摘要：电力通信网作为智能电网系统安全可靠运行的基础网络，必须保证其可靠性，改善其脆弱性，如果通信网中的设备发生故障，可能会导致整个网络系统不能正常运转。因此，需要采取可靠的策略来改善电力通信网的脆弱性，以实现电力通信网的高效可靠运行。至今为止，对电力通信网脆弱性的改善主要从两个方面考虑。一方面是基于网络的拓扑结构层面，通过相应的策略来改善整个网络的拓扑，从而达到改善网络的脆弱性的目的；另一方面基于业务和路由优化层面，采取可靠的路由优化策略对业务进行合理的分配，以避免网络发生拥塞，造成网络的瘫痪。本文基于复杂网络理论知识，将电力通信网采取相应的原则进行抽象简化，以便于对网络的性能进行分析并加以优化，验证优化策略的有效性。
关键词：复杂网络；电力通信网扩容；保护策略
前言：
网络脆弱性分析主要考虑两个基本要点，故障模式和评估方式。故障模式有网络中某个节点发生随机失效和对网络中的特定功能区域进行蓄意攻击两种，当网络中的节点随机的故障，不同节点发生故障的可能性大致相同时，这种模式为随机失效，而蓄意攻击是指对网络中处于的特定功能区域的关键节点进行攻击。从发生故障后对网络的破坏性的角度来看，蓄意攻击产生的影响更大。在本文中，分别采用随机攻击和蓄意攻击方式对网络进行攻击，评估网络被攻击后的性能。评估网络脆弱性的性能指标在本文中采取连通性指标，即通过评估网络在遭遇攻击后的连通性来评判网络的脆弱性。
用户的数量和信息交互的数据量迅速增加，亟需扩充网络的容量，以满足人们的需求。因此，网络的容量也是网络研宄的重点。网络容量作为影响网络传输能力的关键指标，很多学者针对提升网络的容量方面展开大量的研究，但是大部分研究都是基于随机网络展开的，缺乏对具体应用场景中实际网络性能的考虑。同时，网络中的数据传输过程，最短路径路由策略作为进行业务路由选择时最常使用的方法，虽然能够实现网络之间的短距离通信，但是也存在弊端，对于很多具有无标度特性的网络而言，这种路由策略会造成中心节点承载的负载过多，以至于造成中心节点的拥塞，而网络节点一旦拥塞流量就会持续累积，进而影响整个系统之间的通信，造成系统通信中断。为适应快速增长的网络容量，就需要依据现实世界中的实际网络，从网络的拓扑结构和路由策略角度出发，通过调整网络的拓扑结构，采取高效的路由策略，实现资源的合理分配和有效利用，达到网络优化的目的。
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1低路径低聚加边算法设计思想
1.1改进扩容算法
BA模型采用网络的择优连接机制，仅考虑了节点度特性，并将其作为网络演化的唯一标准，实际上基于这种假设的考虑是不全面的。在实际的网络中，节点的度不是判定节点重要性的唯一标准，如前面分析，介数高的节点是网络中的枢纽，一般为调度中心或500kV/220kV变电站，是节点之间通信的重要中转站，因此，节点的介数也应该作为网络扩容时应当参考的指标。本文针对BA模型的局限性，提出一种加权的择优连接方式，综合考虑节点的度和介数，针对不同的网络，选择合适的加权参数，保证网络的性能最优。为此提出以下算法，算法流程如图1所示。
该算法对于优先连接的方式不仅仅考虑节点的度的特性，而是综合考虑节点的度和介数两个重要特性，还通过寻找最长最短路径的方式达到缩短整个网络的平均路径的目的。针对优先连接概率的计算，涉及到节点的度和介数之间权值分配的问题。
2通信网脆弱性分析
本节依据复杂网络理论，对比RA、LDA和LD_CA 3种加边策略下，扩容后得到网络在发生随机失效和对特定区域攻击后的网络脆弱性。本文中网络的脆弱性分析指标主要考虑故障后网络的连通性。通信节点之间的连通是保证通信网系统间可以进行信息交互的前提，连通性G是指网络在遭遇故障后的网络的最大连通子集包含节点数和故障前网络节点数之比，是评价网络遭遇故障后的通信节点之间连通能力的指标。即属于连通子集中的任意2个通信节点之间可进行通信，G越大表明网络中的大部分节点之间依然连通，可以进行信息的传输，网络的通信能力越强。本文对扩容后得到的网络，采取随机节点失效和对特定区域攻击的方式破坏网络的连通性。
