電力通信相依網絡脆弱性與保護策略研究

魯東興,李 琰, 徐天奇

(云南民族大學 電氣信息工程學院，云南 昆明 650500)

電網在朝著智能化的方向不斷發展，從傳統的電網模式向電力網與通信網深度耦合的一體化結構過渡，但于此同時，相互耦合的關系也不斷加大了一體化結構的脆弱性.例如，2003年的意大利停電事故就是由于電網中的一個站點的無效，再加之信息獲取能力不足，導致很多電力節點與信息節點的失效，最終調度無法對整個電力系統進行很好的調控，從而引發了更大規模的電網故障[1].因此研究智能電網中的通信網與電網相互依存關系，分析整體的脆弱性具有重要意義.

在電力通信相依網絡模型研究中，按照通信節點控制電力節點，電力節點為通信節點提供電力支持的原則，根據電網與通信網相互依存關系的不同理解，可以劃分為“全部一一對應”模型[2]、“部分相依”模型[3]、多重相依網絡模型[4]、“一對多”模型[5]、“部分一對一”模型[6].

智能電網通過通信，傳感與測量等技術將電力設施聯合起來，以此實現電網的安全、可靠、經濟、高效以及安全的目標.信息網雖能提供豐富的控制信息，但也將電網的脆弱性顯露[2,7-9].針對電力信息相依網絡脆弱性問題，文獻[10-11]從華中地區實際電網及其通信網耦合網絡模型出發，研究了不同通信網模型以及不同耦合方式下系統的脆弱性.文獻[12-13]基于改進滲流理論和連鎖故障模型，研究了不同通信網模型以及不同耦合方式下系統的脆弱性.文獻[14]與文獻[15]分別考慮通信網業務影響、電力系統基礎設施影響，構建電力信息物理融合系統脆弱性評估體系.以上文獻從理論分析模型較多，缺少偏向于構建符合實際的相依網絡模型，來研究電力通信相依網絡脆弱性.

1 電力通信相依網絡模型

電力通信相依網絡是由電力網與信息系統深度耦合形成的復雜網絡，結合電力網、通信網各自特點，建立符合實際的電力通信相依網絡，是對其進行脆弱性分析的前提.

1.1 電力網模型

通過將電力網拓撲建模為一個無權無向圖G=(Vp,Ep), 其中Vp={1,2,…,N}表示網絡的節點集，可分為發電節點，傳輸節點以及符合節點3類.Ep={eij}為網絡的邊集，表示電力輸電線路.

1.2 電力通信網模型

在我國電力通信網是電力網絡通信的專用網絡，主要的通信方式采用光纖通信.通信網絡的架設一般按照電網的地理位置來確定，因此與電網具有很高的相似性.電力通信網按數據調度結構一般分為：核心層，骨干層與接入層[16].

在本文研究中，接入層節點主要負責電力信息的采集與傳送，傳達調度命令.骨干層一般由通信網主要站點組成，負責匯集來自接入層的信息，并傳送至核心層，并可以進行區域調度.核心層由主調與備用調度中心組成，負責整個電網的安全運行規劃以及經濟調度.類似于電網建模,將通信網拓撲為由點集Vc和邊集Ec構成的圖Gc=(Vc,Ec).其中Vc包括核心層節點，骨干層節點與接入層節點.Ec表示通信鏈路.

1.3 電力通信相依網絡模型

電力通信相依網絡模型中電力網與通信網節點相互依存，即電力控制依賴通信系統傳遞控制和監測信息，通信設備需要電網供電.在本文研究的相依網絡模型中，由于核心層節點是實現系統能量管理的關鍵部分，重要性很高，一般不與電網直接相連，都配備有專用供電電源，因此本文的相依網絡模型為“部分一一對應”模型.模型的搭建可以按照以下幾個部驟來進行：

a)建立待分析的電力系統網絡拓撲圖;

b)按照系統電力負荷參數對整個系統進行分區[17];

c)確定通信網中節點個數.通信網中接入層的節點數等于電網節點數，且接入層內部的連接方式與電網拓撲相同.骨干層的節點數等于b步驟中電網的分區個數，從而進行區域調度.核心層中的節點個數等于中心調度的個數，本文中心節點調度由主調與備用調度2個;

d)電力節點與通信網中的接入層節點對應相連，即電力節點數Np等于通信網接入層節點數，表示為Nca;

e)骨干層節點與電力網各區的發電機節點相連且還與分區結果中的節點度最高的電力節點對應的接入層節點相連，骨干層節點間相互連接;

f)核心層節點分別與骨干層網絡節點相連，且兩個核心層節點間互聯.

通過以上步驟我們得到電力通信相依網絡模型，可以表示為一個由點集合Ncp和邊集合Ecp構成的相依圖Gcp(Ncp,Ecp)，以及表示各部分連接的鄰接矩陣D如式1所示.

(1)

D分別表示各部分連接，p表示電力層，c表示通信層.a、b、c依次表示通信網接入層，骨干層，核心層.例如Dap表示接入層與電力網的連接矩陣.

