考慮電網關聯度的電力通信網關鍵環節識別

崔力民，耿子惠，舒勤，王鑫

(1．華北電力大學經濟與管理學院，北京市102206；2．國網新疆電力公司信息通信公司，烏魯木齊市830018；3．四川大學電氣信息學院，成都市610065)

考慮電網關聯度的電力通信網關鍵環節識別

崔力民1,2，耿子惠3，舒勤3，王鑫2

(1．華北電力大學經濟與管理學院，北京市102206；2．國網新疆電力公司信息通信公司，烏魯木齊市830018；3．四川大學電氣信息學院，成都市610065)

電力通信網作為電網的支撐網絡，其可靠運行對電網安全可靠運行有著重要意義。為了識別電力通信網的關鍵環節，提出了一種考慮電網關聯度的電力通信網關鍵環節識別方法。首先，構建電力-通信復合系統，其次，分別構建電力系統層節點評價體系、鏈路評價體系和通信系統層節點評價體系、鏈路評價體系，然后采用TOPSIS算法分別求得電力系統層節點重要度、鏈路重要度以及通信系統層節點重要度、鏈路重要度。最后，通過特定的代數運算，將電網關聯度與通信網自身的重要度結合起來，分別求得考慮電網關聯度的電力通信網節點、鏈路重要度值，并依據重要度值，識別出電力通信網關鍵環節。某省實際電力通信網仿真結果表明，該方法可以有效地識別出關鍵環節，證明了該方法的可行性。

電力通信網；多屬性決策；賦權法；節點重要度；鏈路重要度

0 引 言

隨著電力網的不斷建設，在電力網大規模互聯的趨勢下，電力網的規模不斷增大，電力通信網作為電力系統生產調度自動化和企業管理現代化的基礎，其規模也在不斷增大，網絡結構也趨于復雜化。研究表明，電力通信網中某些重要節點和鏈路受到攻擊并失效后，往往會導致整個電力通信網絡的崩潰[1]，因此，識別電力通信網關鍵環節并加以保護，對于電力通信網可靠運行具有非常重要的意義。

電力通信網關鍵環節包括關鍵節點和關鍵鏈路，本文用節點重要度和鏈路重要度衡量節點和鏈路的關鍵程度。由于電力通信網是維護電力系統安全、可靠、穩定運行的支撐網絡，因此，電網關聯度對電力通信網關鍵環節的識別有很重要的作用。

目前，對于節點的重要度評估本質上都是基于復雜網絡理論，對電力通信網網絡拓撲結構進行研究。文獻[2]采用基于節點刪除的評價方法來評價節點重要度。但是，如果多個節點的刪除都導致網絡不連通，則這些節點的重要度是相同的，該方法沒有考慮節點自身的屬性。文獻[3-4]采用基于節點收縮的方法，把收縮后節點的凝聚度作為評價指標。但是，如果多個節點收縮后的網絡拓撲一致，則這些節點重要度也是相同的，該方法沒有考慮網絡拓撲的特殊性。文獻[5]采用介數法，直接選取節點的介數值作為評價指標。但是，對于一些邊緣節點，其介數值相同，該方法無法加以區分。目前對于電力通信網鏈路的研究較少，文獻[6]對通信鏈路的風險值進行計算，評價其重要度。由于現有信息的不完善，該方法存在較大的不準確性。此外，這些方法考慮因素都比較單一，均沒有考慮電網與電力通信網的關聯性，因此評價結果具有一定的局限性。

基于以上分析，本文提出一種考慮電網關聯度的電力通信網關鍵環節識別方法。首先構建指標評價體系，采用多屬性決策分析法，求得電力通信網節點和鏈路的重要度，然后考慮電網影響因素，求得電網影響因子，最后定義一種運算，將電網影響因子和電力通信網節點及鏈路的重要度結合起來，最終求得電網影響下的電力通信網節點及鏈路的重要度。從而識別出電力通信網關鍵環節，為加強電力通信網的風險管控提供了重要依據。

