基于復雜網絡理論的電力通信網拓撲脆弱性分析及對策

扎培

摘要：以復雜網絡理論為基礎，對電力通信網進行拓撲建模、基本參數計算和網絡特性分析，對于確保電力系統安全運行和加強電網健壯性有重要影響。針對電力通信網的業務特點，依據度數、介數指標找出網絡脆弱點，修改傳統效能函數，并以此函數作為衡量網絡脆弱性的指標，確定網絡脆弱點。最后，以某2個實際電力通信網為例進行了網絡特性分析，針對不同故障模式對其進行攻擊脆弱性仿真。根據仿真結果，分析了異構網絡的本質脆弱性，總結了影響電力通信網脆弱性的因素。

關鍵詞：電力通信網;復雜網絡;脆弱性

電力系統實時監測的發展趨勢與精細化控制的業務需求使得一次電網更加依賴于電力通信網的可靠運行。近年來發生多次大停電事故，如2003年北美大停電意大利大停電、2004年羅馬大停電，其間通信系統的故障都起了推波助瀾的作用。研究電力通信網的脆弱性并提出針對性的保護措施具有重要的理論價值與現實意義。

針對電力通信網的保護，目前主要有以下2種思路。

（1）第一種思路以現有的電力通信業務為研究重點通過更新硬件設備優化軟件系統建立合理的安全評估指標等策略提高其可靠性。針對電力通信網中業務分布不均衡的問題，提出了面向業務的風險均衡路由分配機制以降低通道段和網絡整體風險。基于業務平均風險度和業務風險均衡度，提出了一種基于電力通信網可靠性的業務路由分配優化算法。文獻[12]針對電力通信網安全評估指標中專家打分的不確定性問題提出了一種基于電力業務重要度的電力通信網業務層脆弱性分析方法。

（2）第二種思路基于網絡理論，通過優化電力通信網的拓撲改善其結構脆弱性。提出了基于節點重要度的平衡度網絡拓撲優化算法。對調度數據網的拓撲特性進行了研究并指出現有的調度數據網大致可分為雙星形和網狀2種典型結構，雙星形網是典型的無標度網絡，而網狀網是典型的小世界網絡。基于復雜網絡理論，從網絡效率的角度評估了電力通信網的脆弱性。拓撲是電力通信網最直觀本質的屬性 通信業務的有效傳輸建立在可靠的物理網絡基礎上。除此之外由于電力通信業務種類繁多運行方式復雜拓撲脆弱節點更容易成為攻擊對象。基于復雜網絡理論可以有效地識別電力通信網固有的結構脆弱性并提出針對性的保護策略。雖然已有學者提出了通過增加多條地理上相互獨立的線路以改善網絡脆弱性的思路，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際電力通信網中得到檢驗。電力系統長期重一次側輕二次側對一次電網的拓撲結構已進行了較為充分的研究，而對實際電力通信網尤其是區域級電力通信網的拓撲結構尚不清楚。因此，有必要對電力通信網的拓撲結構進行深入分析并對現有加邊策略的有效性進行對比研究。

1 脆弱性的衡量指標

目前，對于脆弱性還沒有統一的定義。本文采用文獻[3]提出的網絡的脆弱性，即網絡中某些節點或邊遭受攻擊后網絡性能的下降。目前，復雜網絡理論中衡量網絡特性的基本參數特征量包括最短路徑、聚類系數、度數、度分布、介數等，這些參數從不同方面表現了網絡的特性。

1）平均距離 L。在一個網絡中，任意 2 個節點間的距離被定義為連接 這 2 個節點的最短路徑 d。對所有節點對的距離求平均值，就得到該網絡的平均距離。平均距離反映了網絡中節點之間信息傳播的平均長度。

2）聚類系數 C。網絡的聚類系數 C 是用來衡量網絡節點集聚程度的重要參數。聚類系數的大小表示網絡內小集團化的程度。

3）節點介數分布 Pcum（S）。在網絡中，節點的介數是指所有最短路徑中必須經過此節點的次數。用 P（S′）表示介數為 S′的節點個數占節點總數的百分比。

一般用這些參數來表現網絡結構特性，但是仍不能比較全面地描述網絡性能。目前，普遍使用的衡量網絡特性的指標是效能函數。

2通信網功能與電網不同，分析的角度也有所不同

本文從業務傳輸帶寬和業務的連通性 2 方面來考慮通信網業務影響。原來的效能函數可以表示出業務的傳輸帶寬，但沒有涉及連通性，因此有必要對效能函數進行改進。計算流程如下。

1）計算最短路徑的方法不變。計算系統的總效能 E。

2）由業務矩陣 Sij 計算出網絡的總業務量 S，計算最短路徑矩陣 Aij，其中，aij表示節點 i 和 j 之間的最短路徑。

3）每次仿真去除 1 個點，統計失去連接的業務數量。

3 脆弱性分析

本文將電力通信網的脆弱性定義為電力通信網在遭受攻擊或故障下能夠繼續提供服務的能力，并從連通性和網絡效率 2 個角度進行評估。文中設定了以下幾種攻擊模式：

1）隨機節點攻擊模式（random attack，RA）。隨機選擇并移除一定比例的節點。

2）高度數節點攻擊模式（high degree attack，HDA）。計算網絡各節點的度數并進行排序，選擇并移除一定比例的高度數節點。

3）高介數節點攻擊模式（high betweennessattack，HBA）。計算網絡各節點的介數并進行排序，選擇并移除一定比例的高介數節點。

3.1 脆弱性評估

連通性是保障站點間進行通信的最基本要求。連通脆弱性用以評估電力通信網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點所占比例 G 為指標。區域三為該網絡的最大連通子集。

連通脆弱性評估了通信網拓撲結構的脆弱性，沒有考慮故障對通信業務的影響。，電力通信網在故障下解體為 3 個區域，區域之間的通信雖然中斷，區域內部的節點仍可通過重新規劃路由保障部分業務的正常運行。

實時性是通信網最重要的指標之一，廠站間的通信延時取決于經過站點的數目與通信線路的長度。網絡效率 E 評估電力通信網在遭受攻擊或故障下各廠站之間進行通信的效率，網絡的相對效率 R評估了網絡效率的下降趨勢。

4 結束語

本文運用基于復雜網絡理論的脆弱性分析法對電力通信網的脆弱性進行了分析;提出了適合電力通信網的效能指標，同時考慮了網絡的可達性和傳輸率問題;以具體電力通信網為例，對其網絡結構特性和脆弱性進行了分析。

通過攻擊脆弱性的仿真，得出了系統潛在的脆弱點，分析了影響網絡脆弱性的因素。今后的研究將圍繞網絡節點承受能力的限制，使這種分析方法更加完善。

參考文獻：

[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. 復雜網絡可靠性研究[D]. 大連：大連理工大學. 2006.

[3]歐陽敏，費奇，余明輝. 復雜網絡的功效性與脆弱性研究綜述[J]. 計算機科學，2008，32（7）：1-4.

[4]丁明，韓平平. 加權拓撲模型下的小世界電網脆弱性評估[J]. 中國電機工程學報，2008，28（10）：20-25