復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆弱性分析中的應(yīng)用

張洪濤吳世君（. 中國人民解放軍海軍93部隊5分隊 青島66000；. 中國人民解放軍海軍9337部隊 大連605）

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復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆弱性分析中的應(yīng)用

張洪濤1吳世君2
（1. 中國人民解放軍海軍92132部隊25分隊 青島266000；2. 中國人民解放軍海軍92337部隊 大連116025）

［摘 要］文章將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析方法應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆弱性的分析。首先將船舶電網(wǎng)抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，并對該網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行計算和分析；然后通過分析節(jié)點攻擊后的電力系統(tǒng)性能對船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：船舶電網(wǎng)的脆弱性與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論可以有效確定電力網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點。

［關(guān)鍵詞］船舶電力系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)脆弱性；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論；介數(shù)；度

吳世君（1980-），男，碩士，工程師，研究方向：艦船動力系統(tǒng)。

引 言

區(qū)別于陸地電力系統(tǒng)，船舶電力系統(tǒng)（SPS）是典型的獨立電力系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組的容量和冗余較小，對故障和破壞更加敏感，因此船舶電力系統(tǒng)的主要任務(wù)是從生命力角度保證提供穩(wěn)定、連續(xù)和可靠的供電。船舶電力系統(tǒng)供電連續(xù)性與其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性有密切聯(lián)系，因此有必要設(shè)計一種適用于分析船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性的方法，以評估系統(tǒng)供電連續(xù)性，并尋找對供電連續(xù)性具有關(guān)鍵影響的節(jié)點和支路，從而優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計。

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)［1］和小世界網(wǎng)絡(luò)［2］的概念分別在1959年和1998年提出，而標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的特性在1999年［3］開始被分析，這些網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究的基礎(chǔ)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在陸地電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括兩個方面：大范圍停電的機(jī)理［4-5］和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性的分析［6-11］。

與陸地電網(wǎng)類似，船舶電力系統(tǒng)也可以描述為若干節(jié)點通過支路以某種方式相連構(gòu)成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著工作狀態(tài)的變化發(fā)生顯著變化，是具有代表性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中，有多種統(tǒng)計指標(biāo)和評價方法用于描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性和分析網(wǎng)絡(luò)性能。因此，可以借鑒和引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論用于分析船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

本文通過將電網(wǎng)元件描述為支路，相鄰元件之間的連接點描述為節(jié)點，建立了船舶電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ?。在拓?fù)淠Ｐ偷幕A(chǔ)上，分析了船舶電網(wǎng)的拓?fù)涮匦?。為評估重要節(jié)點和艙室節(jié)點組，定義了兩個評價指標(biāo)。通過對典型的船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)攻擊和蓄意攻擊測試，驗證了所提出的評價指標(biāo)的有效性。最后，定義了艙室電氣介數(shù)指標(biāo)用于分析船舶電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性。

1 船舶電力系統(tǒng)

船舶電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)相比，具有以下不同之處：

（1）發(fā)電機(jī)容量與負(fù)荷容量相當(dāng)，容量裕度不足，主配電板故障將導(dǎo)致功率缺失和負(fù)荷失電。

（2）船舶電網(wǎng)供電面積相當(dāng)陸地電網(wǎng)要小。對船舶的打擊將造成多個元件故障。

（3）一些重要的負(fù)載對失電十分敏感，因此重要負(fù)載有多路供電路徑。

圖1為典型的船舶電力系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?。該系統(tǒng)包含4臺發(fā)電機(jī)組，通過主配電板和跨接線連成了一個環(huán)形。重要負(fù)載通過正常和備用供電路徑獲得供電，其中正常供電路徑是優(yōu)先供電路徑。負(fù)載在任何時候僅有一路供電。斷路器（CB）可以隔離故障并完成失電負(fù)載恢復(fù)供電操作。

2 船舶電網(wǎng)拓?fù)涮匦苑治?/h2>

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中，有4類基本的統(tǒng)計指標(biāo)用來分析網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性，包括：度、平均路徑長度、聚類系數(shù)和介數(shù)。本節(jié)將通過計算這4個統(tǒng)計指標(biāo)來分析圖1所示的船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性。

2.1 度指標(biāo)

