山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性評(píng)估*

韓俊玉，魏麗峰，梁 灝

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，山西 太原 030032)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，電網(wǎng)技術(shù)也隨之迅速崛起，電網(wǎng)的快速建設(shè)、遠(yuǎn)距離、高壓、大容量輸電線路的出現(xiàn)形成大規(guī)模的電力系統(tǒng)[1]?，F(xiàn)階段地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性評(píng)估中，普遍存在著評(píng)估所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[2-3]，準(zhǔn)確度較低，脆弱性評(píng)估值與實(shí)際評(píng)估值不符等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，能夠有效的提出一種具有較高檢測(cè)效率的方法成為當(dāng)今社會(huì)亟待解決的問(wèn)題[4-5]。

丁少倩等[6]提出一種基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法。該方法通過(guò)對(duì)新能源電網(wǎng)進(jìn)行分析，在新能源電網(wǎng)脆弱性的基礎(chǔ)上，利用PAM分類(lèi)的方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)檢測(cè)出的電網(wǎng)脆弱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，以此完成新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估。該方法具有較高的可行性和適用性，但是在進(jìn)行脆弱性評(píng)估的過(guò)程中評(píng)估所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。王濤等[7]提出一種基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法。該方法利用最小奇異值測(cè)量電網(wǎng)電壓節(jié)點(diǎn)之間的距離，體現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間電壓穩(wěn)定狀態(tài)，利用潮流熵網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完整程度體現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)平均負(fù)載率，采用模糊決策法綜合評(píng)價(jià)電網(wǎng)脆弱性節(jié)點(diǎn)，完成電網(wǎng)脆弱性評(píng)估。該方法在評(píng)估所需時(shí)間較短，但是在評(píng)估過(guò)程中利用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完整程度體現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)平均負(fù)載率容易存在誤差，脆弱性準(zhǔn)確度較低。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于理想解排序法的局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性評(píng)估方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出方法脆弱性評(píng)估所需時(shí)間較短、準(zhǔn)確度較高。

1 山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性評(píng)估

1.1 獲取局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性量化結(jié)果

利用貝葉斯攻擊圖對(duì)山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)進(jìn)行建模，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害攻擊意圖和原子攻擊的特性，采用不同概率特征對(duì)局部電網(wǎng)各屬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，通過(guò)更新結(jié)果得到局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性量化結(jié)果。貝葉斯攻擊圖可以分為局部電網(wǎng)的狀態(tài)攻擊圖和電網(wǎng)屬性攻擊圖兩部分，電網(wǎng)屬性攻擊圖能夠從地質(zhì)災(zāi)害攻擊角度展示出電網(wǎng)受到攻擊的情況，為了有效的避免地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)受到攻擊時(shí)發(fā)生的爆炸問(wèn)題，采用貝葉斯理論與地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的屬性攻擊圖相結(jié)合，構(gòu)建貝葉斯攻擊圖對(duì)山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)進(jìn)行建模。

P(Ei)=PAV×PAC×PAU。

(1)

式中：PAV、PAC、PAU分別表示攻擊途徑、身份認(rèn)證以及攻擊難易程度的評(píng)分值。

在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)進(jìn)行攻擊時(shí)，不同的攻擊策略得到的攻擊收益具有差異性。在攻擊方完全理性的情況下，會(huì)選取收益最大的攻擊方式對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行攻擊。攻擊方的攻擊意識(shí)?(Ei)可根據(jù)選取的攻擊策略Ei面臨的攻擊壓力Apress以及可取得的最大收益來(lái)體現(xiàn)。

攻擊最大收益是指攻擊方采取某種攻擊方式進(jìn)行單次原子攻擊時(shí)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)，主要包含實(shí)施攻擊策略所付出的代價(jià)與成本這兩個(gè)方面。其中，實(shí)施攻擊策略需要付出的代價(jià)與原子攻擊自身的價(jià)值以及執(zhí)行這次攻擊對(duì)自身的損失有關(guān)；實(shí)施攻擊策略的成本與實(shí)施攻擊過(guò)程中的執(zhí)行代價(jià)和攻擊實(shí)施成功所需時(shí)間相關(guān)。以上影響原子攻擊的攻擊代價(jià)以及成本的所有因素均視為攻擊目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的壓力影響因子，其量化形式可根據(jù)漏洞評(píng)分系統(tǒng)中對(duì)脆弱點(diǎn)的量化標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。根據(jù)攻擊壓力影響因子所處等級(jí)以及相應(yīng)的權(quán)值進(jìn)行匯總，最終獲得原子攻擊攻擊目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的壓力量化值。