G=N'/N
式中：N'为发生故障后网络最大连通子集的节点数；N为原网络节点数。
2.1节点随机失效
图2是对比RA、LDA和LD_CA 3种加边策略下，网络发生随机节点失效后系统的连通性。由图2可知，随着每次引入新节点连接边数的增加，电力通信网的通信设备节点之间建立更多连接，某个节点的失效不会导致电力通信网的大面积瘫痪，即网络发生随机失效后，对其连通性产生的影响越来越小。采用LD_CA策略，当连接边数为6时，电力通信网在发生随机失效后网络的连通性不受影响。在同样情况下，RA和LDA策略，当连接边数为9时才能保证网络遭遇故障后的连通性不受影响。可见，为保证电力通信网遭遇故障后通信设备之间的连通性，采用RA或者LDA策略相比于LD_CA策略需要在通信设备之间搭建更多光缆，增加了网络扩容的成本。因此，采用LD_CA加边策略，能以较小成本保证通信设备间的连通能力。
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图2故障后网络连通性
2.2特定区域攻击
某市电力通信网拓扑包括调度端、220kV变电站、110kV变电站、35kV变电站，本文依据变电站等级不同，将该电力通信网划分成4个特定区域，即同一电压等级的变电站划分为一个区域，调度端单独划分为一个区域。据此将调度端、220kV变电站、110kV变电站、35kV变电站分别定义为A、B、C、D 4个特定区域。分别采取RA、LDA和LD_CA 3种策略对网络扩容后，攻击网络特定区域内的节点，对比3种加边策略下网络发生故障后的连通性。
图3是对比3种加边策略下，攻击B区域中的通信节点，网络发生故障后的连通性。可以看出采用LD_CA策略，当连接边数为10时，电力通信网在被攻击后网络的连通性基本不受影响；在同样情况下，采用RA和LDA策略，当连接边数为12时才能保证网络遭遇故障后的连通性不受影响。
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图3攻击B区域后网络连通性
图4是对比3种加边策略下，攻击D区域中的通信节点，网络发生故障后的连通性。可以看出采用LD_CA策略，当连接边数为7时，电力通信网在被攻击后网络的连通性基本不受影响；在同样情况下，采用RA策略当连接边数为9时，网络的连通性基本不受影响；采用LDA策略当连接边数为12时，才能保证网络的连通性不受影响。即攻击电力通信网的特定区域时，采用LD_CA加边策略，相比于采用RA和LDA策略，只需要铺设较少的光缆，就能达到保证网络连通性的目的，以较小的成本保证通信设备之间的连通能力。
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图4攻击D区域后网络连通性
3结论
本文通过对电力通信网进行扩容，分析在RA、LDA和LD_CA策略下网络扩容后的性能，主要对电力通信网的平均路径长度、聚类系数和网络容量进行研究，同时对比采取3种加边策略对太仓市电力通信网扩容，分析其发生故障后网络的连通性。仿真结果表明，对于电力通信网络，若其聚类系数较小，说明通信网设备之间的分布比较均匀，不会因为网络中某个节点的故障而导致这个网络的瘫痪，保证电力通信网在遭遇故障后能保持一定的连通性，继续正常运行。
参考文献：
[1]单政博.电网重要节点、脆弱线路及骨干网架识别研究[D].杭州：浙江大学，2017.
[2]张志东，杨挺.基于复杂网络的电力通信骨干网络关键点甄别[J].电力信息与通信技术，2015，13(12)：19-23.
[3]赵焱鑫，李黎，王小明.复杂网络加边扩容策略研究[J].计算机应用研究，2015，32(6)：1839-1841.
论文作者:何雨
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
标签：网络论文; 节点论文; 通信网论文; 策略论文; 连通性论文; 电力论文; 故障论文; 《电力设备》2019年第21期论文;