基于復雜網絡理論的電力通信網脆弱性分析研究

孫 睿

（中通服網盈科技有限公司淮安分公司，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

隨著電網向智能化和自動化方向發展，電力通信網絡的重要性愈加凸顯，然而由于其復雜的網絡結構和廣泛的應用背景，電力通信網面臨著多種潛在的脆弱性問題。這些問題可能源于網絡自身的設計缺陷，也可能由外部攻擊或系統故障引發，因此深入分析電力通信網的網絡結構和脆弱性對于保障電力系統的穩定運行至關重要。文章研究聚焦于電力通信網的結構特性及其脆弱性問題，采用復雜網絡理論作為分析工具，旨在探索電力通信網在面臨各種潛在威脅時的表現[1]。

1 基于復雜網絡理論的電力通信網脆弱性評估方法

復雜網絡理論在實際應用中，可通過統計物理、圖論、動力學模型等方式，分析網絡變化、社群結構、信號傳播等，有助于提高網絡評估及分析的有效性。電力通信網絡本身的通信穩定性會受到不同因素的影響，因此在研究電力通信網脆弱性的過程中，可分析外界惡意攻擊行為、入侵行為所產生的影響。電力通信網的脆弱性評估可以從通信連通性和網絡效率等角度進行量化分析，故障節點的百分比計算為

式中：Nf、N分別為故障節點數和網絡節點數。電力通信網被攻擊時，可從隨機節點攻擊、高度數節點攻擊兩個角度進行定量分析。通過分析電力通信網的連通性，從而獲得站點之間的通信能力。如果存在通信不暢的情況，則可從電力通信脆弱性的角度，分析電力通信網是否遭受到惡意攻擊。電力通信網最大連接的狀態下，節點的占比計算為

式中：N'、N分別為電力通信網聯通中攻擊前的有效節點數、攻擊后的有效節點數。在忽略電力通信網故障的前提下，需要評估與分析通信關系，并綜合分析通信傳輸過程，從而保證業務處理水平。

電力通信網的脆弱性評估與分析中，為制訂有效的評估機制，需要利用皮爾森相關系數對電力通信網中的節點數量和通信介質等進行評估與檢驗，具體的計算公式為

式中：ki為節點i的度數；Bi為節點i的介數；〈k〉為電力網絡的平均度數；〈B〉為網絡的平均介數。在對度數、介數的相關性進行檢驗與分析中，需要從數據存儲和通信傳輸穩定性的角度，評估與分析電力通信狀態。電力通信網絡的脆弱性評估、檢驗與分析，需要根據電力通信的傳輸需求，檢驗電力通信網絡的狀態。

2 基于復雜網絡理論的電力通信網脆弱性分析過程

2.1 隨機攻擊和蓄意攻擊下的網絡脆弱性分析

對電力通信網絡的攻擊主要有隨機攻擊和蓄意攻擊，其中隨機攻擊是指起初沒有特定的攻擊對象，具體攻擊哪個節點攻擊與范圍采取隨機模式，蓄意攻擊是指針對特定節點的攻擊[2]。通過C#語言與MATLAB 語言混合編程的模式，在進行檢驗與分析中可以發現，隨著刪除節點的數量越多，最大聯通剩余節點的占比也會下降，由此可以推斷出網絡在隨機攻擊和蓄意攻擊下，剩余網絡的全局效率與移除節點比例之間的依賴關系。隨機攻擊和蓄意攻擊模式下最大聯通剩余節點比例與刪除節點的關系如圖1 所示。

圖1 最大聯通剩余節點比例與刪除節點的關系

由圖1 可知，隨著刪除節點數量的增加，有效通信連接的有效性會逐漸降低，雖然兩種攻擊方式存在一定的差異性，但是對電力通信網絡的通信傳輸穩定性均會產生一定的影響。蓄意攻擊所產生的影響會在節點刪除一定數量后趨近于無通信的情況，而隨意攻擊對通信所產生的影響呈現逐步下降趨勢，這說明電力通信網絡面對不同攻擊，其脆弱性都會影響通信狀態。

2.2 基于復雜網絡理論的電力通信網脆弱性評估

2.2.1 結構性評估

通過設計程序和運行程序可知，當前電力通信網絡結構不具合理性，主要的結構形式為星型或樹形，導致電力通信網絡結構的資源共享能力不足，其可靠性也遭遇嚴峻考驗。結構上的不足導致傳輸質量有待提高。在電力通信中，通信網絡的拓撲結構不完善會直接影響通信的整體結構穩定性。許多結構沒有采取及時優化措施，進一步致使電力通信不能滿足傳輸時提出的要求。

2.2.2 脆弱節點評估

通過枚舉所有可能的節點攻擊評估出復雜網絡理論下電力通信的脆弱節點。具體地，從蓄意性攻擊、隨意性攻擊的角度進行評價與分析，隨著刪除的節點數量越多，電力通信網絡的穩定性會降低，被攻擊的可能性會相對增加，具體結果如圖2 所示。

