周全貴

（云南電網(wǎng)有限責任公司西雙版納供電局）

0 引言

在電力系統(tǒng)的建設過程中應用了網(wǎng)絡技術，使電力通信更加靈活、安全、高效。隨著信息化技術的完善與成熟，電力系統(tǒng)的通信程度得到了顯著地提升，對通信網(wǎng)的依賴程度也開始增加，當網(wǎng)絡受到攻擊時，電力通信的安全無法保證，需要對電力通信網(wǎng)進行脆弱性評估。針對此類問題，研究人員設計了多種評估方法，其中，基于復雜網(wǎng)絡和暫態(tài)能量函數(shù)的評估方法與基于服務傳輸?shù)脑u估方法應用較為廣泛。

基于復雜網(wǎng)絡和暫態(tài)能量函數(shù)的評估方法，主要利用評估框架進行評估，當網(wǎng)絡受到攻擊時，通過暫態(tài)能量函數(shù)判斷網(wǎng)絡物理脆弱性，并將網(wǎng)絡的復雜性考慮在內(nèi)，提升評估效果［1］?；诜諅鬏?shù)脑u估方法，主要是針對網(wǎng)絡運行過程中靜態(tài)配置信息與動態(tài)運行信息進行分析的方法，對網(wǎng)絡節(jié)點的脆弱性評估更加全面［2］。以上兩種方法均能夠對通信網(wǎng)進行可靠性評估，但是受到網(wǎng)絡運行狀態(tài)的影響，網(wǎng)絡臨毀度指標不斷變化，影響最終的脆弱評估效果［3］。因此，本文將臨毀度指標考慮在內(nèi)，設計了電力通信網(wǎng)脆弱性評估方法。

1 電力通信網(wǎng)脆弱性評估方法設計

1.1 確定電力通信網(wǎng)絡信息臨毀度指標

通信網(wǎng)是將各個網(wǎng)絡節(jié)點的相互作用直接抽象為頂點與邊的網(wǎng)絡，通過通信網(wǎng)絡結構變化情況，判斷出此時通信網(wǎng)的通信脆弱性。在通信網(wǎng)受到攻擊時，從網(wǎng)絡的業(yè)務層開始，網(wǎng)絡節(jié)點出現(xiàn)失效的情況［4］。電力業(yè)務在網(wǎng)絡邊上傳輸產(chǎn)生時延時，與時延閾值越接近，網(wǎng)絡承受攻擊的能力越弱，脆弱性越高，此時網(wǎng)絡處于危險狀態(tài)。本文將該閾值定義為臨毀度，表明網(wǎng)絡受到攻擊瀕臨毀滅的程度，公式如下：

式中，Pij為通信網(wǎng)信息臨毀度指標；tij為第i個業(yè)務在j邊上的時延范圍；Ti為第i類業(yè)務的業(yè)務臨毀度值。

通信網(wǎng)中存在多條通信支路，表現(xiàn)出的脆弱值不同，最終的評估結果相應不同［5］。根據(jù)Pij的變化情況，累積增加通信網(wǎng)在鏈路上表現(xiàn)的脆弱性分量，從而保證評估效果［6］。脆弱性分量的累加值就是通信支路的脆弱度，公式如下：

式中，CP［Ep（i，j）］為通信支路的脆弱度；Ep（i，j）為第i條通信支路到第j條通信支路的脆弱值；δt為通信傳輸?shù)膶嶋H時延；Vi為通信支路中包含的業(yè)務量；Vj為第j類業(yè)務在通信支路上的傳輸速率。

通信支路上的因素直接影響到電力節(jié)點的脆弱值，本文將通信因素對通信支路網(wǎng)絡節(jié)點的影響簡化為電力節(jié)點，通過臨毀度指標，判斷通信網(wǎng)絡受到攻擊的威脅程度。

1.2 基于臨毀度構建電力通信網(wǎng)絡脆弱性評估模型

本文在進行通信網(wǎng)脆弱性評估的過程中，根據(jù)臨毀度指標，構建了評估模型?？紤]到靜態(tài)脆弱與動態(tài)脆弱對評估結果的影響，從通信網(wǎng)的不同層次抽取一個節(jié)點作為評估模型的評估節(jié)點，該節(jié)點根據(jù)源節(jié)點所在層次與等級，被賦予不同的受攻擊程度［7］。各個節(jié)點之間的通信支路是電力通信網(wǎng)絡的保護邊，在正常通信的過程中采用雙向通信的方式，因此，本文將所有邊看做無，避免模型中出現(xiàn)自環(huán)現(xiàn)象。假設在電力通信網(wǎng)抽取了M個節(jié)點，其中M＝｛m1，m2，m3，…，mn｝，若節(jié)點mi與節(jié)點mj之間存在光纜，則系數(shù)kij＝1；若節(jié)點mi與節(jié)點mj之間不存在光纜，則系數(shù)kij＝0［8］。本文將靜態(tài)脆弱性評估指標定義為：

式中，N（Mi）為靜態(tài)脆弱性評估指標；ε1、ε2為節(jié)點介數(shù)與節(jié)點壓力兩個靜態(tài)因素的權重；Pij（mi）為第mi個節(jié)點的臨毀度指標；N（mi）為業(yè)務層的壓力指標。

