羅義釗，梁海濤，柳玉鑾，陳 彪，俞 煌，林志文，李榕桂

（福建網(wǎng)能科技開發(fā)有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

明確電力通信網(wǎng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)的管理策略，提高電力通信的安全性，實現(xiàn)信息的共享及標準化，科學(xué)地規(guī)劃建設(shè)電力通信網(wǎng)，對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、管理者制定合理的決策具有重要作用[1-2]。

由于電力通信網(wǎng)的安全問題，對于指導(dǎo)電力系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運行具有重要意義，所以已經(jīng)有了很多關(guān)于電力通信網(wǎng)安全性的研究。文獻[3]指出在新的電網(wǎng)時代中，電力通信技術(shù)和信息技術(shù)的更新日新月異，對如何將兩個飛速發(fā)展的技術(shù)進行融合進行了理論研究。文獻[4]提出了為了提高電力通信網(wǎng)的安全性，設(shè)計了主動安全防御系統(tǒng)。文獻[5]提出，對電力通信網(wǎng)進行脆弱性分析，有利于提高通信網(wǎng)的安全性，通過建立基于業(yè)務(wù)臨近度的電力通信網(wǎng)脆弱性分析模型，對節(jié)點和業(yè)務(wù)鏈進行脆弱性排序，并以IEEE-30節(jié)點為例進行仿真，驗證了所提方法的準確性。文獻[6]提出了當電力通信網(wǎng)中的通信電源發(fā)生故障后，如何進行故障分析與設(shè)備維護。

上述對于電力通信網(wǎng)的研究，多為如何從技術(shù)層面提升通信網(wǎng)系統(tǒng)的安全防御能力，還沒有發(fā)現(xiàn)針對電力通信網(wǎng)存在的風(fēng)險因素，找出風(fēng)險點，針對性的進行設(shè)備維護的研究。本文提出了根據(jù)電力通信網(wǎng)中存在的風(fēng)險因子，構(gòu)建風(fēng)險評估指標體系，采用層次分析法求取每個指標的權(quán)重，然后采用指數(shù)分析法確定各個事件發(fā)生風(fēng)險的概率，針對性的提高易發(fā)生故障的設(shè)備的安全性。

1 電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險分析及評估指標構(gòu)建

1.1 電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險分析

電力通信網(wǎng)的風(fēng)險指的是在網(wǎng)絡(luò)工作時存在的不確定性。通信網(wǎng)的安全特性可以體現(xiàn)為如下幾點：擁有授權(quán)資格的個人及設(shè)備才能訪問網(wǎng)絡(luò)資源；能夠確認進行網(wǎng)絡(luò)通信的操作者身份；未經(jīng)授權(quán)不能訪問數(shù)據(jù)內(nèi)容；保證信息只在授權(quán)的端點進行傳播；數(shù)據(jù)在傳輸途中要能保證數(shù)據(jù)完整性，不可更改性；當網(wǎng)絡(luò)異常時，授權(quán)用戶仍能正常操作；保證網(wǎng)絡(luò)的私密性，防止網(wǎng)絡(luò)通信被破譯[7-9]。

通信網(wǎng)安全風(fēng)險評估指的是對通信網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進行評估，并對發(fā)生風(fēng)險后帶來的影響進行分析。由于電力通信網(wǎng)的開放性，所以在通信電路、網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備等存在脆弱性。隨著電力通信網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，而通信網(wǎng)絡(luò)成環(huán)可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。通信線中的光纜經(jīng)常會因為自然災(zāi)害而損壞。SDH設(shè)備和PCM故障會引起通信故障。通信電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電力二次系統(tǒng)防護設(shè)備等故障，以及運行管理、人為安全等，也是影響通信安全的因素。電力通信網(wǎng)的威脅包括如下5點：

