相依网络理论下电力通信网节点重要度评价

阴丽虹

摘要：随着我国的综合国力在快速的发展，社会在不断的进步，智能电网中电力系统与通信系统的紧密结合，使得电力通信网络在双网相依系统中愈加重要。通信网络中节点发生故障，尤其是高重要度节点，不仅会影响自身网络系统还会影响与其相依的网络，导致连锁故障的发生。因此，对智能电网中电力通信网络节点重要性进行评价具有重要意义。将电力物理-信息相依网络中单侧网络提取出来，以链路已用率和电力线阻抗值作为边权参数建立有权网络模型。根据有权网络节点重要度评价方法，分别对两子网进行分析。然后根据电力网依存于信息通信网的依存边矩阵，计算相依网络中电力通信网络节点的重要度指标，找出重要度大的节点。以IEEE30节点系统为例进行了仿真实验，证明了该方法指标的可行性和实用性。

关键词：相依网络；有权网络；节点收缩法；凝聚度；节点重要度

引言

随着电力通信网的快速发展，网络拓扑的复杂度增加，运营和维护网络的难度越来越大。而网络拓扑中的重要节点对维护整张网络的正常运行又至关重要，一旦网络中的某些重要节点甚至某一节点故障，整张网络极易被破坏而不能正常运行。因此，研究电力通信网络节点的重要度以筛选出关键节点就成了一个必要的研究内容。

1权网络节点重要度评估

1.1有权网络

无权网络在表示复杂网络时，由于其无标度特性，仅能描述网络节点间是否存在连接，并不能表示连接的强弱程度，因此，出现了可以将复杂网络的结构表示的更加完整的有权网络模型。研究目的不同，权的选择不同，比如本文在电网中选择电力线阻抗值，通信网中选择链路中带宽的已用程度即链路已用率作为边权值。在无权网络模型的基础上，通常可以用图G(V,E)以及边权邻接矩阵W表示

2CPPS网络中电力通信网节点重要度评价

2.1电力信息-物理相依网络

智能电网中电力网络与通信网络的相互融合形成电力信息-物理相依网络。根据其网间连接的不同，CPPS网络模型可以分为：“一一对应”相依网络模型、部分相互依存网络模型、多重依存相依网络模型、一对多相依网络模型、多对多相依网络模型和考虑节点异质性的电力信息-物理相依网络模型等。上述大多模型都是基于理论和假设提出的，未得到实际的验证，所以并不符合现实中的中国电力系统。通过对国内某省电网的分析以及资料中所指明的中国CPPS模型，在中国实际电力系统中，为了对各电力站点进行有效监测与控制，各电力站点都部署有数据采集与监视控制系统等信息节点。信息通信网络中还存在中继节点以及各级调度中心，但由于它们的重要作用，会配备有完备的备用发电机组，可使其成为自治节点。即每个电力节点有且只有一个信息节点与之对应，而通信网中却存在独立节点，但其他通信节点也与电力节点一一对应。所以，考虑到中国实际的电力系统情况，我国的CPPS网络可以表示为“部分一一对应”关系。

2.2实验仿真与讨论

本文算法和方法都提供了依据节点个数和链路数量计算网络拓扑中节点重要度的方法，但所使用的方法不尽相同。由本文算法计算结果看出节点5、6的重要度为0.2183，节点4、10的重要度为0.2182，节点1、7的重要度为0.2181，节点2、3、8、9、11的重要度相同，都为0.2177。从网络的拓扑结构分析，节点重要度大小依次为5、6>4，10>1，7>2、3、8、9、11。节点5、6对整个网络的可用性影响最大，若节点5、6失效则会造成网络拓扑图的失效。主要根据节点的接近度来计算节点的重要度，根据每个节点邻域中的连通性来计算邻域中的两两节点邻域的交点。算法计算结果看出节点7的重要度为0.046，节点4重要度为0.040，节点6重要度为0.035，节点5重要度为0.025，节点10重要度为0.023，节点1重要度为0.020，节点2、3、8、9、11的重要度都为0。从网络的拓扑结构分析，节点重要度大小依次为7>4>6>5>10>1>2、3、8、9、11。节点7对整个网络的可用性影响最大。根据网络拓扑图可以观察到节点5、6所在的局部区域比节点4、7所在的区域更密集，其在网络中的重要程度明显大于节点4、7，在整个网络中所占的权重较大；在计算结果上，相比文献[9]中所提到的算法，节点7的重要度最大，并没有考虑邻近节点对网络的要求，明显与实际网络拓扑图存在偏差，且根据数值分析，节点重要度为0的数值显得不直观，没有对比性，而本文算法得到的结果与网络图实际情况更相符。

2.3相依电力信息系统中电力通信网节点重要度

相依系统中节点的重要性不仅依据于单侧网络还与其耦合网络有关。因此在研究电力通信网节点重要度时，可以先从信息-物理相依耦合系统中分别提取出单侧网络，利用有权网络节点重要度评价方法对单侧网络节点进行评价，最终再根据网络的耦合关系可以得到相依系统中电力通信网络节点的重要度。电力节点跟通信节点间存在联系，可以用双网关联矩阵加以表示。

结语

电力网与通信网互相融合成为相依系统，电力通信网作为电力网的支撑网络而存在，起到调控和传输数据的作用。若通信网发生故障，故障可通过相依边进行网间传播，造成更严重的网间连锁故障，因此，对智能电网中电力通信网络节点重要性进行评估具有重要的现实意义。将CPPS作为有权网络分析，电力单侧网以电力线电抗值作为边权值，通信单侧网以链路带宽已用率作为边权值，再根据双网间的相依关系矩阵，根据文中评价模型可以得到相依网络中电力通信网络的节点重要度指标。对重要度高的节点加强保护，可以减少和避免故障的发生，提高系统的可靠性，保证智能电网的正常可靠运行。

参考文献

[1]陈波,王永庆.电网安全控制与保护技术现状分析及发展趋势研究[J].智慧电力,2017,45(11):67-71.

[2]杨国泰,王宇飞,罗剑波,等.电力CPS信息网络脆弱性及其评估方法[J].中国电力,2018,51(1):83-89.