1 構建電力-通信復合系統

構建的電力-通信復合系統如圖1所示。

圖1 電力-通信復合系統Fig.1 Power-communications composite system

首先建立電力網的拓撲結構模型，按經典圖論理論的規則，將其抽象為僅由節點和邊組成的簡單圖。將發電廠、變電站和變壓器簡化為節點，高壓輸電線簡化為邊,這樣就把電力系統簡化成一個無向無權的網絡[7]。對一個有m個節點的電力網，構造連接矩陣AP=(ap,ij)m×m，當i=j時，表示節點本身，ap,ij=1；當i≠j時，表示兩節點間相連鏈路，若兩節點間沒有鏈路相連，ap,ij=0，若兩節點有鏈路相連，ap,ij=1。

同樣，將通信場站抽象為節點，光纖傳輸線路抽象描述為支路，將通信系統簡化為一個無向無權的網絡，對一個有N個節點的通信網，構造連接矩陣AC=(ac,ij)N×N,當i=j時，表示節點本身，ac,ij=1；當i≠j時，表示兩節點間相連鏈路，若兩節點間沒有鏈路相連，ac,ij=0 ，若兩節點間有鏈路相連，ac,ij=1。

2 評價指標體系構建

2.1 電力系統層節點重要度評價體系

構建的電力系統層節點重要度評價體系如圖2所示。

圖2 電力系統層節點重要度評價體系Fig.2 Evaluation system of electric power system layer node importance

設基于圖論的方法，構建電力網網絡拓撲圖，G=(V,E)設為網絡的拓撲結構[8]，其中，V={v1,v2,…,vn}是網絡節點集,V=n;E={e1,e2,…,em}是網絡無向鏈路集,E=m。

(1)度中心度。測量網絡中某節點與所有其他節點相聯系的程度，度中心度越高，節點越重要[9]。定義節點i與其他節點直接相關聯的邊數為ki，則節點i的度中心度CDi可表示為

CDi=ki/(n-1)

(1)

(2)緊密中心度。緊密中心度反映網絡中某節點與其他節點之間的接近程度[10]，緊密中心度越大，表明節點越處于網絡的中心位置，節點越重要。定義節點i到節點j的最短路徑中包含邊的數量為dij，則節點i的緊密中心度CCi可表示為

CCi=(n-1)/∑Nj=1dij

(2)

(3)中介中心度。中介中心度是以經過網絡中某個節點的最短路徑數目刻畫節點重要性的指標[11]。網絡中其他節點在通信時經過該節點的次數越多，則該節點越重要，因此，中介中心度越高，節點越重要。定義網絡中任意2個節點j和k之間最短路徑總數為gjk，其中，經過節點i的最短路徑條數為gjk(i)，則節點i的中介中心度CBi可表示為

CBi=2n(n-1)∑j≠i≠k∈Vgjk(i)gjk

(3)

(4)節點類型。節點類型指電力站點類型，包括發電廠，不同等級變電站等。采用專家打分法，賦予不同節點類型不同的相對影響力值[12]。對不同類型節點賦值如下： 500kV變電站5分，220kV變電站3分，110kV變電站1分。

(5)節點容量。節點容量用視在功率標幺值表示[13]。

2.2 電力系統層鏈路重要度評價體系

構建的電力系統層鏈路重要度評價體系如圖3所示。

圖3 電力系統層鏈路重要度評價體系Fig.3 Evaluation system of electric power system layer link importance

(1)線路阻抗。本文采用線路單位阻抗，取單位阻抗的倒數，將其轉換成效益型指標[14]，即數值越大越好的指標。

(2)傳送功率。線路的傳送功率用視在功率表示,設線路傳輸的有功功率為P，線路傳輸的無功功率為Q,則傳送功率S可用式(4)計算：

S=P2+Q2

(4)

(3)電壓等級。電壓等級指鏈路電壓等級。

(4)線路兩端度。設k′i，k′j分別是線路兩端節點i，j的度，則線路兩端度kij可用式(5)計算:

kij=k′i+k′j-1

(5)

