基于電網(wǎng)影響因子的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別

曾 瑛，朱文紅，鄧博仁，羅 云

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2.四川創(chuàng)立信息科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610093)

基于電網(wǎng)影響因子的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別

曾 瑛1，朱文紅1，鄧博仁1，羅 云2

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2.四川創(chuàng)立信息科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610093)

作為電力系統(tǒng)的通信專網(wǎng)，電力通信網(wǎng)具有明顯的行業(yè)特點(diǎn)。為準(zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從電力通信網(wǎng)與電網(wǎng)的特殊關(guān)系分析節(jié)點(diǎn)的重要性，提出電網(wǎng)影響因子的概念。根據(jù)節(jié)點(diǎn)所處的站點(diǎn)在電網(wǎng)中的地位及作用，即站點(diǎn)類別因素和負(fù)荷因素兩方面評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)權(quán)重。然后利用電網(wǎng)影響因子，并結(jié)合所定義的聚合系數(shù)指標(biāo)，分析電力通信網(wǎng)中重要節(jié)點(diǎn)的分布密集狀況，得到各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械南鄬?duì)重要性。仿真表明，相對(duì)于現(xiàn)有其他算法，該算法能夠更好地結(jié)合電力通信網(wǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)區(qū)分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)位置相似的節(jié)點(diǎn)的重要性，在電力通信網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析中具有較大的參考價(jià)值。

電力通信網(wǎng)；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；電網(wǎng)影響因子；聚合系數(shù)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，作為電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)的電力通信網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)不斷增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨之越加復(fù)雜化。網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別在電力通信網(wǎng)運(yùn)行管理中具有很高的指導(dǎo)意義，研究表明，無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò) 5%~10%的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受到攻擊并失效后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)全面崩潰[1-2]。通過保護(hù)或備份關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，能夠提高電力通信網(wǎng)抵抗攻擊的能力，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力，從而降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

節(jié)點(diǎn)重要性是識(shí)別網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的主要依據(jù)，現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)估研究本質(zhì)上均是基于圖論展開的[3-12]，主要分為兩類方法：第一類方法側(cè)重于分析節(jié)點(diǎn)區(qū)別于其他節(jié)點(diǎn)的顯著性特征，利用節(jié)點(diǎn)的某些屬性作為區(qū)分節(jié)點(diǎn)重要性的測(cè)度指標(biāo)，如節(jié)點(diǎn)的度、介數(shù)、特征向量等，其中介數(shù)法通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間最短路徑經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，即用節(jié)點(diǎn)介數(shù)評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)重要性，但其計(jì)算復(fù)雜程度較高，并不適用于識(shí)別復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；第二類方法通過分析刪除節(jié)點(diǎn)后對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體的影響程度衡量節(jié)點(diǎn)重要性，如節(jié)點(diǎn)收縮法[1]通過分析節(jié)點(diǎn)收縮前后網(wǎng)絡(luò)凝聚度的變化評(píng)估節(jié)點(diǎn)重要性，以最短路徑為基礎(chǔ)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的連接度和節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，較介數(shù)法更為直觀有效；文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)節(jié)點(diǎn)收縮法考慮了節(jié)點(diǎn)間相互作用的強(qiáng)弱程度，利用加權(quán)網(wǎng)絡(luò)刻畫節(jié)點(diǎn)間的作用細(xì)節(jié)，但是節(jié)點(diǎn)收縮法及其改進(jìn)方法均無法區(qū)分環(huán)網(wǎng)中位置條件相同節(jié)點(diǎn)的重要性。