節(jié)點i的度是指與節(jié)點i相連的邊的數(shù)量。對于有向圖，節(jié)點的度分為出度（out-degree）和入度（in-degree）兩類，其中，出度是指由該節(jié)點指向其他節(jié)點的邊的數(shù)量；入度是指從其他節(jié)點指向該節(jié)點的邊的數(shù)量。度指標(biāo)描述節(jié)點i與相鄰節(jié)點的連接關(guān)系，反映其在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。如圖1中的10號節(jié)點與6號、52號、53號等3條支路相連，其度指標(biāo)取值為3。

對圖1所示的電網(wǎng)中各節(jié)點的度指標(biāo)進(jìn)行計算，平均度指標(biāo)為2.07。圖2（a）采用雙對數(shù)坐標(biāo)系給出了節(jié)點度累積分布曲線圖，其中用符號“o”表示度指標(biāo)計算結(jié)果，用“*”表示指數(shù)函數(shù)y=k-1.5分布曲線。圖2（b）為用直方圖表示度的分布。

圖2　累積度分布曲線和度分布直方圖

通過圖2（a）可以看出，累積度分布指標(biāo)在雙對數(shù)坐標(biāo)系下具有線性特征，且與指數(shù)函數(shù)特性接近。這表明在電網(wǎng)中有部分節(jié)點度指標(biāo)高，這點在圖2（b）中也可以看出。分析結(jié)果表明船舶電網(wǎng)是一種具有標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

2.2 平均路徑長度指標(biāo)

節(jié)點i和j之間的距離di，j定義為該兩節(jié)點之間最短路徑所含的總邊數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度L定義為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點對之間的最短距離的平均值，如式（1）所示。

式中：N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)。另外，平均路徑長度又稱為特性路徑長度。例如圖1中的5號節(jié)點到30號節(jié)點的最短路徑包含的支路為6號、53號支路，則5號與30號節(jié)點之間的距離d5， 30=2。

圖1所示的電網(wǎng)的平均路徑長度指標(biāo)L為3.57，小于陸地電力系統(tǒng)。

2.3 聚類系數(shù)指標(biāo)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點i有ki條邊將它與其他節(jié)點相連，這ki個節(jié)點之間存在的邊數(shù)Ei和所有可能的邊數(shù)ki（ki-1）/2之比即為節(jié)點i的聚類系數(shù)Ci，即

聚類系數(shù)Ci的另一種表述為：

若圖1中的10號節(jié)點分別與30號、50號節(jié)點相連，但30號與50號節(jié)點之間無連接的支路，則10號節(jié)點的聚類系數(shù)為0。

圖1所示電網(wǎng)的所有節(jié)點的聚類系數(shù)均為0，說明在船舶電網(wǎng)中沒有三角形連接的節(jié)點組， 這表明船舶電網(wǎng)沒有小世界網(wǎng)絡(luò)的特性。

2.4 介數(shù)指標(biāo)

介數(shù)可分為節(jié)點的介數(shù)和邊的介數(shù)兩類。其中，節(jié)點i的介數(shù)bi是指網(wǎng)絡(luò)中通過該節(jié)點的最短路徑的數(shù)量占所有最短路徑的比例，即

式中：σww′為節(jié)點w和節(jié)點w′之間最短路徑數(shù)量；σww′（i）為w和w′之間經(jīng)過i的最短路徑數(shù)量。一般來說，w≠w′，w≠i，w′≠i。邊的介數(shù)的定義與節(jié)點介數(shù)的定義類似。顯然，介數(shù)指標(biāo)反映了節(jié)點和支路在網(wǎng)絡(luò)中間的地位。以圖1中的50號節(jié)點，僅有29號節(jié)點與其他各節(jié)的最短路徑會經(jīng)過50號節(jié)點，又不考慮50節(jié)點與29號節(jié)點之間的最短路徑，則

對圖1所示的電網(wǎng)中各節(jié)點的介數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計算，圖3采用雙對數(shù)坐標(biāo)系給出了的累積介數(shù)分布。其中用符號“o”表示介數(shù)指標(biāo)計算結(jié)果，用“*”表示指數(shù)函數(shù)y = k-1.5分布曲線。

圖3　累積介數(shù)分布曲線

從圖3中可以看出，累積介數(shù)分布指標(biāo)在雙對數(shù)坐標(biāo)系下具有線性特征，且與指數(shù)函數(shù)特性接近。這說明船舶電網(wǎng)中的大部分節(jié)點的介數(shù)指標(biāo)較低，而有少部分節(jié)點介數(shù)指標(biāo)較高。