2.3 通信系統層節點重要度評價體系

構建的通信系統層節點重要度評價體系如圖4所示。

圖4 通信系統層節點重要度評價體系Fig.4 Evaluation system of communication system layer node importance

其中，度中心度，緊密中心度，中介中心度，定義同電力系統層。

(1)節點類型。節點類型指通信節點所處電網站點類型，包括調度中心、不同等級變電站、發電廠等[15]。本文采用專家打分方法，賦予不同類型的通信節點影響力值。對不同類型節點賦值情況如下：500 kV變電站5分，省級調度中心(以下簡稱“省調”)4分，220 kV變電站3分，地區調度中心(以下簡稱“地調”)2分，110 kV變電站1分。

(2)節點流量。由于節點流量并非固定值，因此根據歷史數據，將不同節點平均流量劃分等級[16]，為方便量化，等級不同評分不同。

2.4 通信系統層鏈路重要度評價體系

構建的通信系統層節點重要度評價體系如圖5所示。

圖5 通信系統層鏈路重要度評價體系Fig.5 Evaluation system of communication system layer link importance

(1)線路帶寬。線路帶寬指通信鏈路分配帶寬[17]。

(2)鏈路介數。鏈路介數指通信網中所有最短路徑中經過該邊的路徑的數目占最短路徑總數的比例[18]。

(3)線路兩端度。同電力系統層線路兩端度。

3 電力通信網關鍵環節識別

采用TOPSIS算法，將電力網及通信網中每個節點或鏈路看作一個方案[19]，每個評價指標看作方案的屬性，將節點和鏈路重要性評價轉換為多屬性決策問題。

設節點重要度評價體系中，總共有N個節點，評價體系中共有M個評價指標。第i個節點(鏈路)，第j項指標的值記為xij。

(1)構造規范化矩陣。

構造決策矩陣X=(xij)N×M,對決策矩陣X進行標準化處理，構成規范化決策矩陣R=(rij)N×M。

對于效益型指標：

rij=xij-xminjxmaxj-xminj

(6)

對于成本型指標：

rij=xmaxj-xijxmaxj-xminj

(7)

式中：xmaxj=maxxij1≤i≤N；xminj=minxij1≤i≤N。

(2)計算權重向量W。

采用將熵權法和層次分析法結合的綜合權重確定方法。層次分析法采用專家打分的方法[20]，將評價指標的重要性進行兩兩比較，構造比較判別矩陣，計算出主觀權重向量，并進行一致性檢驗，最后計算出第j項指標的主觀權重w1j。熵權法是根據各指標所包含的信息量的大小來確定指標權重的客觀賦權法[21]。

計算第j項指標的熵值ej：

ej=-k∑Ni=1PijlnPij

(8)

Pij=rij/∑Ni=1rij

(9)

k=1lnN

(10)

則第j項指標基于熵權法的權重w2j的計算公式如下：

w2j=1-ej∑Mj=1(1-ej)

(11)

確定綜合權重wj：

wj=w1jw2j∑Mj=1w1jw2j

(12)

式中wj滿足0≤wj≤1，∑Mj=1wj=1。

即得到權重向量W=[w1,w2,…,wj, …,wM]。

(3)構造加權規范化矩陣Y。

將權重向量與規范化矩陣結合，構造加權規范化矩陣Y：

Y=(yij)N×M=r11r12…r1M
r21r22…r2M
????
ri1…rij…
????
rN1rN2…rNMw10?0
0w2…0
????
0…wj…
????
00…wM

(13)

(4)計算相對貼近度。

基于加權規范化矩陣Y，計算指標j的正負理想解。所謂的正理想解就是某一個指標中最優值，反之就是負理想解。

正理想解：

Fj+={maxi∈L(yi1,…,yiM)}={ymax1,…,ymaxM}

(14)

