摘要：电力通信网作为具体的复杂网络，具有明显的行业特征，上文提到的复杂网络的关键节点辨识方法不能够全面、有效地反映出电力通信网节点在网络中的重要性，具有一定的局限性。因此，在评价电力通信网的节点重要度时，需要考虑实际网络中各节点的具体位置以及承担的业务量情况。针对这一问题，本文考虑电力通信网的具体背景，结合各节点在实际网络拓扑中的位置以及业务量承担情况，利用节点的静态重要度以及业务重要度作为通信网关键节点评价指标，根据这两个评价指标利用层次分析法确定每个指标权重，完成对通信网的关键节点辨识，为加强电力通信网的风险管理和控制提供重要参考。鉴于此，本文是对电力通信网关键节点辨识方法进行研究，仅供参考。
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基金项目：国家自然科学基金（50677047）；湖北省自然科学基金（2015CFB563）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。
一、节点重要度衡量指标
电力通信网可以看成许多节点和链路的集合，根据电力通信网静态拓扑结构确定通信网对应的无向网络，确定网络中每个节点承担的负载业务信息，包括所执行业务的类型及数量。复杂网络可以用G（V，E）来表示，其中G表示一个无向连通图，V为复杂网络中所有节点的集合，E为所有边的集合。
1、节点静态重要度
将电力通信网抽象为无向连通图，那么可以根据网络拓扑中的节点收缩程度判断节点的凝聚度，而收缩后网络凝聚程度越高的节点越重要，因此可以用凝聚度来判断节点的静态重要性。根据电力骨干网络的基本拓扑图，初始化该无向连通图的链路值，进而得到该无向连通图对应的加权邻接矩阵。采用加权邻接矩阵根据经典的Dijkstra算法[18]得到节点对之间的最短路径，计算得到最短路径经过的链路个数，进而得到全网中每个节点对之间的最短路径的平均距离。由于网络的凝聚程度取决于网络中各个节点之间的连通能力，即取决于网络中节点数目n和节点间平均路径长度l，平均路经长度l是所有节点对之间最短距离的算术平均值，将网络凝聚度
定义为节点数n与平均路径长度l乘积的倒数，那么
式中，dij表示电力通信网节点i到节点j链路间加权路径的最短距离。那么仅从电力通信网的静态网络拓扑结构得到的节点静态重要度I（vi）为
式中，
表示将节点vi收缩后得到的新网络拓扑图的网络凝聚度，由式（1）和式（2）可以进一步得到
式（3）中，ki表示与节点vi相连节点的个数。可以看出，网络节点vi的静态重要度指标取决于两个因素：1）与节点vi相连接的节点个数ki；2）节点vi在网络中所处的位置。相同条件下，如果与节点vi连接的节点个数（ki）越多，则将该节点收缩以后网络中节点的数目就越少，网络的凝聚度就越大，说明该节点越重要。如果节点vi处于中心位置，则很多节点对之间的最短路径都要经过该节点，那么当把节点vi收缩以后网络的平均路径长度将大大减小，网络凝聚度就越大，该节点的静态重要度就越高。
2、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。
电力通信网节点以及节点所在链路所承担业务的功能各不相同，它们对通信通道的高可靠性和实时性要求也不一样，按照电力系统安全生产及需求特点，结合业务安全性以及传输实时可靠性的要求，需要综合评估业务运行对电力通信网节点重要度的影响，本文采用层次分析法计算不同业务的重要度，其中典型业务的重要度值如表1所示。
表1典型业务重要度值
如表1所示，线路继电保护的业务重要度最高，
且重要度随电压等级的增大而增高，这与电力通信网的实际情况完全符合；安稳控制系统和调度自动化等业务直接影响电力系统的安全稳定运行，其重要度低于线路继电保护；另外办公自动化是日常行政业务，对电力系统的安全生产和稳定运行造成的影响较小，因此重要度最低。
传统的复杂网络关键节点辨识方法一般只考虑网络的拓扑结构，但对于采用光传输技术的电力通信网，节点所在链路所承担的业务数量和种类才是影响电网安全与稳定的重要因素。电力通信网的节点一般处于多条链路中，每条链路承担着多项电力业务。为了充分考虑各个业务节点与其相邻节点构成链路的连接数以及节点业务承担情况，提出了基于业务的节点重要度计算方法，公式为
式中：
表示节点vi的业务重要度值；ki表示与节点vi所连接的链路条数；mj表示链路ej上所承担电力业务的类别总数；pjk表示第k类业务在链路ej上运行的数量；rk表示第k类电力业务的重要度值。由式（4）可知，电力通信网中某个节点发起或转接的业务越多，该节点的业务重要度值就越大，说明该节点在通信网中的作用越重要。为了更好地数值化计算结果以及研究的方便，对
进行归一化处理，得到节点的业务重要度为
式中，
和
分别为
的最大值和最小值。
二、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。
为了确定两个指标的权重值，采用层次分析法对指标的权重进行确定。首先构造比较矩阵C，采用（1，0.5，0）三标度法对两个权重进行比较后确定，再通过一定的变换将比较矩阵C转化为判断矩阵R，经过一致性检验后得到每个指标对应的权重。比较矩阵的C各元素的定义为
那么
再通过极差法构造判断矩阵R为
式中：
计算得到判断矩阵
对判断矩阵进行一致性检验后，利用行向量归一化得到两个评价指标的权重向量。
结束语
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。
参考文献：
[1]樊冰，唐良瑞.电力通信网脆弱性分析[J].中国电机工程学报，2014，34（07）：1191-1197.
[2]彭棚，何玉钧，何宇.电力通信网安全风险评估系统设计与实现[J].电力信息与通信技术，2014，12（03）：53-59.
[3]樊冰，曾瑛，唐良瑞.基于信息熵的电力通信网脆弱性评价方法[J].电子与信息学报，2014，36（09）：2138-2144.
论文作者:刘璐,王栋,孙祥飞,杨祎芃,刘瑞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/2
标签：节点论文; 通信网论文; 业务论文; 电力论文; 网络论文; 静态论文; 关键论文; 《电力设备》2018年第11期论文;