（1）對通信或網(wǎng)絡(luò)資源的破壞；

（2）對信息的濫用；

（3）網(wǎng)絡(luò)資源的刪除或丟失；

（4）信息的泄露；

（5）服務(wù)的中斷和禁止。

1.2 評估指標的構(gòu)建

根據(jù)電力通信網(wǎng)存在的安全風(fēng)險因素，構(gòu)建評估指標，其構(gòu)建過程如圖1所示。

圖1 指標構(gòu)建流程

指標構(gòu)建應(yīng)遵循如下原則。

（1）科學(xué)地選取評價指標，評價指標要能夠體現(xiàn)出電力通信網(wǎng)存在的風(fēng)險因素，建立的指標要求層次分明，目標明確。

（2）構(gòu)建電力風(fēng)險評估指標時，可以適用于不同電網(wǎng)公司的通信系統(tǒng)，能描述出絕大多數(shù)電網(wǎng)的風(fēng)險情況，構(gòu)建的指標因素要簡明扼要，內(nèi)涵清晰。

（3）建立的評價指標盡量實現(xiàn)采用較少的評價因子就可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的準確評價，可以有效降低工作量，且所用的指標要易于采集。構(gòu)建的指標因子要基于我國電網(wǎng)通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，不能照搬國外評價指標。

（4）每個指標都能反映出評價對象的一個點，即可以實現(xiàn)對某項內(nèi)容的單獨評估。評估指標要具有獨立性，避免指標間的交叉重疊。

1.3 指標體系的構(gòu)建及優(yōu)化

本文采用層次化的指標體系架構(gòu)，便于將指標從底層到頂層逐層分析，從而評價其綜合指標。層次化指標結(jié)構(gòu)包含了目標層、準則層和指標層。通過分析可知，影響電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險包括通信設(shè)備、通信電源、運行維護及管理等方面，參考電力通信網(wǎng)安全分析結(jié)果，構(gòu)建的我國電力通信網(wǎng)安全評估指標如圖2所示。

圖2 電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險評估指標體系

對指標體系進行合理的篩選，達到摒棄冗余指標后能對通信網(wǎng)安全風(fēng)險評估進行準確評估的目的。刪除冗余指標的過程為：設(shè)評價指標體系F={f1，f2,…,fn}，權(quán)數(shù)λ={λ1,λ2,…,λn}，λi∈ [0,1](i=1,2,…,n)，取舍系數(shù)λch，λch∈ [0,1]，若λi≤λh，則摒棄指標fi。

對確定的指標進行有效性驗證，其過程為：設(shè)評價指標體系F={f1，f2,…,fn}，共S個評估專家，第j個專家的評分Xj={x1j，x2j,…,xnj}。指標fi的效度系數(shù)記為：

其中，為指標fi平均得分，M是fi的最大評分值。則評估指標體系F的效度系數(shù)為公式（2）。

當β的絕對值越小，說明S個專家打分傾向于一致，則說明評估結(jié)果越具有效性。

因為評估專家對指標認知不同，導(dǎo)致的評價結(jié)果也不同，所以，需要對指標體系的可靠性進行評價。設(shè)專家評分的平均數(shù)據(jù)組Y={y1，y2,…,yn}，其中。則指標體系可靠性系數(shù)為：

其中，

當ρ越大則表示評價結(jié)果差異越小，指標可靠性高。ρ∈（0.90,0.95）時可靠性高，ρ∈（0.80,0.90）時可靠性一般，其余則較差。

2 層次分析法

層次分析法（AHP）由T.L教授于20世紀70年代提出[10-11]，以底層評價指標作為指標層，分層次向上層遞進，最終得到目標層函數(shù)評價值[12]。AHP求解目標值的過程為：將問題進行層次劃分、構(gòu)造判斷矩陣、求取各層權(quán)重、逐層向上求取權(quán)重值[13-14]。

2.1 問題層次化

層次分析法的遞階層次如表1所示。

表1 層次分析法的遞階層次模型

2.2 判斷矩陣構(gòu)建

表2表示，上一層為A，B1，B2，…，Bm為A的下層元素。B1，B2，…，Bm共m個元素，相互之間進行重要程度比較，獲得比較判斷矩陣A=(bij)m×m。

表2 比較判斷矩陣表

設(shè)某層含n個元素：X1,X2,…,Xn，則其n階判斷矩陣：Q=(qij)n×n，其中qij為基于同一上層目標的重要性之比。AHP的相對重要性標度如表3所示，用于確定矩陣中元素bij的權(quán)重。

表3 相對重要性的標度值

2.3 單層權(quán)值計算

構(gòu)建完判斷矩陣，求取其一致性比率C.I.。求取過程為建立最大非零特征值為λmax的n階判斷矩陣。

一致性指標R.I.(random Index)，如表4所示。

表4 平均隨機一致性指標R.I.