圖2 不同攻擊模式下脆弱節點的評估結果

2.2.3 物理脆弱性評估

物理脆弱性評估主要包括兩方面內容。一方面，電力通信網絡沒有實現對設備及接口統一使用，進而造成分區調整成本過高的情況。另一方面，處于網絡中的陳舊設備無法以新標準進行工作，從而引發網絡管理混亂，進一步為管理工作增添了許多問題[3]。

3 電力通信網的保護策略

3.1 高度數節點保護策略

在電力通信網中，高度數節點的保護至關重要。以某大型城市電網為例，其中的一個關鍵調度中心連接著超過60%的節點，是整個電力通信網的重要樞紐。為此該電網采取了多項措施以增強這一關鍵節點的穩定性和安全性，具體如下。一是增加該節點的冗余連接，通過建立至少兩條獨立的備用通信路徑，有效降低由于單點故障造成的風險。二是加強調度中心的硬件和軟件系統，部署高級的防火墻和入侵檢測系統、雙路由器和多源電源供應系統，確保在遭受攻擊或面臨故障時的連續運行。三是實施實時網絡性能監控和流量模式分析系統，確保能夠及時發現潛在的故障或攻擊跡象，并快速響應。

3.2 低度數節點加邊策略

在電力通信網中，低度數節點由于其較少的連接，可能成為網絡中的薄弱環節，這些節點的故障雖然不會像高度數節點那樣造成廣泛的影響，但其失效可能導致網絡中的某些部分與主網絡隔離，影響網絡的整體運行效率，因此增強低度數節點的連通性是提高網絡健壯性的一個重要方面，具體的做法包括增加低度數節點之間的直接連接或將它們與高度數節點連接。這種策略可以通過網絡優化算法實現，如使用貪婪算法在不增加過多成本的前提下，逐步增加網絡中的邊。增加的邊應優先考慮那些可以最大化網絡連通性的節點。例如，可以計算網絡的平均路徑長度或網絡效率以評估每次加邊操作的效果[4]。

3.3 網絡重構策略

以某地區電力網的網絡重構項目為例，該項目重點是提高關鍵但脆弱節點的健壯性，這些節點連接著大量用戶和關鍵設施，但由于其位置和連接的特性，它們在面對故障時顯得格外脆弱。具體來說，該電力網的一個主要調度中心因其高度數和高介數成為重構的焦點，原本這個調度中心僅依賴于單一的通信路徑與其他網絡節點連接，而在重構策略中增加了從該調度中心出發的備用通信路徑，同時增加的通信線路通過優化布局減少了通信的延遲，提高了數據傳輸的速率。此外，將網絡劃分為幾個較小的模塊，每個模塊內部具有密集的連接，而模塊之間的連接相對較少，這種結構調整使得即便某個模塊發生故障，也不會直接影響整個網絡的運行。這一策略的實施顯著增強了網絡的抗故障能力。

4 保護策略的效果評估

4.1 網絡健壯性的提高率分析

網絡健壯性指網絡在面對故障或攻擊時維持功能的能力。具體來說，網絡健壯性的提高率可以通過比較采取保護措施前后網絡的連通性損失率來計算，連通性損失率定義為在網絡受到一定比例節點或邊的隨機或有選擇的移除后，網絡中不再連通的節點對占總節點對的比例。例如，如果在未采取保護措施時，移除10%的節點導致30%的節點對不再連通，而采取措施后同樣的節點移除只導致20%的節點對不再連通，則健壯性提高率約為33.3%。在進行健壯性分析時，應考慮不同類型的故障模式，包括隨機故障和針對網絡關鍵節點或邊的有針對性攻擊[5]。

4.2 網絡效率的提高率分析

分析電力通信網的網絡效率提高率關注的是網絡在優化措施實施后信息傳輸效率的改善程度。網絡效率是衡量網絡傳輸能力的一個重要指標，通常定義為網絡中所有節點對之間最短路徑倒數之和的平均值。在電力通信網絡中，網絡效率指網絡在傳輸和處理信息時的性能表現，直接反映網絡的整體性能與服務質量。提高網絡效率主要是在網絡遭受攻擊或故障時，可更快速、穩定地恢復服務，減少數據傳輸的延遲和丟失，從而保障電力系統的穩定運行。在進行網絡效率的提高率分析時，還需考慮網絡拓撲結構、節點及鏈路的性能、流量分布等因素。制訂更加精準的優化策略，可以提高電力通信網效率與穩定性，為電力系統的安全運行提供保障，為電力行業實現可持續發展奠定堅實的基礎。

5 結 論

本研究針對電力通信網的脆弱性問題，深入分析了網絡的小世界特性、無標度特性以及節點的度分布，揭示了網絡結構的關鍵特點及其對網絡穩定性的影響。通過提出高度數節點保護策略和低度數節點加邊策略，為增強電力通信網的健壯性提供了有效的方法。同時，網絡重構策略和安全監控系統的實施進一步提高了網絡的抗故障能力與信息傳輸效率，這些策略的綜合應用有助于提升電力通信網的整體性能，確保電網的穩定運行和安全。