攻擊收益Apress(Ei)是實(shí)施單次攻擊策略Ei所取得的收益，僅與實(shí)施完此次攻擊策略后的攻擊狀態(tài)相關(guān)，在實(shí)施后續(xù)攻擊策略后并不能獲得與單次攻擊相同的攻擊收益。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)實(shí)施完攻擊策略后的攻擊狀態(tài)劃分等級(jí)，結(jié)合專(zhuān)家給出的意見(jiàn)對(duì)不同攻擊狀態(tài)等級(jí)賦予不同的權(quán)重，該值即為攻擊方采取某種攻擊策略后所得到的最終狀態(tài)所相應(yīng)的收益。

攻擊方的攻擊意識(shí)可根據(jù)原子攻擊目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的壓力以及攻擊成功情況下所獲收益的比值來(lái)體現(xiàn)，比值越大，說(shuō)明該攻擊策略被實(shí)施的概率越??；相反，則說(shuō)明該攻擊策略被實(shí)施的概率越大。綜上所述，攻擊方采取某種攻擊意識(shí)的壓力與收益之間的比值利用下式表示：

(2)

以公式(2)為基礎(chǔ)，利用下式給出攻擊方以某種攻擊方式進(jìn)行攻擊的攻擊意識(shí)：

(3)

當(dāng)滿足?(Ei)=0時(shí)，攻擊方采取某種攻擊策略對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊時(shí)的壓力大小不小于攻擊成功所取得的攻擊收益，攻擊方不會(huì)選取這種攻擊方式；當(dāng)滿足?(Ei)=1時(shí)，攻擊方攻擊目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的壓力為0，說(shuō)明攻擊方實(shí)施某種攻擊策略時(shí)不會(huì)有任何攻擊損失，則攻擊方應(yīng)優(yōu)先選取此攻擊策略；當(dāng)滿足0

局部條件概率主要體現(xiàn)在某個(gè)單獨(dú)的局部電網(wǎng)災(zāi)害屬性狀態(tài)節(jié)點(diǎn)受到地質(zhì)災(zāi)害攻擊威脅的可能性，與父節(jié)點(diǎn)到該受到災(zāi)害節(jié)點(diǎn)的原子攻擊有關(guān)，地質(zhì)災(zāi)害采用攻擊策略Ei從父節(jié)點(diǎn)向子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害攻擊時(shí)，局部電網(wǎng)災(zāi)害屬性狀態(tài)成功轉(zhuǎn)移的概率Pstatus(Ei)與地質(zhì)災(zāi)害攻擊者的攻擊意圖和地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)原子攻擊成功的概率有關(guān)，即：

Pstatus(Ei)=P(Ei)×?(Ei)。

(4)

當(dāng)Par(Sj)代表山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害屬性節(jié)點(diǎn)Sj的父節(jié)點(diǎn)集合，利用父子節(jié)點(diǎn)之間互相依賴的關(guān)系，則局部條件概率可分為兩種情況：

第一種情況，在地質(zhì)災(zāi)害攻擊下局部電網(wǎng)父子節(jié)點(diǎn)的依賴關(guān)系為AND時(shí)，即：

(5)

第二種情況，在地質(zhì)災(zāi)害攻擊下局部電網(wǎng)父子節(jié)點(diǎn)的依賴關(guān)系為OR時(shí)，即：

(6)

為了能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性狀況，需要求出貝葉斯攻擊圖中各個(gè)局部電網(wǎng)屬性狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的可達(dá)概率，根據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害攻擊下局部電網(wǎng)父子節(jié)點(diǎn)的情況獲取出各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率，利用下式給出，其表達(dá)式為：

(7)

(8)

利用式(9)和式(10)對(duì)式(8)進(jìn)行更新，可得：

(9)

(10)

通過(guò)更新結(jié)果得到局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性量化結(jié)果：

ε=1-P(ε≤ε0) 。

(11)

1.2 基于理想解排序法的局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性評(píng)估方法

根據(jù)局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性量化結(jié)果，構(gòu)建局部電網(wǎng)災(zāi)變指標(biāo)層判斷矩陣，根據(jù)該判斷矩陣的最大特征值和特征向量獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的組合權(quán)重，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)范化處理，得到地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱度因子，構(gòu)建局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性評(píng)估模型，完成評(píng)估。

根據(jù)山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性量化結(jié)果，構(gòu)建局部電網(wǎng)災(zāi)變指標(biāo)層判斷矩陣，利用AHP中經(jīng)常見(jiàn)的互反性從1～9的標(biāo)度法，對(duì)不同地質(zhì)災(zāi)害因素進(jìn)行兩兩比較，得到該判斷矩陣為A=(aij)n×n，式中，aij代表地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)i相對(duì)于指標(biāo)j的重要程度。

根據(jù)局部電網(wǎng)災(zāi)變指標(biāo)層判斷矩陣A計(jì)算出該矩陣的最大特征值和特征向量，得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的組合權(quán)重為：

(12)

式中：WP代表局部電網(wǎng)災(zāi)變指標(biāo)層上n上節(jié)點(diǎn)相對(duì)于λ的組合權(quán)重向量，(W1jp，W2jp，…，Wnjp)代表局部電網(wǎng)災(zāi)變指標(biāo)層的權(quán)重矩陣。