負理想解：

Fj-={mini∈L(yi1,…,yiM)}={ymin1,…,yminM}

(15)

式中L={1,…,N}。

計算評價體系中各指標值與正負理想值之間的歐式距離。

到正理想解的距離：

D+i=∑Mj=1(yij-ymaxj)2,i=1,2,…N

(16)

到負理想解的距離：

D-i=∑Mj=1(yij-yminj)2,i=1,2,…N

(17)

每個節點或鏈路的相對貼近度：

Zi=D-i/(D+i+D-i),i=1,2,…N

(18)

節點或鏈路的相對貼近度即為節點或鏈路的重要度[22]。

由前文的評價體系，可以分別計算出電力系統層每個節點的重要度zpi，每條鏈路的重要度zp(i,j)；通信系統層每個節點的重要度zci，每條鏈路的重要度zc(i,j)。

考慮電力系統層與通信系統層的相互影響，同時避免重復計算，定義運算：

a⊕b=a+b-a×b

(19)

(5)考慮電網關聯度的通信節點重要度計算。

由于電力節點和通信節點并非一一對應，因此在數量上可能不一致，有可能出現一個通信節點對應多個電力節點的情況[23]。本文定義節點電網關聯度npi。

若通信節點i對應一個電力節點j，則節點電網關聯度即為該電力節點的重要度值。

npi=zpj

(20)

式中zpj是電力節點j的重要度。

若通信節點i對應多個電力節點，則將這些電力節點等效成一個電力節點，節點電網關聯度為所有相連電力節點重要度的和。

npi=∑j∈Bzpj

(21)

式中B是與通信節點i相連的所有電力節點的集合。

考慮電網關聯度的通信節點重要度ni可以用下式計算：

ni=npi⊕zci

(22)

(6)考慮電網關聯度的通信鏈路重要度計算。

由于通信鏈路與電力鏈路不是一一對應[24]，本文定義鏈路電網關聯度lp(i,j)。

若與某通信鏈路兩端節點i、j相連的電力節點k、l間有直接相連的鏈路，則該鏈路的電網關聯度即為這條電力鏈路的重要度值。

lp(i,j)=zp(k,l)

(23)

式中zp(k,l)是鏈路的重要度。

若與某通信鏈路兩端節點i、j相連的電力節點k、l間沒有直接相連的鏈路，則選擇節點k、l間的最短路徑，此最短路徑不考慮鏈路長度，將每條鏈路值均設為1[25]。將最短路徑經過的所有鏈路等效成一條路徑，鏈路電網關聯度是最短路徑經過所有鏈路的重要度的乘積。

lp(i,j)=∏(k,l)∈Czp(k,l)

(24)

式中C是電力系統層節點k、節點l間最短路徑包含的所有路徑的集合。

考慮電網關聯度的通信鏈路重要度li可用式(25)計算：

li=lp(i,j)⊕zc(i,j)

(25)

4 仿真研究

圖6為10-9節點復合系統。虛線表示電力節點與通信節點有連接。設電力系統層有10個節點，標號如圖6所示。通信系統層有9個節點，為了方便計算，將其按照與電力系統層的連接情況標記序號，如圖6所示。

圖6 電力10節點-通信9節點復合系統Fig.6 Composite system with ten-nodes electric power and nine-nodes communication

設電力系統層節點2，3，6，7是500 kV變電站，節點1，4，5，8是220 kV變電站，節點9，10是110 kV變電站。通信系統層節點7是省調，節點8是地調。

電力系統層節點各指標計算結果如表1所示。

表1 電力系統層節點各指標計算結果
Table 1 Calculation results of electric power system layer node index

節點類型指標按照上文所給定義，賦予其影響力值。根據公式(6)、(7)將各指標值歸一化，構成規范化決策矩陣R。

根據公式(8)到(11)計算各指標權重值，電力系統層節點各指標權重計算結果如表2所示。

表2 電力系統層節點各指標權重
Table 2 Index weight of nodes in electric power system layer

將權重值與規范化矩陣結合，構造加權規范化矩陣Y。計算出電力系統層各節點相對貼近度Zi，即得到電力系統層各節點重要度。

同樣，通信系統層節點各指標計算結果如表3所示。

表3 通信系統層節點各指標計算結果
Table 3 Calculation results of communication system layer node index

