基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力通信網(wǎng)拓?fù)浯嗳跣苑治黾皩Σ?/h1>
2021-09-10 19:54:05扎培
家園·電力與科技 2021年5期
扎培
摘要：以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，對電力通信網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浣?、基本參?shù)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)特性分析，對于確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和加強(qiáng)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(diǎn)，依據(jù)度數(shù)、介數(shù)指標(biāo)找出網(wǎng)絡(luò)脆弱點(diǎn)，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(biāo)，確定網(wǎng)絡(luò)脆弱點(diǎn)。最后，以某2個(gè)實(shí)際電力通信網(wǎng)為例進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)特性分析，針對不同故障模式對其進(jìn)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò);脆弱性
電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的發(fā)展趨勢與精細(xì)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(yùn)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(hù)措施具有重要的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。
針對電力通信網(wǎng)的保護(hù)，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(diǎn)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(biāo)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(fēng)險(xiǎn)均衡路由分配機(jī)制以降低通道段和網(wǎng)絡(luò)整體風(fēng)險(xiǎn)?；跇I(yè)務(wù)平均風(fēng)險(xiǎn)度和業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)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(xiàn)[12]針對電力通信網(wǎng)安全評估指標(biāo)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?fù)涓纳破浣Y(jié)構(gòu)脆弱性。提出了基于節(jié)點(diǎn)重要度的平衡度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化算法。對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的拓?fù)涮匦赃M(jìn)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(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)狀網(wǎng)是典型的小世界網(wǎng)絡(luò)。基于復(fù)雜網(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?fù)涫请娏νㄐ啪W(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(yùn)行方式復(fù)雜拓?fù)浯嗳豕?jié)點(diǎn)更容易成為攻擊對象?；趶?fù)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(hù)策略。雖然已有學(xué)者提出了通過增加多條地理上相互獨(dú)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(shí)際電力通信網(wǎng)中得到檢驗(yàn)。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)已進(jìn)行了較為充分的研究，而對實(shí)際電力通信網(wǎng)尤其是區(qū)域級電力通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尚不清楚。因此，有必要對電力通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析并對現(xiàn)有加邊策略的有效性進(jìn)行對比研究。
1 脆弱性的衡量指標(biāo)
目前，對于脆弱性還沒有統(tǒng)一的定義。本文采用文獻(xiàn)[3]提出的網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，即網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)或邊遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)性能的下降。目前，復(fù)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中，任意 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離被定義為連接 這 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑 d。對所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(tuán)化的程度。
3）節(jié)點(diǎn)介數(shù)分布 Pcum（S）。在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的介數(shù)是指所有最短路徑中必須經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。用 P（S′）表示介數(shù)為 S′的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占節(jié)點(diǎn)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(biāo)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(jìn)行改進(jìn)。計(jì)算流程如下。
1）計(jì)算最短路徑的方法不變。計(jì)算系統(tǒng)的總效能 E。
2）由業(yè)務(wù)矩陣 Sij 計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的總業(yè)務(wù)量 S，計(jì)算最短路徑矩陣 Aij，其中，aij表示節(jié)點(diǎn) i 和 j 之間的最短路徑。
3）每次仿真去除 1 個(gè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)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(gè)角度進(jìn)行評估。文中設(shè)定了以下幾種攻擊模式：
1）隨機(jī)節(jié)點(diǎn)攻擊模式（random attack，RA）。隨機(jī)選擇并移除一定比例的節(jié)點(diǎn)。
2）高度數(shù)節(jié)點(diǎn)攻擊模式（high degree attack，HDA）。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的度數(shù)并進(jìn)行排序，選擇并移除一定比例的高度數(shù)節(jié)點(diǎn)。
3）高介數(shù)節(jié)點(diǎn)攻擊模式（high betweennessattack，HBA）。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的介數(shù)并進(jìn)行排序，選擇并移除一定比例的高介數(shù)節(jié)點(diǎn)。
3.1 脆弱性評估
連通性是保障站點(diǎn)間進(jìn)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(diǎn)所占比例 G 為指標(biāo)。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?fù)浣Y(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(gè)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(diǎn)仍可通過重新規(guī)劃路由保障部分業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。
實(shí)時(shí)性是通信網(wǎng)最重要的指標(biāo)之一，廠站間的通信延時(shí)取決于經(jīng)過站點(diǎn)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(jìn)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(yùn)用基于復(fù)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(jìn)行了分析;提出了適合電力通信網(wǎng)的效能指標(biāo)，同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)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(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)承受能力的限制，使這種分析方法更加完善。
參考文獻(xiàn)：
[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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性研究[D]. 大連：大連理工大學(xué). 2006.
[3]歐陽敏，費(fèi)奇，余明輝. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的功效性與脆弱性研究綜述[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，32（7）：1-4.
[4]丁明，韓平平. 加權(quán)拓?fù)淠Ｐ拖碌男∈澜珉娋W(wǎng)脆弱性評估[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（10）：20-25
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針對電力通信網(wǎng)的保護(hù)，目前主要有以下2種思路。
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1 脆弱性的衡量指標(biāo)
目前，對于脆弱性還沒有統(tǒng)一的定義。本文采用文獻(xiàn)[3]提出的網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，即網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)或邊遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)性能的下降。目前，復(fù)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中，任意 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離被定義為連接 這 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑 d。對所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(tuán)化的程度。
3）節(jié)點(diǎn)介數(shù)分布 Pcum（S）。在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的介數(shù)是指所有最短路徑中必須經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。用 P（S′）表示介數(shù)為 S′的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占節(jié)點(diǎn)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(biāo)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(jìn)行改進(jìn)。計(jì)算流程如下。
1）計(jì)算最短路徑的方法不變。計(jì)算系統(tǒng)的總效能 E。
2）由業(yè)務(wù)矩陣 Sij 計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的總業(yè)務(wù)量 S，計(jì)算最短路徑矩陣 Aij，其中，aij表示節(jié)點(diǎn) i 和 j 之間的最短路徑。
3）每次仿真去除 1 個(gè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)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(gè)角度進(jìn)行評估。文中設(shè)定了以下幾種攻擊模式：
1）隨機(jī)節(jié)點(diǎn)攻擊模式（random attack，RA）。隨機(jī)選擇并移除一定比例的節(jié)點(diǎn)。
2）高度數(shù)節(jié)點(diǎn)攻擊模式（high degree attack，HDA）。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的度數(shù)并進(jìn)行排序，選擇并移除一定比例的高度數(shù)節(jié)點(diǎn)。
3）高介數(shù)節(jié)點(diǎn)攻擊模式（high betweennessattack，HBA）。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的介數(shù)并進(jìn)行排序，選擇并移除一定比例的高介數(shù)節(jié)點(diǎn)。
3.1 脆弱性評估
連通性是保障站點(diǎn)間進(jìn)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(diǎn)所占比例 G 為指標(biāo)。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?fù)浣Y(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(gè)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(diǎn)仍可通過重新規(guī)劃路由保障部分業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。
實(shí)時(shí)性是通信網(wǎng)最重要的指標(biāo)之一，廠站間的通信延時(shí)取決于經(jīng)過站點(diǎn)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(jìn)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(yùn)用基于復(fù)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(jìn)行了分析;提出了適合電力通信網(wǎng)的效能指標(biāo)，同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)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(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)承受能力的限制，使這種分析方法更加完善。
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