在山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)中有m個(gè)行為的n個(gè)指標(biāo)層因素構(gòu)造的決策矩陣B=(bij)m×n，利用下式形成地質(zhì)災(zāi)害局部電網(wǎng)規(guī)范化決策矩陣為：

(13)

(14)

以公式(14)為基礎(chǔ)，獲取地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱度因子：

(15)

利用公式(15)中獲取的脆弱度因子構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性評(píng)估模型：

(16)

2 實(shí)驗(yàn)與仿真證明

為了驗(yàn)證本文所提出基于理想解排序法的局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性評(píng)估方法的綜合有效性，將本文所提出方法與基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法和基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

將本文所得出的方法與基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法和基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法進(jìn)行脆弱性評(píng)估所需時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表1中，方法1代表本文所得出的方法、方法2代表基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法、方法3代表基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法。分析表1可知，3種方法都隨著樣本數(shù)量的不斷增加，評(píng)估所需時(shí)間也隨之發(fā)生著變化，本文得出的方法在樣本數(shù)量不斷增加的同時(shí)，評(píng)估所需時(shí)間也隨之增加，當(dāng)樣本數(shù)量從20個(gè)增加到80個(gè)時(shí)，評(píng)估所需時(shí)間相差12 s?；诙搪啡萘康男履茉措娋W(wǎng)脆弱性評(píng)估方法當(dāng)樣本數(shù)量從20個(gè)增加到80個(gè)時(shí)，評(píng)估所需時(shí)間相差23 s，基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法當(dāng)樣本數(shù)量從20個(gè)增加到80個(gè)時(shí)，評(píng)估所需時(shí)間相差54 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所得出方法評(píng)估所需時(shí)間最短，具有較高的應(yīng)用性能。

表1 不同方法評(píng)估所需時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)

評(píng)估準(zhǔn)確度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表2中，方法1代表本文所得出方法、方法2代表基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法、方法3代表基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法。分析表2可知，3種方法都隨著樣本數(shù)量的不斷增加，評(píng)估準(zhǔn)確度都有所降低，當(dāng)樣本數(shù)量為11個(gè)時(shí)，基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法和基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法評(píng)估準(zhǔn)確度與本文所得出方法評(píng)估準(zhǔn)確度之間分別相差1.88%和4.55%。當(dāng)樣本數(shù)量為41個(gè)時(shí)，基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法和基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法的評(píng)估準(zhǔn)確度與本文所提出方法評(píng)估準(zhǔn)確度之間分別相差2.13%和6.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所給出方法評(píng)估準(zhǔn)確度相對(duì)最高，基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法評(píng)估準(zhǔn)確度最低。

表2 不同方法評(píng)估準(zhǔn)確度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

電網(wǎng)脆弱性評(píng)估與實(shí)際評(píng)估值對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，圖1中，W代表實(shí)際評(píng)估值，Y代表本文所得出方法評(píng)估值，Q代表基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法評(píng)估值，H代表基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法評(píng)估值。分析圖1可知，3種方法電網(wǎng)脆弱性評(píng)估值都隨著樣本數(shù)據(jù)數(shù)量的不斷增加，也隨之發(fā)生一定的改變，基于短路容量的新能源電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法評(píng)估值的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估值一直在30%以上，距離實(shí)際評(píng)估值較遠(yuǎn)，基于模糊決策法的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估方法評(píng)估值一直處于較低的狀態(tài)，距離實(shí)際評(píng)估值也相對(duì)較遠(yuǎn)、而本文所提出方法電網(wǎng)脆弱性評(píng)估值與實(shí)際值之間基本相符，具有相對(duì)較高的評(píng)估價(jià)值。

圖1 不同方法電網(wǎng)脆弱性評(píng)估對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[8-10]，電網(wǎng)的大范圍覆蓋，導(dǎo)致在地質(zhì)災(zāi)害下的災(zāi)變損失較大，需要對(duì)局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱性進(jìn)行評(píng)估。本文提出了一種基于理想解排序法的局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性評(píng)估方法。

(2)利用貝葉斯攻擊圖對(duì)山西采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)進(jìn)行建模，采用不同概率特征對(duì)局部電網(wǎng)各屬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，通過(guò)更新結(jié)果得到局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性量化結(jié)果。

(3)構(gòu)建局部電網(wǎng)災(zāi)變指標(biāo)層判斷矩陣，根據(jù)該判斷矩陣的最大特征值和特征向量獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的組合權(quán)重，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)范化處理，得到地質(zhì)災(zāi)害下局部電網(wǎng)的災(zāi)變脆弱度因子，構(gòu)建局部電網(wǎng)災(zāi)變脆弱性評(píng)估模型，完成評(píng)估。

(4)該方法在評(píng)估過(guò)程中利用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完整程度體現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)平均負(fù)載率容易存在誤差，脆弱性準(zhǔn)確度較低。