電力通信網(wǎng)具有明顯的行業(yè)特點(diǎn)，在評(píng)價(jià)電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度時(shí)，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法僅在通信網(wǎng)絡(luò)層面考慮問題，很少從電力通信網(wǎng)與電網(wǎng)的特殊關(guān)系來分析節(jié)點(diǎn)的重要性，并未考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身地位和作用的區(qū)別，不能夠全面、有效地反映出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在拓?fù)鋵拥闹匾浴Ｔ陔娏νㄐ啪W(wǎng)中，各節(jié)點(diǎn)的地位及作用存在明顯差別，省級(jí)電力通信骨干網(wǎng)中的重要節(jié)點(diǎn)如省級(jí)調(diào)度中心和 500 kV 變電站的地位及作用大于其他節(jié)點(diǎn)，通過圖論評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)重要性時(shí)，此類重要節(jié)點(diǎn)理應(yīng)具有區(qū)別于其他次要節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值。

本文考慮電力通信網(wǎng)行業(yè)背景，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在站點(diǎn)在電網(wǎng)中的影響分析，利用電網(wǎng)影響因子作為通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)權(quán)重的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并定義節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)，將節(jié)點(diǎn)權(quán)重和節(jié)點(diǎn)緊密程度相結(jié)合，全面分析網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械闹匾?，作為識(shí)別網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的依據(jù)，為加強(qiáng)電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理與控制提供參考。

1 電網(wǎng)影響因子

作為電力系統(tǒng)的通信專網(wǎng)，電力通信網(wǎng)具有較強(qiáng)的行業(yè)特點(diǎn)，通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)站點(diǎn)高度重合。從通信網(wǎng)絡(luò)角度來看，電網(wǎng)的各類站點(diǎn)如調(diào)度中心、變電站或電廠僅僅是通信節(jié)點(diǎn)，但實(shí)際上這些節(jié)點(diǎn)所處的電網(wǎng)站點(diǎn)在電網(wǎng)中的地位及作用存在較大區(qū)別。定義電網(wǎng)影響因子，用于分析電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)所處地位和影響力。

電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在站點(diǎn)中有不同類別，如調(diào)度中心、變電站、電廠等，這些站點(diǎn)在電網(wǎng)中存在電壓等級(jí)或管理等級(jí)以及規(guī)模大小的區(qū)別，其等級(jí)的高低能直接反映站點(diǎn)在電網(wǎng)的影響程度；另外，站點(diǎn)負(fù)荷因素，包括站點(diǎn)或其服務(wù)范圍內(nèi)的負(fù)荷等級(jí)和負(fù)荷大小，能間接衡量站點(diǎn)在電網(wǎng)的影響程度。因此從類別因素和負(fù)荷因素兩個(gè)方面分析節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)影響因子，電網(wǎng)影響因子評(píng)價(jià)體系如圖1所示。其中，本文將電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所處場所統(tǒng)稱為“站點(diǎn)”，包括：調(diào)度中心、變電站和電廠等類型。

1.1 站點(diǎn)類別

電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所在站點(diǎn)包括調(diào)度中心、變電站以及電廠等類型，同類站點(diǎn)還區(qū)分電壓等級(jí)或管理等級(jí)，如500 kV 變電站比220 kV 變電站等級(jí)高，影響力大，500 kV 變電站屬于網(wǎng)調(diào)(區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度中心)管轄，220 kV 變電站則受中調(diào)(省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度中心)管轄，站點(diǎn)等級(jí)是站點(diǎn)在電網(wǎng)中的地位的直接反映；另外，站點(diǎn)規(guī)模同樣影響節(jié)點(diǎn)地位，如變電站以規(guī)模大小分為樞紐站、區(qū)域站與終端站，不同規(guī)模的變電站功能與作用不同，相應(yīng)的地位也不同，同時(shí)，調(diào)度中心所管轄站點(diǎn)規(guī)模大小也能區(qū)分調(diào)度中心的影響程度。因此，從站點(diǎn)等級(jí)、站點(diǎn)規(guī)模兩個(gè)因素評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)所在站點(diǎn)類別因素。

圖1 節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子評(píng)價(jià)體系Fig. 1 Evaluation system of power network impact factor

為客觀評(píng)價(jià)站點(diǎn)類別因素，根據(jù)電力企業(yè)生產(chǎn)管理相關(guān)規(guī)定[13]，建立電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所處站點(diǎn)類別因素評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，如表1所示。