以上4個指標(biāo)計算結(jié)果表明船舶電網(wǎng)屬于一種標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，而并非小世界網(wǎng)絡(luò)或隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)。船舶電網(wǎng)顯示出區(qū)別與陸地電網(wǎng)的獨特特性。

3 船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性評估

研究電力網(wǎng)絡(luò)分為兩個方面：靜態(tài)脆弱性和動態(tài)脆弱性。在動態(tài)脆弱性研究方面，當(dāng)一些節(jié)點和支路負(fù)載移去，且系統(tǒng)面臨隱藏的故障時，負(fù)載被認(rèn)為需要重新分配，這將導(dǎo)致剩下的節(jié)點和支路會去掉。電網(wǎng)靜態(tài)脆弱性主要是在一些支路和節(jié)點去掉后，分析電網(wǎng)的性能。

本研究通過對比冠心病患者與健康者血清膽紅素、尿酸水平情況可知,冠心病患者血清膽紅素水平顯著低于健康者,尿酸水平顯著高于健康者,故而該良鄉(xiāng)鎮(zhèn)指標(biāo)能夠有效檢驗冠心病情況。

3.1 船舶電力系統(tǒng)性能評估指標(biāo)

船舶電力系統(tǒng)在攻擊損傷后的評估指標(biāo)可以分為以下4類：

（1）全局評估指標(biāo)基于最短路徑。這一指標(biāo)包括平均地理距離，平均反向地理距離等，主要是計算兩節(jié)點之間的最短距離。系統(tǒng)脆弱性一般隨最短距離的增加而變差。

船舶電網(wǎng)節(jié)點間距離短，電網(wǎng)功率流動不會受制于節(jié)點的最短距離。電網(wǎng)負(fù)載的功率取決于發(fā)電機(jī)組的功率。該指標(biāo)不能反映損傷的嚴(yán)重性，因此最短距離不適合分析船舶電網(wǎng)性能。

（2）局部評估指標(biāo)基于聯(lián)通性分析。聚類系數(shù)是典型的分析局部電網(wǎng)性能的評價指標(biāo)，可用來分析故障狀態(tài)下的聯(lián)通性。

（3）連接子網(wǎng)的最大范圍。若系統(tǒng)因故障而解列，可以用最大連接子網(wǎng)的節(jié)點數(shù)與節(jié)點總數(shù)的比值來描述受損情況，按式（5）計算：

式中：N0是故障后節(jié)點總數(shù)；Ni是故障后第i個子網(wǎng)的節(jié)點數(shù)；n為故障后的子網(wǎng)個數(shù)。

在船舶電網(wǎng)中包含一些發(fā)電機(jī)組，當(dāng)系統(tǒng)因故障解列后，一些子網(wǎng)會失電，而含有發(fā)電機(jī)的子網(wǎng)將為子網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載供電。無論失電子網(wǎng)的規(guī)模多大，在失電后不必再考慮。因此，子網(wǎng)最大規(guī)模指標(biāo)不適于評價損傷情況。系統(tǒng)剩下的總負(fù)載應(yīng)作為分析船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)脆弱性。

（4）故障后系統(tǒng)剩余的功率總量。當(dāng)電力系統(tǒng)元件損壞后，系統(tǒng)將分解為M個子網(wǎng)，其中含有發(fā)電機(jī)組的子網(wǎng)有N個。剩余的功率總量可按式（6）計算：

剩余負(fù)載功率總量指標(biāo)反映了船舶電力系統(tǒng)在故障后持續(xù)向負(fù)載供電的能力，但未考慮各類船舶電氣負(fù)載的重要性等級。

本文從滿足船舶電氣設(shè)備供電這一基本要求出發(fā)，充分考慮艦船電力系統(tǒng)中各負(fù)載的重要性等級，提出電網(wǎng)性能指標(biāo)E用于評價故障后船舶電力系統(tǒng)供電能力，其表達(dá)式為：

式中，Lg1、Lg2、Lg3依次為1級至3級負(fù)載的編號集合；pi為負(fù)載i的額定功率；xi為負(fù)載i所對應(yīng)的狀態(tài)變量，它用于表征故障后負(fù)載i的運(yùn)行狀態(tài)，若因電網(wǎng)受損而最終導(dǎo)致負(fù)載i停運(yùn)，則有xi= 0，反之則xi= 1；、分別為2級、3級負(fù)載中單個負(fù)載額定功率的最大值，、分別為1級、2級負(fù)載中單個負(fù)載額定功率的最小值。該指標(biāo)值越高，說明故障后艦船電網(wǎng)的性能越優(yōu)。