同樣，節點類型指標按照上文所給定義，賦予其不同的影響力值，根據公式(6)、(7)將各指標值歸一化，構成規范化決策矩陣。

根據公式(8)到(11)計算各指標權重值，通信系統層節點各指標權重計算結果如表4所示。

表4 通信系統層節點各指標權重
Table 4 Index weight of nodes in communication system layer

將權重值與規范化矩陣結合，構造加權規范化矩陣。計算出通信系統層各節點相對貼近度,即為通信系統層各節點重要度。

根據公式(20)、(21)，將電力系統層節點重要度轉化成節點電網關聯度。根據公式(22)計算出考慮電網關聯度的通信節點重要度，并與介數法[26]，未考慮電網關聯度的TOPSIS算法[27]進行比較，如圖7所示。由于電力系統層節點1(重要度0.3989)和節點10(重要度0.0142)均和通信系統層節點1有通信連接，因此，將電力節點1和電力節點10的重要度疊加在通信節點1上。

圖7 節點重要度計算結果對比Fig.7 Calculation results comparison of node importance

由圖7可以看出，節點7具有最大的重要度，在電力通信網中，節點7為省調，具有核心地位，因此重要度最高。節點9具有最小的重要度，因為節點9為110 kV變電站，且位于電力通信網邊沿位置，因此重要度較低，評價結果與實際相符合。

介數法是以各個節點的介數值作為評估節點重要度的依據，但是該方法無法區分邊沿節點的重要度，文中算例中，節點9為邊沿節點，介數法計算出其重要度為0，若是存在多個邊沿節點，則無法區分其重要度。而本文算法則可以區分邊沿節點重要度。

相對于以往的TOPSIS算法，本文考慮了電網關聯度，結合了電力因素和通信因素，使得評價結果更具合理性。由圖7可以看出，本文算法中，節點1的重要度得到了較大程度的提升，因為在通信網中，雖然節點1拓撲位置不重要，節點類型也不重要，但是電網有2個節點與其通信，因此，應該具有較高的重要度，考慮了電網關聯度后，評價結果明顯更合理。TOPSIS算法中，節點4的重要度低于節點5，而本文算法中，節點4重要度高于節點5。因為在電網中，節點4有較大的容量，因此相對同級別的節點5，具有更重要的地位，因此通信網中，與電網節點4直接通信連接的通信節點4重要度更為重要。評價結果更具合理性。

評估鏈路重要度，首先對電力系統層鏈路進行評估。電力系統層鏈路各指標計算結果如表5所示。

根據公式(6)、(7)將各指標值歸一化，構成規范化決策矩陣。

根據公式(8)到(11)計算各指標權重值，電力系統層鏈路各指標比較值及權重計算結果如表6所示。

表5 電力系統層鏈路各指標計算結果
Table 5 Calculation results of electric power system layer link index

表6 電力系統層鏈路各指標權重Table 6 Index weight of link in electric power system layer

將權重值與規范化矩陣結合，構造加權規范化矩陣。計算出電力系統層各鏈路相對貼近度，即得到電力系統層各鏈路重要度。

同樣，通信系統層鏈路各指標計算結果如表7所示。

表7 通信系統層鏈路各指標計算結果
Table 7 Calculation results of link index in communication system layer

根據公式(6)、(7)將各指標值歸一化，構成規范化決策矩陣。

根據公式(8)到(11)計算各指標權重值，通信系統層鏈路各指標權重計算結果如表8所示。

表8 通信系統層鏈路各指標權重
Table 8 Index weight of link in communication system layer

將權重值與規范化矩陣結合，構造加權規范化矩陣。計算出通信系統層各鏈路相對貼近度，即為通信系統層各鏈路重要度。

根據公式(23)、(24)，將電力系統層鏈路重要度轉化成鏈路電網關聯度。根據公式(25)，計算出考慮電網關聯度的通信鏈路重要度，并與介數法[28]，未考慮電網關聯度的TOPSIS算法進行比較，如圖8所示。