表1 站點(diǎn)類別指標(biāo)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Table 1 Evaluation criteria of the station category index

1.2 站點(diǎn)負(fù)荷

(1) 負(fù)荷等級(jí)

對(duì)于直接服務(wù)電力用戶的變電站或者間接服務(wù)電力用戶的調(diào)度節(jié)點(diǎn)、省級(jí)生產(chǎn)單位以及省直調(diào)電廠等節(jié)點(diǎn)，所服務(wù)的用戶重要程度對(duì)于節(jié)點(diǎn)的影響力具有較大影響，因此根據(jù)電力負(fù)荷所服務(wù)的電力用戶等級(jí)區(qū)分站點(diǎn)負(fù)荷等級(jí)。

按照國家相關(guān)規(guī)定，電力用戶分為重要電力用戶和其他電力用戶。重要電力用戶是指在國家或者一個(gè)地區(qū)(城市)的社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)生活中占有重要地位，對(duì)其中斷供電將可能造成人身傷亡、較大環(huán)境污染、較大政治影響、較大經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)公共秩序嚴(yán)重混亂的用電單位或?qū)╇娍煽啃杂刑厥庖蟮挠秒妶鏊?。重要電力用戶名單由供電企業(yè)根據(jù)地方人民政府有關(guān)部門確定的重要電力用戶的行業(yè)范圍及用電負(fù)荷特性提出，經(jīng)縣級(jí)以上地方人民政府有關(guān)部門批準(zhǔn)后，報(bào)電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)備案。根據(jù)供電可靠性的要求及中斷供電危害程度，重要用戶可以分為特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)重要電力用戶和臨時(shí)性重要電力用戶。

特級(jí)重要用戶是指在管理國家事務(wù)中具有特別重要作用，中斷供電將可能危害國家安全的電力用戶；一級(jí)重要用戶是指中斷供電將可能產(chǎn)生重大影響或損失的電力用戶；二級(jí)重要用戶是指中斷供電將可能產(chǎn)生較大影響及損失的電力用戶；臨時(shí)性重要電力用戶，是指需要臨時(shí)特殊供電保障的電力用戶(大型水利樞紐、隧道施工、重大活動(dòng)臨時(shí)保電用戶)。

根據(jù)電力用戶用電管理相關(guān)文件規(guī)定[14]，部分重要用戶等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 重要用戶等級(jí)劃分參照標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Reference standard of important electrical customers

(2) 負(fù)荷大小

站點(diǎn)負(fù)荷的大小是站點(diǎn)影響程度的重要參考指標(biāo)。電網(wǎng)中站點(diǎn)的負(fù)荷大小并非固定值，其隨著電網(wǎng)負(fù)荷變化而變化，但是站點(diǎn)在電網(wǎng)中的負(fù)荷相對(duì)大小則是相對(duì)穩(wěn)定的，因此利用站點(diǎn)在電網(wǎng)所占負(fù)荷比例評(píng)價(jià)站點(diǎn)負(fù)荷大小。站點(diǎn)或其管轄范圍完全故障并對(duì)外停電將會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)減供負(fù)荷，即電網(wǎng)在事故發(fā)生期間的實(shí)際負(fù)荷最大減少量。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在站點(diǎn)或其管轄范圍完全故障并對(duì)外停電造成的電網(wǎng)減供負(fù)荷事故等級(jí)[15]差別作為評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷大小因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合負(fù)荷等級(jí)因素，得到節(jié)點(diǎn)負(fù)荷因素評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表3所示。

1.3 電網(wǎng)影響因子

按照電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子評(píng)價(jià)體系及各因素評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，計(jì)算節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子。

