电力通信网的关键节点辨识

郝洁

摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，在如今快速发展的智能电网中，电力通信网节点数量和网络结构变得越来越庞大且复杂。为了识别网络中的关键节点，本文结合电力通信网拥有其作为电网通信主干网架的独特行业背景，综合电力通信网的拓扑结构、通信业务、电网的影响等因素构建多指标评价体系。通过层次分析法求得各指标的主观权重，并用熵权法求得各指标的客观权重，最后结合两种权重得到指标综合权重，根据各指标的重要度及对应综合权重确定各个节点的重要度。仿真表明，相对于其他算法，该算法的评价指标更为综合，权重分配更为客观合理，能准确辨识网络中关键节点，为保障电力通信网的安全可靠运行提供参考依据。

关键词：节点辨识；重要度评估；电力业务；电力通信网；智能电网

引言

电力通信网是电网二次系统不可或缺的组成部分，是专门服务于电力系统稳定运行的通信专网，同时也为电力系统的调度、生产、经营和管理以及保障电力系统的安全运行起到了重要作用。近年来，随着智能电网建设的不断推进，电力通信网的网络结构日趋复杂，同时承载的业务数量以及种类也日益增多。相关研究表明，在无标度网络中5%的关键节点受到攻击失效后，就可以使整个网络系统崩溃进而瘫痪。因此，对电力通信网关键节点的辨识研究已成为一个重要课题。通过对电力通信网中的节点重要度进行排序，进而对网络中的关键节点进行保护，能够有效增强电力通信网抵抗攻击的能力，降低电网的运行风险，保障电力系统的安全稳定运行。在众多复杂网络中，对具体的电力通信网络关键节点辨识研究尚处于起步阶段，但对于复杂网络中关键节点的辨识已经取得了较大进展。目前主要从系统科学和社会网络两个角度分析网络节点的重要程度。其中系统科学分析方法的核心思想是节点的重要程度等价于该节点或者多个节点被删除后对网络的破坏性，例如，节点收缩法是通过分析网络中相关节点收缩前后网络凝聚度的变化对节点的重要性进行评估，在节点收缩法的基础上考虑了各节点之间相互作用的强弱程度，利用加权网络刻画节点间的作用细节来确定该节点重要程度。节点删除法通过删除网络中某个节点后，利用网络连通性等指标的变化来确定该节点重要程度。另一类社会网络分析方法的核心思想是重要性等价于显著性，利用节点的度、介数、特征向量等特征属性作为区分节点重要性的评价指标，这些评价指标从不同角度刻画了单个节点在网络中的重要程度。例如，介数法是通过计算网络节点间最短路径经过节点的数目，利用节点的介数来评价节点重要性，但这种方法算法复杂度较高，并不适用于识别电力通信网等复杂网络的关键节点方面。

1节点重要度评价指标体系

1.1节点的拓扑重要度

拓扑结构是网络的最直观属性，网络中的节点并不是各自孤立存在的，而是会受到其他节点的影响。节点的重要性不光与节点的度数有关，还与节点两跳领域内的节点对其的依赖程度有关。如图1（a）所示，虽然节点1的度数小于邻居节点2和3，但是从网络的连通性上来说，节点1对整个网络的连通起到了十分重要的作用，从节点间的信息传播路径来说，区域1与区域2之间的信息通信都要经过节点1，因此节点1具有很高的重要性。若图1（a）中的区域1和区域2中的节点存在公共交集，即节点1的邻居节点2、3之间除节点1之外有公共邻居节点，如图1（b）所示，则会使节点1的枢纽作用减弱，进而会增强网络的鲁棒性。文献[17]在研究复杂网络中基于节点领域拓扑重合度定义了节点相似度的概念，节点的拓扑位置越相似，即节点对网络脆弱性的影响就越小。

图1节点1的邻居节点

1.2电力通信网业务分布矩阵

电力通信网承载着多种电力业务，不同类型电力节点所承载的电力业务种类不尽相同，每对电力节点间传输的电力业务也不相同。如中调节点承载广域测量、调度自动化、变电站视频监测等业务，其与变电站之间链路相应传输此类业务信息，但中调节点不承载继电保护业务，其与变电站节点之间没有继电保护业务的交换。而500kV变电站节点之间需要交换继电保护业务信息，500kV变电站节点之间链路上也因而会传输继电保护业务的信息。根据节点所承载业务的不同，与电力通信网业务分布的情况，可以构建电力业务分布矩阵：

其中，u为业务类型；lij用于衡量电力通信网节点i与节点j之间是否有业务u的传输，若存在业务u的传输，则lij=1，否则lij=0。电力通信网业务分布矩阵可以体现业务在拓扑层面的分布情况，应用业务分布矩阵可将节点、链路的连接与业务传输情况相结合，便于进行节点重要度的评估。

1.3节点业务重要度

静态重要度对节点重要度的衡量是从节点在网络中的位置以及连接情况等方面进行的，然而在实际的电力通信网结构中，节点都承担着关系电网安全的各种业务，包括线路继电保护、调度自动化以及变电站视频监控系统等，节点所承担的业务类型不同，对于电力通信网的安全运行影响也不同。节点业务重要度是指某项业务发生中断或存在缺陷的情况对电网安全稳定运行的影响程度，业务重要度与影响程度成正相关，即影响程度越大，所对应的业务重要度越高。因此提出将节点的业务重要度作为电力通信网节点重要度的衡量指标。

2关键节点辨识方法

关键节点辨识方法的属性指标包含了节点的静态重要性以及业务重要性。在电力通信网中，某一节点与网络中的其他节点连接的紧密程度越高，即节点的凝聚度越高，说明这个节点属于关键节点；另一方面，节点所在链路承担的业务量种类越多以及业务的重要度值越高，说明该节点越重要。因此，将根据网络凝聚度得到的节点静态重要度、根据节点所承担的业务量种类以及数量所得到的节点业务重要度作为关键节点辨识的指标具有合理性。与传统的复杂网络不同，作为特殊的电力通信网，从主观上可以判断业务重要度的指标权重要大于静态重要度的指标权重。首先根据电力通信网的实际拓扑结构将其抽象为加权网络模型，再根据网络静态拓扑结构属性及各个节点收缩后凝聚度的变化得到节点的静态重要度，根据节点以及节点所在链路所承担业务的种类和数量确定节点的业务重要度，对于两个重要度评价指标的权重采用三标度层次分析法进行确定，最后根据节点的静态重要度和业务重要度及其对应的权重计算各节点的重要度。节点重要度的值越大说明该节点越重要，计算得到节点重要度的值按从大到小的顺序排序，即可完成电力通信网的关键节点的辨识。

结语

对电力通信网的关键节点进行辨识时，不仅要考虑网络固有的静态拓扑结构，还应该从节点所承担业务的数量和种类进行评判。本文提出的基于网络静态拓扑结构和节点业务量的电力通信网关键节点辨识方法，通过Matlab仿真实验以及数据分析，最终证明该方法能够完成对电力通信网的关键节点进行辨识，该方法能够准确区分网络拓扑中位置相似节点的重要度，克服一般算法只考虑网络拓扑特性这一单一评价指标的局限性。该算法融合了节点在网络中的拓扑信息以及所承担的业务信息，能够充分反映出电力通信网这种特殊复杂网络的业务特性，适用于电力通信网关键节点的辨识。

参考文献：

[1]蒋康明，曾瑛，邓博仁，等.基于业务的电力通信网风险评价方法[J].电力系统保护与控制，2013，41（24）：101-106.

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