童正軍，呂 昊，葉志浩

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船舶電力網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)一體化脆弱性評(píng)估

童正軍1，呂 昊2，葉志浩3

（1. 海軍駐北京8359所軍事代表室，北京 100037；2. 海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

脆弱性評(píng)估是保證船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)安全必不可少的手段，根據(jù)系統(tǒng)的脆弱性分析結(jié)果，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的隱性故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)其脆弱環(huán)節(jié)的辨識(shí)，達(dá)到提高船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行性能的目的。文中提出了船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)的模型，在對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)脆弱性分析的基礎(chǔ)上，分別考慮電氣和信息設(shè)備節(jié)點(diǎn)的可靠性，引入物理脆弱性的概念對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行修正，得到綜合脆弱性的評(píng)估指標(biāo)，最后，對(duì)船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合脆弱性評(píng)估與優(yōu)化。

船舶 電力信息網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)脆弱性 物理脆弱性 綜合脆弱性

0 引言

電力信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性問題是近幾年信息技術(shù)在電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中衍生出的一個(gè)新問題，電力網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)已逐漸融合成為高度集成的一體化網(wǎng)絡(luò)，但信息技術(shù)在為電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供便利的同時(shí)，也將其不良影響帶入到了電力網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)脆弱性作為網(wǎng)絡(luò)可靠性的一種有效測(cè)度，反映了不同網(wǎng)絡(luò)單元失效后網(wǎng)絡(luò)性能下降的不同程度，指明網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理提供數(shù)據(jù)支持。如果相關(guān)設(shè)計(jì)部門能夠?qū)@些較脆弱的部分進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)男拚瑢?huì)大大提高電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能和效率。

對(duì)于船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)來說，除了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的因素以外，電力設(shè)備處在船舶艙室這樣一個(gè)特殊環(huán)境內(nèi)，它的可靠性因素給網(wǎng)絡(luò)脆弱性帶來的影響同樣是一個(gè)值得關(guān)注的問題。本文首先根據(jù)船舶電力網(wǎng)絡(luò)建立了相應(yīng)的信息網(wǎng)絡(luò)，得到電力信息網(wǎng)絡(luò)一體化模型，結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論得到一體化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)脆弱性，并進(jìn)一步考慮電力網(wǎng)絡(luò)中電力設(shè)備的故障率和計(jì)檢率等可靠性因素以及信息網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)重要度、故障概率、時(shí)延等因素，得到綜合性的評(píng)估指標(biāo)，最后，對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

1 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 船舶電力網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)實(shí)際環(huán)形船舶電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，將發(fā)電機(jī)、配電板、負(fù)載等電網(wǎng)元件抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，將電網(wǎng)元件間的連接關(guān)系抽象為邊，建立船舶電力網(wǎng)絡(luò)的等效拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1。其中，G表示發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，S表示配電板節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)表示饋線電纜節(jié)點(diǎn)，L表示負(fù)載節(jié)點(diǎn)。

圖1 某船舶電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.2 船舶信息網(wǎng)絡(luò)模型

圖2所示為某船舶信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，M表示交換機(jī)，D1表示電能質(zhì)量監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，D2表示配電運(yùn)行監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，D3表示線路繼電保護(hù)控制節(jié)點(diǎn)，D4表示輸變電設(shè)備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，D5表示能量調(diào)度管理節(jié)點(diǎn)，D6表示在線模擬培訓(xùn)節(jié)點(diǎn)，T為CAN總線主節(jié)點(diǎn)，Pi為負(fù)荷投切控制節(jié)點(diǎn)，Qi為運(yùn)行狀態(tài)分析節(jié)點(diǎn)，Ri為功率測(cè)量節(jié)點(diǎn)。

1.3 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)模型

船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，根據(jù)各模塊功能將船舶電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接。如配電運(yùn)行監(jiān)控節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地與配電板節(jié)點(diǎn)連接；線路繼電保護(hù)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保證，繼電保護(hù)信號(hào)是指高壓輸電線路繼電保護(hù)裝置間和電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置間傳遞的遠(yuǎn)方信號(hào)，是電網(wǎng)安全運(yùn)行所必需的信號(hào)，對(duì)應(yīng)地將配電板節(jié)點(diǎn)與其連接；輸電設(shè)備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接；功率測(cè)量系統(tǒng)用于計(jì)量電功率消耗，對(duì)應(yīng)地將其與負(fù)載連接；根據(jù)不同功能，電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)用虛線連接。

圖2 船舶信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖3 船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)一體化模型結(jié)構(gòu)示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)脆弱性

2.1 結(jié)構(gòu)脆弱性

對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)脆弱性的評(píng)估是從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的方法進(jìn)行分析，最終找到由電網(wǎng)固有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所引起脆弱的節(jié)點(diǎn)。由于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論突出強(qiáng)調(diào)的就是網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)拓?fù)涮卣?，所以選取復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的典型靜態(tài)幾何量來表征目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)脆弱性，而度數(shù)和介數(shù)指標(biāo)均可以從不同的角度很好地描述每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，故采用度數(shù)和介數(shù)指標(biāo)表征網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)脆弱性。

