摘要：经济的发展和社会的稳定，在很大程度上依赖电力系统的正常运行，电力通信网作为电力系统的专网，是保证电力系统最重要的组成部分之一。本文基于复杂网络理论，对电力通信网络可能会遭受的攻击模式进行了分析，并介绍了电力通信网络的加边策略，希望能通过这些策略确保电力通信网络的稳定性。
关键词：电力通信网络；复杂网络理论；电力系统
引言：随着电网的信息化、自动化和互动化，电力通信网作为保证电网安全、经济和稳定运行的重要手段，一旦出现故障，会直接影响到电网的安全和稳定运行。随着我国的电力系统进入大电网、大机组和高电压时代，电力通信网也有了越来越大的规模，对电力通信网的鲁棒性要求越来越重要，保护电力通信网络的正常运行有着非常重要的意义。
1电力通信网络存在的风险
电力系统的正常运行关键依靠于电力通信网络的正常运行，当电力通信系统发生风险时，往往电力系统也会发生丢失。除外部环境对电力网络造成的危险外，电力通信网络的脆弱性也是较大的风险原因[1]。电力通信系统的可靠性往往由其脆弱性决定，过于脆弱的电力通信系统难以保证电力系统的稳定安全运行。由于电力通信系统受到不同因素的影响，着重去保护它的正常运行是很有必要的。网络信息的保密和控制访问的安全性是最需要重视的，只有当电力通信系统正常运行时，系统才能更好的进行生存性计算、有效性计算和可靠性计算。对电力通信系统的安全评估主要是通过测试网络的安全漏洞来实现的。这个漏洞是指系统的缺陷和弱点，还有系统对危险事件和恶意攻击的敏感性。对于电力通信网络的保护措施主要有两种思路，第一种思路为通过对硬件进行更新、优化软件系统、建立安全评估指标等策略实现。第二种思路是根据复杂网络理论，通过对电力通信网的拓扑进行优化，从而改善其脆弱性。本文主要是探索通过改善电力通信网的拓扑结构，达到增强电力通信网的鲁棒性。
2基于复杂网络理论体系的电力通信网拓扑特征
目前国内的电力通信网都是专网，仅用于对电力系统的服务，与公共通信网络之间存在着物理隔离。在电力通信网进行复杂网络建模时，无需考虑公共通信网络，这时电力通信网络通常可以表示为无权无相图。电力通信网的复杂网络概念中，节点数代表通信基站的数目，用边数来代表通信线路的数目。电力通信网的平均度数为2倍的边数除以节点数，平均度数的含义是任意两个站点之间的平均通信线路数目，平均度数反映了网络构架的强度。电力通信网络的特征路径长度，是在最短路径算法下，网络中任意2个站点在进行通信时的平均跳数。聚集系数时用来描述节点与相邻节点间的连接程度，所有节点的局部聚集系数平均值是网络全局聚集系数。节点的介数为所有最短路径中，经过该节点的边数占最短路径数目的比例，用来评价站点承担储存和转发信息的业务量。刘涤尘等人对华中电力通信网络复杂特性进行了分析[2]，得出了华中电力通信网的网络建设相对较弱，仅能够满足电力通信网的基本链接要求，并具有小世界网络特性和无标度网络特性。这项研究对讨论国内的电力通信网络建设有很大的意义。
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3基于复杂网络理论体系的电力通信加边保护具体策略
对电力通信网络的攻击方式主要分三种：随机节点攻击模式、高度数节点攻击模式和高介数节点攻击模式。随机节点攻击模式为随机移除一些节点，高度数节点攻击是对网络的节点度数进行排列，并选择高度数的节点进行移除，最后高介数节点攻击是将网络内的节点根据介数进行排列，将介数高的节点移除。我国的电力通信网络，由于具有无标度网络的特性，表现为低度数节点数量大，高度数节点数量少，当遭受随机攻击时，网络能表现出较强的鲁棒性，而在遭到对节点的蓄意攻击时，有效节点的比例下降严重，也就是说我国的电力通信网络在面对随机攻击时，能够保证正常的运行，而在蓄意的攻击下网络工作效率陡然下降。面对这种情况，通过提高节点度数和介数的方式，维持电力通信网络的鲁棒性是最有效的。
在提高节点的度数和介数上，增加独立的通信线路数是一种较好的方式。在增强电力通信网络的通信线路上有四种策略，分别是随机加边策略、低度数节点加边策略、低介数节点加边策略和代数连通性加边策略。随机加边策略是在网络中随机选择一对节点加边；低度数节点加边策略是进行节点度数计算，选出度数最低的两个节点加边；低介数节点加边是进行介数的计算，选出介数最低的两个节点加边。这三种加边方法，都不能出现自环和重边。代数连通性加边策略是求解网络的Fiedler向量，选取向量元素绝对值差最大的节点加边，Fiedler向量是拉普拉斯矩阵对应的第二小特征根向量。这四种方法都需要不断地进行重复，直到边数达到规定的要求。
这四种策略在应对不同的攻击类型时，效果存在一些差异。在加边数量为原来边数的20%时，对于随机攻击模式，四种策略的效果基本是相同的，都能够增加电力通信网络的鲁棒性；对于高介数攻击模式，四种策略都能改善网络的有效节点数和网络效率的陡然下降，但低介数加边策略要优于低度数节点、代数连通性和随机加边策略；最后在遭受高度数节点攻击时，四种策略都能够改善连通脆弱性，但低介数节点加边和代数连通性加边策略要优于低度数节点加边和随机加边策略。由于不同的加边策略计算量不同，适应的情况也不同，但低介数节点加边策略在应对不同的攻击时均有较好的效果。通过增加通信线路的方式，虽然能够较好的提高电力通信网络的鲁棒性，但在进行通信线路的铺设过程中，需要应对不同的铺设环境，需要付出的经济成本较高，针对不同的情况，在进行通信线路的增加时要综合考虑，在降低成本的同时使网络的鲁棒性达到最佳。
总结：电力通信网络作为电力系统安稳运行的有力保证，同时也作为电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，要通过多种手段保证它的安全稳定运行。在通过增加通信线路的方式增加电力通信网络的鲁棒性时，要合理采取加边策略，确保网络安全运行的同时，也使投入的资金最低。
参考文献：
[1]周雨涛.论述电力通信网的脆弱性分析及对策[J].信息通信，2017（11）：207-208.
[2]刘涤尘，冀星沛，王波，等.基于复杂网络理论的电力通信网拓扑脆弱性分析及对策[J].电网技术，2015，39（12）：3615-3621.
论文作者:张庭楷
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
标签：节点论文; 电力论文; 度数论文; 通信网论文; 通信网络论文; 策略论文; 网络论文; 《基层建设》2018年第21期论文;