C.R.由式（5）確定，若C.I.＜0.1，則說明構(gòu)造的判斷矩陣合理，若C.I.≥0.1，則需要重新構(gòu)建判斷矩陣。

2.4 合成權(quán)值計算

層次分析法求取的時候，要由底層逐層向上進行計算，依次求取各層指標的權(quán)重值。k-1層m個元素關(guān)于上一層的合成權(quán)重為公式（6）：

第k層n個元素關(guān)于第k-1層第j個元素的權(quán)重為公式（7）：

其中，下一層對k-1層沒有影響的元素，權(quán)重為0。

令p(k)=(p1(k),p2(k),…,pm(k))是第k層元素關(guān)于k-1層的權(quán)重矩陣，則第k層元素對目標元素的貢獻為公式（8）。

或

設(shè)k-1層第j個元素為準則的一致性指標、隨機一致性指標及一致性比率分別記為C.I.(k)、R.I.(k)和C.R.(k)，j=1,2,…,m，

則第k層的綜合一致性檢驗指標：

若C.I.＜0.1，則說明構(gòu)造的判斷矩陣合理，若C.I.≥0.1，則需要重新構(gòu)建判斷矩陣，重新計算。

層次分析法一般的評價流程如圖3所示。

圖3 層次分析法流程圖

3 算例仿真

3.1 實驗仿真

以福建省電網(wǎng)通信系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，采集其實際故障數(shù)據(jù)如表5所示，構(gòu)建其電力風(fēng)險評價指標體系，并對其進行評估。采用章節(jié)2的電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險評估系統(tǒng)指標體系構(gòu)建方法，對指標體系進行合理的計算篩選，在進行實際風(fēng)險評估的時候，選取的指標如表5所示。通過詢問相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，得到各個指標的相對重要程度，采用AHP方法求取指標的權(quán)重。最后得到的電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險事件影響程度如表5所示。

其中，準則層與目標層判斷矩陣為公式（13）。

指標層的判斷矩陣如下所示。

采用指數(shù)分布法求取風(fēng)險發(fā)生的概率。

θ是分布均值，λ=1/θ是故障率。在時間T內(nèi)發(fā)生故障次數(shù)d，則平均故障時間記作：

表5 風(fēng)險評估指標體系及概率

根據(jù)實際故障數(shù)據(jù)和式（17）求取福建省電力通信網(wǎng)的風(fēng)險發(fā)生概率，根據(jù)風(fēng)險公式，求取每項風(fēng)險事件帶來的風(fēng)險值，如表5所示。將風(fēng)險值進行歸一化處理后，得到風(fēng)險比較如圖4所示。

圖4 風(fēng)險事件比較圖

3.2 結(jié)果分析

從求取的結(jié)果可知，經(jīng)過歸一化處理后，SDH、PCM及ADSS設(shè)備的風(fēng)險值分別為0.156 3，0.289 1，0.170 5，處于最高的前三位，說明此三個設(shè)備容易導(dǎo)致電力通信網(wǎng)發(fā)生故障。

由福建省電力通信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，顯示該省2017年發(fā)生的電力通信故障，包括了通信安穩(wěn)通道、線路包含通道及調(diào)度自動化等業(yè)務(wù)，大部分由這三個設(shè)備所引起。證明了該分析計算結(jié)果與實際情況相符合，從而驗證了本文所提出的構(gòu)建電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險評估指標體系具有適用性，采用的基于層次分析法計算的電力風(fēng)險值具有可靠性。

4 結(jié) 論

本文基于可能會導(dǎo)致電力通信網(wǎng)故障的因素，初步構(gòu)建電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險指標體系，并對確定的指標體系進行指標優(yōu)化，刪除冗余指標，形成層次化結(jié)構(gòu)分明的指標系統(tǒng)。采用層次分析法對構(gòu)建的指標體系進行權(quán)重求取，然后采用指數(shù)分布法求取事件發(fā)生的風(fēng)險值。最后的實驗仿真結(jié)果，與電力通信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的實際情況相吻合，驗證了本文構(gòu)建的風(fēng)險評估指標體系的合理性，以及求解電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險值的方法具有可靠性。