1）度數(shù)

實(shí)際上，無向無權(quán)圖鄰接矩陣的第行或第列元素之和也是度[1]。

2）介數(shù)

在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)空間里，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在里面的作用不盡相同，有些節(jié)點(diǎn)如果受損對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間正常工作影響較小，而有些節(jié)點(diǎn)如果損壞可能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)造成致命的影響甚至讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。前面介紹的節(jié)點(diǎn)的度是一個(gè)很重要的概念，用來描述節(jié)點(diǎn)的重要性。但是，有些節(jié)點(diǎn)的度可能很小，卻是其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的重要媒介，缺少這個(gè)中間媒介將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)也是非常重要的。對(duì)于這樣的節(jié)點(diǎn)我們引用一個(gè)新的評(píng)價(jià)指標(biāo)介數(shù)（betweenness）來描述節(jié)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間的重要性。在網(wǎng)絡(luò)空間中假設(shè)有兩個(gè)不相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)它們分別是K、K。連接K、K的最短邊中需要經(jīng)過某些節(jié)點(diǎn)，如果有某個(gè)節(jié)點(diǎn)K，它是很多最短邊都要經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)的話，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)K對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是很重要的節(jié)點(diǎn)，它的重要性可以用如下公式進(jìn)行定義：

2.2 物理脆弱性

由于船舶電力節(jié)點(diǎn)和船舶信息節(jié)點(diǎn)物理性質(zhì)不同，需要考慮的可靠性因素也不相同，故對(duì)電力節(jié)點(diǎn)的物理脆弱性和信息節(jié)點(diǎn)的物理脆弱性分別進(jìn)行考慮。

2.2.1 船舶電力節(jié)點(diǎn)物理脆弱性

船舶電力節(jié)點(diǎn)物理脆弱性指標(biāo)主要考慮該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電力設(shè)備的故障率和計(jì)檢率可靠性指標(biāo)等影響因素[2]。

1）故障率/失效率

故障率和失效率都用來表述系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性概念，它們本質(zhì)上區(qū)別不大，故障率一般指系統(tǒng)或者產(chǎn)品在任意時(shí)刻沒有發(fā)生故障，在這個(gè)時(shí)刻之后發(fā)生故障的概率。如果發(fā)生的故障是不可修復(fù)的，那么就用失效概率來表示。故障率可以用下式來表示：

(3)

2）計(jì)檢率及計(jì)檢時(shí)間

計(jì)檢率定義為一臺(tái)電力設(shè)備每年計(jì)劃檢修（停運(yùn)）的次數(shù)，計(jì)檢時(shí)間定義為一臺(tái)電力設(shè)備計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間與計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)的比值，即平均一次計(jì)劃停運(yùn)的時(shí)間。

按照上述定義船舶電網(wǎng)主要元件的可靠性參數(shù)[3]如表1所示。

以上述各可靠性指標(biāo)為基礎(chǔ)，定義船舶電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理脆弱性指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

(4)

其中C表示電力節(jié)點(diǎn)的物理脆弱性指標(biāo)，它是一個(gè)將可靠性因素中的故障率和計(jì)檢率對(duì)脆弱性產(chǎn)生的影響進(jìn)行量化的指標(biāo)。表示故障率，r表示修復(fù)時(shí)間，表示計(jì)檢率，c表示計(jì)檢時(shí)間。

2.2.2 船舶信息節(jié)點(diǎn)物理脆弱性

信息節(jié)點(diǎn)的物理脆弱性評(píng)估是將信息節(jié)點(diǎn)中所運(yùn)行業(yè)務(wù)的重要度、設(shè)備故障概率、延時(shí)等因素作為影響物理脆弱性的因素。

1）業(yè)務(wù)重要度

信息網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)承載著各類不同的業(yè)務(wù)，運(yùn)行業(yè)務(wù)的差異會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行安全造成不同程度的影響。業(yè)務(wù)重要度定義為某業(yè)務(wù)存在缺陷（業(yè)務(wù)通道可靠性降低）或者該業(yè)務(wù)發(fā)生中斷時(shí)，它對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定安全運(yùn)行的影響程度的大小，業(yè)務(wù)重要度越高則影響程度越大。

信息網(wǎng)中各類典型業(yè)務(wù)的重要度[4]如表2所示。

表1 船舶電網(wǎng)元件可靠性參數(shù)

表2 典型業(yè)務(wù)重要度值

2）設(shè)備故障概率

信息設(shè)備故障概率與設(shè)備類型、敷設(shè)方式、周邊環(huán)境等有關(guān)，其取值根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定。

3）傳輸時(shí)延

在傳統(tǒng)的電力信息網(wǎng)絡(luò)中，由于信息網(wǎng)絡(luò)通常是用來傳送調(diào)度信息，對(duì)延時(shí)的要求較低，而有嚴(yán)格時(shí)間要求的繼電保護(hù)業(yè)務(wù)一般進(jìn)行單獨(dú)傳輸，所以基本不考慮傳輸時(shí)延的因素。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，部分國家已經(jīng)可以做到繼電保護(hù)的信號(hào)和其他調(diào)度業(yè)務(wù)的信號(hào)一起傳輸。傳輸時(shí)延已經(jīng)成為信息網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)不可忽略的因素。