通過對船舶電網(wǎng)的元件進(jìn)行打擊，并計算打擊后的電網(wǎng)性能指標(biāo)，可分析船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)脆弱性。

3.2 節(jié)點蓄意攻擊下的結(jié)構(gòu)脆弱性分析

本文分別采用如下4種方式對艦船電網(wǎng)中的元件進(jìn)行攻擊：

（1）隨機(jī)對電網(wǎng)中的20個節(jié)點進(jìn)行攻擊（RAN）；

（2）依次對電網(wǎng)中度最高的前20個節(jié)點進(jìn)行攻擊（ID）；

（3）依次對電網(wǎng)中介數(shù)最高的前20個節(jié)點進(jìn)行攻擊（IB）。

圖4給出3種不同的攻擊模式下，電網(wǎng)性能的下降趨勢。表1給出各輪攻擊下的電網(wǎng)性能指標(biāo)。

圖4　3種元件攻擊模式下的電網(wǎng)性能下降趨勢

表1　4種元件攻擊模式下電網(wǎng)性能指標(biāo)

由圖4和表1可見，艦船電網(wǎng)在隨機(jī)攻擊（RAN）下表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，經(jīng)過20輪攻擊后，電網(wǎng)性能的評價指標(biāo)值由受攻擊前的4 500 kW下降為1 524 kW，仍有部分負(fù)載能繼續(xù)運(yùn)行。而在按節(jié)點的介數(shù)對電網(wǎng)依次攻擊時，電網(wǎng)性能的下降趨勢最快，在經(jīng)過5次攻擊后，電網(wǎng)中的所有負(fù)載就全部停運(yùn)，電網(wǎng)性能下降到零。分析結(jié)果表明，介數(shù)指標(biāo)高的節(jié)點受攻擊后，網(wǎng)絡(luò)性能下降快，表明對應(yīng)節(jié)點為船舶電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點，應(yīng)予以重點防護(hù)以保障電力系統(tǒng)生命力。如圖1中的5、6、7、8號節(jié)點分別對應(yīng)于前后主配電板母線，其損壞將對電力系統(tǒng)供電能力造成巨大影響，應(yīng)予以重點防護(hù)；同時，應(yīng)增加重要負(fù)載的供電路徑（相當(dāng)于增大式（4）中節(jié)點之間最短路徑總量σww′，減小重點節(jié)點介數(shù)），保證重要負(fù)荷在正常供電路徑失電時，可以從備用供電路徑供電，提高船舶電力系統(tǒng)的生命力。

4 結(jié) 論

船舶電力系統(tǒng)生命力是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的主要因素之一。從網(wǎng)絡(luò)理論方面考慮，分析船舶電力系統(tǒng)生命力可根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性，通過建立其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，分析其脆弱性來實現(xiàn)。

本文將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆弱性分析。對船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，對4種統(tǒng)計指標(biāo)的計算結(jié)果表明船舶電網(wǎng)具有與陸地電網(wǎng)不同的結(jié)構(gòu)特性。在不同攻擊模式下，分析4電站船舶電網(wǎng)的靜態(tài)脆弱性。結(jié)果表明：節(jié)點介數(shù)指標(biāo)相對其他指標(biāo)能夠更好地評估電氣元件和艙室的重要性，因此，設(shè)計時盡量降低電氣介數(shù)指標(biāo)可以提高船舶電力系統(tǒng)生命力。

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Structural vulnerability analysis of shipboard power system based on complex network theory

ZHANG Hong-tao1WU Shi-jun2
(1. Navy of 92132, Qingdao 266000, China; 2. Navy of 92132, Dalian 116025, China)

Abstract:In this paper, the complex network theory is applied to analyze the structural vulnerability of the shipboard power system. The shipboard power system is modeled as a complex network, whose topological characteristics are calculated and analyzed. Then, the structural vulnerability of the shipboard power system is analyzed through the performance of the power system after the node attack tests. The results show that the vulnerability of the shipboard power system greatly depends on the topological structure, and the complex network theory can effectively determine the key nodes of the power system.

Keywords:shipboard power system; structural vulnerability; complex network theory; betweenness; degree

［作者簡介］張洪濤（1971-），男，機(jī)電長，高級工程師，研究方向：艦船動力系統(tǒng)。

［收稿日期］2015-10-08；［修回日期］2015-11-27

［中圖分類號］U674.7+03.3

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0081-06