選取因素指標(biāo)集 K= {kn},n =1,2,L ,N ，其中N等于 4，k1、k2、k3、k4分別指代站點(diǎn)等級(jí)、站點(diǎn)規(guī)模、負(fù)荷等級(jí)和負(fù)荷大小四個(gè)因素指標(biāo)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)集 V= {vi}， i =1,2,L ,I 對(duì)因素指標(biāo)的不同要求，按照節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定節(jié)點(diǎn)集的影響力評(píng)分值表示節(jié)點(diǎn) vi所在站點(diǎn)在因素指標(biāo) kn下的影響力評(píng)分，取值根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定。其數(shù)值表示節(jié)點(diǎn)在指標(biāo)kn的相對(duì)影響程度評(píng)分。通過節(jié)點(diǎn)影響力評(píng)分計(jì)算因素指標(biāo) kn下的節(jié)點(diǎn)相對(duì)影響力矩陣

表3 站點(diǎn)負(fù)荷因素評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Table 3 Evaluation criteria of the station load index

對(duì)同一指標(biāo)kn下的節(jié)點(diǎn)相對(duì)影響力矩陣的行向量元素進(jìn)行求和，得到因素指標(biāo) kn下節(jié)點(diǎn)相對(duì)影響力矩陣，該矩陣衡量在一個(gè)指標(biāo)下各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)影響力。

節(jié)點(diǎn)相對(duì)影響力矩陣僅僅描述了節(jié)點(diǎn)在一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的相對(duì)影響力，為綜合不同指標(biāo)下的節(jié)點(diǎn)相對(duì)影響力，將相對(duì)影響力進(jìn)行相加求和，得到節(jié)點(diǎn)綜合相對(duì)影響力矩陣，該矩陣是節(jié)點(diǎn)在不同指標(biāo)下相對(duì)影響力的融合，反映了節(jié)點(diǎn)在不同因素指標(biāo)下的綜合相對(duì)影響力大小。

為避免節(jié)點(diǎn)影響力評(píng)價(jià)結(jié)果之間的差異過大或過小，本文采用基于隸屬度的歸一化方法對(duì)綜合相對(duì)影響力矩陣進(jìn)行處理，得到節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子值。采用的高斯隸屬函數(shù)表達(dá)式為設(shè)定式(3)中參數(shù) c 和s就可得到隸屬函數(shù)曲線的形狀和位置。

將高斯型隸屬函數(shù)的參數(shù)c和s定義為

將上述參數(shù)的定義代入式(3)，得到節(jié)點(diǎn) vi的電網(wǎng)影響因子值：

2 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別

在電力通信網(wǎng)中，重要節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中的其他重要節(jié)點(diǎn)連接的緊密程度越高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越合理，網(wǎng)絡(luò)相對(duì)越可靠。傳統(tǒng)方法往往缺乏考慮網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用背景，忽略節(jié)點(diǎn)自身在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中的影響程度，如電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所處的電網(wǎng)站點(diǎn)在電網(wǎng)中的地位及作用。

定義節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)，表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)距離其他節(jié)點(diǎn)并考慮節(jié)點(diǎn)權(quán)重的加權(quán)平均最短距離。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)權(quán)重是描述節(jié)點(diǎn)脫離于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自身地位和作用屬性的指標(biāo)?？紤]電力通信網(wǎng)的應(yīng)用背景，將電網(wǎng)影響因子作為節(jié)點(diǎn)權(quán)重的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑描述節(jié)點(diǎn)之間距離，網(wǎng)絡(luò)平均最短距離反映網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的緊密程度，可用于衡量網(wǎng)絡(luò)整體連接可靠性。但是，平均最短距離僅僅從拓?fù)浣嵌瓤紤]，忽略了節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重區(qū)別。聚合系數(shù)考慮節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)別，能用于衡量節(jié)點(diǎn)與不同權(quán)重節(jié)點(diǎn)之間的平均距離，權(quán)重值大的重要節(jié)點(diǎn)在該節(jié)點(diǎn)周邊的分布越密集，則該節(jié)點(diǎn)的聚合系數(shù)越高。聚合系數(shù)的性質(zhì)在電力通信網(wǎng)中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，如調(diào)度中心承擔(dān)著電力系統(tǒng)的監(jiān)視與控制任務(wù)，需處理大量電力業(yè)務(wù)信息，重要節(jié)點(diǎn)在調(diào)度中心周邊的分布越密集，電力通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)越合理，網(wǎng)絡(luò)可靠性越高，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)越低。因此，節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)為