2 電力信息相依網絡脆弱性分析

脆弱性表征了一個網絡被分裂的可能性，識別網絡中的脆弱節點，并對這些節點加以保護是復雜網絡學習的一個重要方面.電力通信相依網絡，在被攻擊后，依照級聯失效原理與最大連通子集指標，來研究電力通信相依網絡的脆弱性.

2.1 基本概念

1) 節點度 電力網或通信網中某個節點的度即為與該節點相連的邊的數目.

2) 節點介數 電力網或通信網中經過某個節點的最短路徑的數目占網絡中所有最短路徑數的比例.介數可以用來衡量某個節點在網絡中的重要程度，節點介數越大，越重要.

3) 電氣介數計算 識別電力網中的關鍵節點[18].

2.2 級聯失效模型

如圖1所示，左側為電力網，右側網絡為信息網(通信網)，電力網與通信網相互依存，電力網中的節點唯一對應通信網中的節點，反之亦然.當電力網中的節點5受到攻擊時，節點5消失，與節點5相連的連邊消失(包括相依邊)，如圖(b)圖所示.此時電力網分裂為3個部分，由于節點4和6不在電力網最大聯通子圖中，因此節點4和6消失，如圖(c)所示.節點4和6消失導致與之對應的相依節點及其連邊消失，如圖(d)所示.此時信息網(通信網)分裂為3個部分3′不在信息網最大連通子圖中，因此節點3′消失，如圖(e)所示，與之相依的節點消失，剩余部分為相依網絡在遭受攻擊后的最大連通子圖,如圖(f)所示.最終，相依網絡達到穩定[2].

圖1 電力通信相依網絡級聯失效模型

2.3 脆弱性評估

2.3.1 攻擊模式

文中在研究電力通信相依網絡脆弱性中考慮了以下幾種攻擊模式：

1) 關鍵節點攻擊方式(critical nodes attack strategy, CNAS)：基于電氣介數識別網絡中的關鍵節點，并對其進行攻擊.

2) 攻擊高度數節點方式(degree attack strategy, DAS)：得出網絡中各節點度數并進行降序排列，然后按順序移除一定比例高度數節點.

3) 攻擊高介數節點方式(betweenness attack strategy, BAS)：調用指令得出網絡中各個節點的介數并進行降序排列，然后按序移除一部分高介數節點.

2.3.2 電力通信脆弱性分析

本節基于相依網絡級聯失效模型，從網絡最大連通子集的角度出發，對電力通信相依網絡進行脆弱性評估.

假設電力信息相依網絡遭受攻擊，節點失效后達到穩定狀態的最大連通子集所占比例為P，NP與NC分別表示電力網和信息網中的節點數目：

(2)

電力通信相依網絡脆弱性評估算法如圖2所示.

圖2 電力通信相依網絡脆弱性評估算法

3 算例分析

本節基于IEEE39節點，搭建電力通信相依網絡，進行脆弱性分析.

3.1 構建電力通信相依網絡

1) 基于Networkx建立IEEE39節點電力系統拓撲模型，如圖3所示.

圖3 IEEE39節點系統拓撲建模

2) 按照文獻[17]的方法，將系統分為A、B和C 3個區.

3) 確定通信網中的節點個數.通信網中接入層節點數等于電網節點個數，且內部連接方式與電網相同，因此通信網接入層共有39個節點且內部連接方式與電力網相同，用編號40至78表示通信網接入層節點.骨干層節點數等于電網分區個數，因此骨干層節點個數為3，分別用編號80(A區)，81(B區)，82(C區)表示.核心層節點個數為2，分別用83，84表示主調度與備用調度.

4) 通信網接入層節點與電力網一一對應相依，即節點40對應節點1相依，節點41對應節點2相依…，節點39對應節點78相依.

5) 骨干層節點分別與區域中節點度最高的電力網節點相依的接入層節點連接(若同區中同時存在多個節點度最高的節點，則優先選擇發電機節點)，即節點80與節點55連接，節點81與節點62連接，節點82與節點43連接.

6) 骨干層節點與分區內發電節點相連.即匯骨干節點80分別與電力節點30,39,37,38相連，節點81分別與電力節點34，33，35，36相連，節點82，分別與電力節點31，32相連.

7) 核心層節點與骨干層節點相互連接，且核心層節點互連.

通過上述方式得到如圖4所示的電力通信相依網絡模型：網絡上層1～39節點為電力網，網絡下層40～84為通信網節點.

圖4 基于IEEE39節點系統的相依網絡模型

3.2 電網、通信網關鍵節點識別

在本文研究中，假設攻擊者已經知道了整個相依網絡的重要節點，在這種情況下的脆弱性研究往往更能反映網絡的脆弱性.

首先基于節點電氣介數識別電網中的關鍵節點，然后分別識別電力網與通信網中的高度數與高介數節點.結果分別見表1～3.