圖8 鏈路重要度計算結果對比Fig.8 Calculation results comparison of link importance

由圖8可以看出，鏈路(7,8)具有最大的重要度，節點7是省調節點，節點8是地調節點，在通信網中，該鏈路占據最重要地位。鏈路(8,9)重要度最低，由于在通信網中該鏈路處于邊緣，且傳輸較為不重要節點信息，因此重要度最低。評價結果具有合理性。

介數法是以邊介數為評估鏈路重要度的依據。由對比圖可以看出，相對于介數法，本文算法中，鏈路(2,7)的重要度得到了很大提升。鏈路(2,7)為省調與500 kV變電站間的鏈路，雖然邊介數值較小，但是由于傳輸較為重要站點信息，因此在實際電網中占據較為重要的位置。本文算法的評價結果更符合實際。相對于TOPSIS算法，鏈路(3,6)的重要度得到明顯提高，因為考慮到電網關聯度，鏈路(3,6)傳輸電網中更為關鍵的節點的信息。因此具有較高的重要度。

5 結 論

本文提出了一種考慮電網關聯度的電力通信網關鍵環節識別方法，相對于以往的方法，該方法綜合了電力通信網自身因素和電網關聯度，使得評價結果更具合理性。此外，該方法具有很好的擴展性，通過評價指標體系的完善，可以使得評價結果更為科學。

本文提出的方法具有較大的應用價值，可依據電力通信網節點和鏈路的重要度，對其重要性進行排序，從而識別出關鍵節點和關鍵鏈路。對這些關鍵節點或鏈路重點監測，對于預防較大事故的發生有重要意義，同時，還可以對關鍵節點和鏈路采取保護策略，以提高電力通信網的魯棒性。此外，在電力通信網關鍵環節識別的基礎上，可以進一步對電力通信網脆弱性進行研究，這也是本文下一步研究的方向。

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崔力民 (1973)，男，高級工程師，長期從事電力通信運行管理工作；

耿子惠 (1995)，女，碩士研究生，研究方向為信號與信息處理；

舒勤 (1958)，男，教授，研究生導師，本文通信作者，研究方向為智能電網與現代信號處理；

王鑫 (1988)，男，工程師，現從事電力信息通信系統運行維護工作。

(編輯 張小飛)

Key Link Identification in Electric Power Communication Network Considering Grid Correlation Degree

CUI Limin1,2, GENG Zihui3, SHU Qin3, WANG Xin2

(1. College of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. State Grid Xinjiang Information & Telcommunication Company, Urumqi 830018, China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

As the grid support network, the reliable operation of electric power communication network has important significance for the safe and reliable operation of the power. In order to identify the key links of electric power communication network, this paper proposes an identification method for the key links of the power communication network considering grid correlation degree. Firstly, we construct the power-communications composite system. Secondly, we establish the electric power system layer nodes and link evaluation system respectively, as well as the communication system layer nodes and link evaluation system. Then, we adopt the TOPSIS algorithm to obtain the node importance and link importance of electric power system layer, and that of communication system layer. Finally, through specific algebraic operation, we combine the grid correlation degree and the importance of the communication network to calculate the node and link importance of the power communication network considering the grid correlation degree, and then identify the key links of the power communication network based on the importance value. The simulation results of an actual electric power communication network in a province shows that this method can identify the key link effectively and is feasible.

electric power communication network; multi-attribute decision making; weighting method; node importance; link importance

國網新疆電力公司科技項目(SGXJXT00TJS1600206)；四川省科技支撐計劃項目(2017GZ0349)

TM 734

A

1000-7229(2017)05-0124-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.017

2016-12-25