N（Mi）為不隨時間變化的常數(shù)，動態(tài)脆弱性評估指標定義為：

式中，Nvi（Mi）為動態(tài)脆弱性評估指標。

根據(jù)N（Mi）與Nvi（Mi），構建脆弱性評估模型，表達式如下：

2 仿真實驗

為了驗證本文設計的評估方法是否能夠應用于實際生活中，搭建了一個仿真實驗平臺，對上述方法進行了仿真驗證。分別使用文獻［1］基于復雜網(wǎng)絡和暫態(tài)能量函數(shù)的評估方法、文獻［2］基于服務傳輸?shù)脑u估方法以及本文設計的基于臨毀度的評估方法，對電力通信網(wǎng)絡的脆弱性進行評估。

2.1 實驗過程

本文在仿真實驗平臺中對電力通信網(wǎng)絡進行仿真，將電力系統(tǒng)保護網(wǎng)絡拓撲進行模擬，將網(wǎng)絡中不同層面的站點，抽象成不同重要程度的節(jié)點，將各個節(jié)點依次相連，形成了不同重要程度的邊。本次實驗共仿真了17個節(jié)點，25條邊，表示為n＝17，m＝25，將拓撲圖稱為電力通信網(wǎng)絡A。仿真通信網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

圖1 仿真通信網(wǎng)絡拓撲圖

如圖1所示，協(xié)控主站設定為X，共6個；控制主站設定為K，共8個；負控主站設定為F，共3個。其中，X的網(wǎng)絡連通強度（EI）值設定為2.22，K的EI值設定為1.86，F(xiàn)的EI值設定為1.35。一級線路的EI值設定為1.25，二級線路的EI值設定為0.80。在此仿真網(wǎng)絡下，模擬出電力負荷控制、交直流協(xié)調(diào)控制、連鎖故障控制等業(yè)務，在該電力通信網(wǎng)絡下運行。每個業(yè)務對應的網(wǎng)絡攻擊不同，隨機性攻擊選擇6、13、16、7、8、15等節(jié)點，高介數(shù)攻擊選擇17、2、4、11、9、12等節(jié)點，高壓力攻擊選擇10、1、3、14、5等節(jié)點。根據(jù)各個節(jié)點的攻擊情況，得出通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡性能情況，如圖2所示。

圖2 通信網(wǎng)絡性能變化曲線

如圖2所示，在隨機性攻擊、高介數(shù)攻擊和高壓力攻擊模式中，網(wǎng)絡流量（GNP）值均隨著被攻擊節(jié)點數(shù)的增加而減少，可知攻擊對網(wǎng)絡性能的影響較大。在被攻擊的節(jié)點數(shù)增加到10時，GNP值最低，此時網(wǎng)絡節(jié)點的失效可能性較大，本文對其進行脆弱性計算，由此評估電力通信網(wǎng)的脆弱性。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，隨機選取出8個通信網(wǎng)絡節(jié)點，將其按照脆弱值排序為1～8，在不同的脆弱值下，脆弱性評估狀態(tài)不同。將文獻［1］基于復雜網(wǎng)絡和暫態(tài)能量函數(shù)評估方法的脆弱性、文獻［2］基于服務傳輸評估方法的脆弱性以及本文設計的基于臨毀度評估方法的脆弱性進行對比，并以脆弱值與狀態(tài)評估的形式呈現(xiàn)，實驗結果見表。

表 實驗結果

如表所示，脆弱值是判定通信網(wǎng)絡脆弱性的關鍵指標，本文將通信網(wǎng)絡節(jié)點的脆弱值排序為1～8。脆弱值普遍不超過0.5，超過0.5之后，通信節(jié)點處于危險狀態(tài)；脆弱值在0.4～0.5時，通信節(jié)點處于警告狀態(tài)；低于0.4的節(jié)點均為良好狀態(tài)。其中，通信網(wǎng)絡節(jié)點1為危險狀態(tài)，2、3為警告狀態(tài)，4～8為良好狀態(tài)。使用文獻［1］基于復雜網(wǎng)絡和暫態(tài)能量函數(shù)評估方法的脆弱值相對較高，在通信網(wǎng)絡節(jié)點2、3、4、5處，脆弱性評估結果存在誤差，影響電力通信網(wǎng)絡的后續(xù)運行與維護。使用文獻［2］基于服務傳輸評估方法的脆弱值在節(jié)點2處存在誤差，與通信節(jié)點的脆弱性狀態(tài)不同，同樣影響電力通信網(wǎng)絡的后續(xù)運行與維護。使用本文設計的基于臨毀度評估方法的脆弱性評估狀態(tài)與實際狀態(tài)保持一致，可以保證電力通信網(wǎng)絡的后續(xù)運行與維護，符合本文研究目的。

3 結束語

近些年來，電力網(wǎng)絡建設逐漸完整，通過智能化技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術等應用，電力網(wǎng)絡成為了具有高可靠性的現(xiàn)代通信技術。電力系統(tǒng)對網(wǎng)絡的依賴程度逐漸增加，網(wǎng)絡信息存在的安全隱患也逐漸凸顯。網(wǎng)絡在受到攻擊時，網(wǎng)絡節(jié)點會出現(xiàn)失效或不正常運行的狀態(tài)，影響電力通信網(wǎng)絡的繼續(xù)運行，導致通信網(wǎng)變得脆弱。因此，本文在臨毀度理論下，設計了電力通信網(wǎng)絡脆弱性評估方法，通過確定臨毀度指標與評估模型的方式，判斷電力通信網(wǎng)的運行狀態(tài)，最大限度地保證電力系統(tǒng)的有效運行。