shù)法互信息法N130．13330．0321N231．1333-0．2090N320．00500．2392N430．26670．3456N530．3333-0．7873N620．00500．2230N720．07000．6360分布值/D0．15800．2105均值/M0．26310．0862

圖3進(jìn)一步給出了更直觀的對(duì)比結(jié)果。

圖3　典型電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度分布對(duì)比結(jié)果

通過分析分布值，互信息法的數(shù)值分布離散程度偏大，表明拓?fù)渎窂叫枰倪M(jìn)，原因是網(wǎng)絡(luò)中某些重要鏈路的風(fēng)險(xiǎn)過大，或部分鏈路承載的業(yè)務(wù)量太大，使得網(wǎng)絡(luò)有一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.2　以骨干網(wǎng)拓?fù)鋱D為例進(jìn)行評(píng)估

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示，圖4的鏈路業(yè)務(wù)分布情況如表4所示。其中0表示沒有業(yè)務(wù)分布，1表示有一次業(yè)務(wù)分布。

圖4　骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表4鏈路業(yè)務(wù)分布情況

業(yè)務(wù)l1l2l3l4l5l6l7l8l9l10s11110000000s20000111000s30001010100s40000000000s50011101000s60000000000s70000000111

最后給出骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估對(duì)比結(jié)果如表5和圖5所示。

表5骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度對(duì)比結(jié)果

編號(hào)度數(shù)法介數(shù)法互信息法N110．24110．7033N210．40120．7033N341．4333-2．1232N410．26670．7032N530．3333-0．1489N620．10050．3975N740．7107-1．4191N820．10020．1792N920．42131．0289分布值/D0．17171．1596均值/M0．41800．0027

圖5　骨干網(wǎng)拓?fù)鋱D節(jié)點(diǎn)重要度分布對(duì)比結(jié)果

表5給出了圖4所示的拓?fù)鋱D的通信節(jié)點(diǎn)重要度對(duì)比結(jié)果。從表5可以看出，通過介數(shù)法只能看到N3點(diǎn)的介數(shù)值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值的，N7點(diǎn)的介數(shù)值稍稍比平均值大，說明介數(shù)法凸顯出N3點(diǎn)的重要度；通過互信息法，可以看出除了N1、N2、N3和N9點(diǎn)的數(shù)值離均值較遠(yuǎn)。圖5更能直觀體現(xiàn)互信息法能夠更加精確地表現(xiàn)出通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的重要度分布。

4　結(jié)束語

本文研究考慮業(yè)務(wù)重要度的智能電網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。電力通信網(wǎng)評(píng)估中考慮業(yè)務(wù)的不同重要等級(jí)非常關(guān)鍵。以業(yè)務(wù)重要度為鏈路權(quán)值并根據(jù)節(jié)點(diǎn)互信息給出節(jié)點(diǎn)的重要度評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該方法考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞耐瑫r(shí)還考慮了節(jié)點(diǎn)間傳輸業(yè)務(wù)的多少和重要程度。針對(duì)典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，本文提出的互信息量通信節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估方法具有有效性與準(zhǔn)確性。

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