表1 IEEE39節點系統關鍵節點[18]

表2 電力網與通信網部分高度數節點

3.3 脆弱性分析

分別攻擊電力網關鍵節點(P-CNAS)與通信網關鍵節點(C-CNAS)、電力網高度數節點(P-DAS)與通信網高度數節點(C-DAS)以及電力網高介數節點(P-BAS)與通信網高介數節點(C-BAS).

電力通信相依網絡被攻擊后的脆弱性如圖5所示.最大連通子集P的變化大小代表了網絡在被攻擊之后的脆弱性，通過對比可以發現，不同類型的攻擊方式對電力通信相依網絡的高度數相依網絡脆弱性影響不同.當面臨通信網高度數節點失效時，整個網絡最終級聯失效面積最大.此外，攻擊通信網絡的高介數節點，對相依網絡的脆弱性影響也十分顯著.攻擊電網的關鍵節點對整個相依網絡脆弱性影響最小，這是因為電網關鍵節點并不意味這高介數與高度數，關鍵節點被破壞，相較于高度數與高介數失效，對電力通信相依網絡連通性的影響要小.

圖5 電力信息相依網絡脆弱性分析

以上曲線變化都表現出在攻擊剛開始時，相依網絡聯通性較大，P下降比較緩慢，隨著攻擊繼續，網絡最大連通子集下降趨勢變快，這是因為當網絡被攻擊節點增多，而低度數節點的連邊較少，當高度數節點被攻擊失效后，與之相連的低度數節點面臨失效的風險較高，若該低度數節點度為1，則該節點直接與網絡最大連通子集失去連通.因此在耦合的電力通信網絡中，關注低度數節點的連通性對降低相依網絡脆弱性具有重要意義.

圖5還對比了當攻擊發生在電力網與通信網中時，整個相依網絡的脆弱性變化.可以看出，在電力網側，當高介數節點失效對整個相依網絡影響最為嚴重，其次為高度數節點和關鍵節點失效.這表明，電力網中高介數節點在整個網絡的連通性能方面占有重要地位，電網側應加強此類高介數節點的保護.在通信網側，高度數節點失效相較于對關鍵節點與高介數節點對相依網絡最大連通子集的影響最大，表明通信網作為通信信息的收集、傳輸與下發的過程，高度數節點失效，影響整個通信網的信息傳輸，通信網側應加強高度數節點保護.

4 低度數節點加邊保護研究

研究相依網絡脆弱性來識別脆弱因素并提出相應的改善措施[19-20]是進行脆弱性分析的主要目的.從3.2節表3可以看出在電力網與通信網中存在大部分低度數節點，這部分節點在面臨級聯失效時連通能力較差，容易與最大連通子集失去連接，因此考慮通過對該部分節點進行加邊保護，提高連通能力，降低相依網絡脆弱性.方法如下分別對電網與通信網中的節點度進行升序排列，在節點度較低的兩個節點間添加連邊，不能出現自環或者重邊.定義w為加邊比例：w=E′/(Ep+Ec)×100%，

表3 電力網與通信網部分高介數節點

(3)

式中：Ep與Ec分別表示電力網與通信網原來的邊數，E′表示加邊的數量.在給定加邊數量的情況下，考慮以下幾種加邊策略：

1) 連邊全分配電網側(power side protection, PSP).

2) 連邊全分配通信網側(communication side protection, CSP).

3) 雙側網絡加邊保護：連邊平均分配在相依網絡兩側(interdependent sides protection, ISP).

圖6、7、8反應了在式3中，在加邊比例w=10%的情況下，電網側遭受攻擊，原始相依網絡與3種方式加邊保護后的相依網絡的脆弱性.結果表明，在電網側3種攻擊方式中，P-BAS與P-DAS攻擊下電網側加邊的效果都優于其他兩種加邊方式，這是由于電網側節點的數量少于通信網側，增加電網側低度數節點的連邊，可以降低電力網側失效時的脆弱性，從而提高電力通信相依網絡的脆弱性.而在 P-CNAS下，電網側加邊方式低于其他兩種加邊策略，這是由于電網關鍵節點包含低度數、低介數節點，電網側加邊方式與其他兩種情況相比較，在該攻擊方式下，低度數節點所加的保護邊被破壞.因此，在P-CNAS下的加邊策略中，PSP的效果比CSP和ISP的效果偏低.

圖6 P-BAS下加邊策略對比

圖7 P-CNAS下加邊策略對比

圖8 P-DAS下加邊策略對比

5 結語

隨著智能電網的不斷發展，研究電力與通信相互依存網絡并分析其脆弱性具有重要的現實意義，特別是要關注不同類型攻擊對相依網絡的破壞作用，研究相應的保護策略，降低相依網絡脆弱性.本文主要是通過建立一個符合實際的部分一一對應的電力通信相依網絡模型，假設攻擊者掌握網絡結構特性，建立脆弱性分析指標，研究了該網絡的脆弱性以及低度數加邊保護策略的效用性.