綜上所述，給出信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理脆弱性計(jì)算公式如下：

其中，S表示經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)所運(yùn)行的第類業(yè)務(wù)的重要度；P為節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的概率；為網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳輸平均時(shí)延與固有時(shí)延之比。

2.3 綜合脆弱性

船舶電力網(wǎng)絡(luò)、船舶信息網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境均與陸地電力網(wǎng)絡(luò)、陸地信息網(wǎng)絡(luò)有較大差異，因此，針對(duì)船舶電力網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，考慮在陸地網(wǎng)絡(luò)中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行脆弱性分析的基礎(chǔ)上引入物理脆弱性的修正因素，得到綜合脆弱性指標(biāo)，對(duì)船舶電力和信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。分別定義船舶電力節(jié)點(diǎn)綜合脆弱性V和船舶信息節(jié)點(diǎn)綜合脆弱性V如下：

3 算例分析及優(yōu)化

令=0.5，按照公式(6)和公式(7)計(jì)算船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的綜合脆弱性指標(biāo)，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綜合脆弱性計(jì)算

圖4為船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的綜合脆弱性排名，從圖中可以看出，電力節(jié)點(diǎn)中33-36號(hào)對(duì)應(yīng)的配電板節(jié)點(diǎn)比29-32號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)脆弱，信息節(jié)點(diǎn)中1-6號(hào)對(duì)應(yīng)的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)比13-16號(hào)對(duì)應(yīng)的總線主節(jié)點(diǎn)脆弱，其中，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)比配電板節(jié)點(diǎn)更加脆弱。

至此，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)脆弱環(huán)節(jié)的辨識(shí)。在此基礎(chǔ)上，考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方式主要從信息網(wǎng)絡(luò)著手考慮，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 拓?fù)淙哂嗑W(wǎng)絡(luò)

圖6 優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)綜合脆弱性比較

在該優(yōu)化方式下，只需在環(huán)路交換機(jī)中指定主交換機(jī)，剩下的設(shè)置為客戶交換機(jī)，這個(gè)工作可以在網(wǎng)絡(luò)初始配置時(shí)完成。也就是說在船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)中，可以將1-2號(hào)交換機(jī)設(shè)置為主交換機(jī)，3-6號(hào)交換機(jī)設(shè)置為客交換機(jī)：將能量調(diào)度管理和在線模擬培訓(xùn)的備用業(yè)務(wù)連接到3號(hào)交換機(jī)，將輸變電設(shè)備監(jiān)測(cè)備用業(yè)務(wù)連接到4號(hào)交換機(jī)，將線路繼電控制備用業(yè)務(wù)連接到5號(hào)交換機(jī)，將電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和配電運(yùn)行監(jiān)測(cè)的備用業(yè)務(wù)連接到6號(hào)交換機(jī)。按照這樣的方式得到優(yōu)化前后一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綜合脆弱性值如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，優(yōu)化后，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)和配電板節(jié)點(diǎn)在一體化網(wǎng)絡(luò)中依然最脆弱，但與原網(wǎng)絡(luò)相比，不僅各交換機(jī)節(jié)點(diǎn)脆弱性降低，繼電保護(hù)管理節(jié)點(diǎn)以及配電板節(jié)點(diǎn)這幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的綜合脆弱性值也在原來的基礎(chǔ)上有了一定程度的下降，除此之外，網(wǎng)絡(luò)中大部分節(jié)點(diǎn)的綜合脆弱性均降低，由此說明增加用戶到交換機(jī)的備用路徑可以使得網(wǎng)絡(luò)性能得到優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文建立了船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行評(píng)估，考慮各節(jié)點(diǎn)的物理脆弱性對(duì)結(jié)構(gòu)脆弱性的修正作用得到船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)的綜合脆弱性指標(biāo)，根據(jù)一體化網(wǎng)絡(luò)綜合脆弱性的計(jì)算結(jié)果對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)中的脆弱環(huán)節(jié)進(jìn)行辨識(shí)。進(jìn)一步采用增加用戶到交換機(jī)的備用路徑的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的綜合脆弱性評(píng)估結(jié)果為船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，同時(shí)也驗(yàn)證了本文提出的綜合脆弱性評(píng)估方法的有效性。

[1] 郭世澤, 陸哲明. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)[M]．北京: 科學(xué)出版社, 2012.

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Vulnerability Assessment of Shipboard Integrated Information & Power Network

Tong Zhengjun1, Wu Hao2, Ye Zhihao3

(1. Naval Representatives office in No.8359 Institute, Bejing 100037, China; 2.Marine Equipment Project Management Center, Bejing 100071, China; 3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM73

A

1003-4862（2018）12-0028-05

2018-09-20

童正軍(1982-)，男，工學(xué)碩士，工程師。研究方向：電機(jī)與電器。E-mail: fxxaim0224@163.com