式中：V 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集；iW 為節(jié)點(diǎn) vi的節(jié)點(diǎn)權(quán)重值。本文中采用電網(wǎng)影響因子節(jié)點(diǎn)權(quán)重； (,)dkz為節(jié)點(diǎn)vk與 vz之間的最短路徑值；為節(jié)點(diǎn) vk的聚合系數(shù)；是節(jié)點(diǎn) v與 v之間的最短路徑的倒數(shù)，kz表示兩節(jié)點(diǎn)間的緊密度，節(jié)點(diǎn)間距離越短，其值越大，節(jié)點(diǎn)間緊密度越高。節(jié)點(diǎn)緊密度取值范圍為(0,1]，當(dāng)緊密度值為 1 時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)直接連接，此時(shí)兩節(jié)點(diǎn)連接最緊密。

以節(jié)點(diǎn) vk為中心，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)之間的緊密度，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)本身的權(quán)重，得到能反映該節(jié)點(diǎn)周邊節(jié)點(diǎn)分布平均緊密程度的指標(biāo)Lk，即為節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)。節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)越大，重要節(jié)點(diǎn)在其周邊的分布越密集，網(wǎng)絡(luò)重心距離節(jié)點(diǎn)vk越近，相應(yīng)地節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的地位越重要，該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所處位置越關(guān)鍵。

節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)描述了節(jié)點(diǎn)的重要性及其與重要節(jié)點(diǎn)的連接狀況，能反映節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械牡匚?。?jié)點(diǎn)聚合系數(shù)能夠結(jié)合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用背景識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并通過保護(hù)或者備份關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，提高電力通信網(wǎng)抵抗攻擊的能力，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力，從而降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3 算例分析

根據(jù)某省電力通信傳輸骨干網(wǎng)，得到仿真網(wǎng)絡(luò)模型[16]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 算法仿真網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 2 Network model for simulation

圖2 中的網(wǎng)絡(luò)有 14 個(gè)節(jié)點(diǎn)、16 條鏈路，其中1 號(hào)節(jié)點(diǎn)為省級(jí)調(diào)度中心(中調(diào))，13 號(hào)節(jié)點(diǎn)為地區(qū)調(diào)度中心(地調(diào))，14 號(hào)節(jié)點(diǎn)為 220 kV 變電站，其余節(jié)點(diǎn)均為 500 kV 變電站。節(jié)點(diǎn)集為 v={v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8, v9, v10, v11, v12, v13, v14}。

3.1 電網(wǎng)影響因子計(jì)算

對(duì)該網(wǎng)絡(luò)模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所處站點(diǎn)類別因素評(píng)價(jià)準(zhǔn)則得到網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)實(shí)際情況，得到類別指標(biāo)和負(fù)荷指標(biāo)各指標(biāo)評(píng)價(jià)因素內(nèi)容如表4所示。

按照表4評(píng)價(jià)內(nèi)容對(duì)實(shí)例網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析得到各節(jié)點(diǎn)因素指標(biāo)及相對(duì)影響值如表5所示。

表4 電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子評(píng)價(jià)指標(biāo)因素內(nèi)容Table 4 Content of the index of power network impact factor in power communication network

表5 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)指標(biāo)及相對(duì)影響值Table 5 Indicators and relative influence value in the network

將表5 各節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)相對(duì)影響值代入式(1)和式(2)，得到節(jié)點(diǎn)綜合相對(duì)影響值矩陣 A：。設(shè)定歸一化參數(shù)e=0.15，對(duì)節(jié)點(diǎn)綜合相對(duì)影響值矩陣 Asum進(jìn)行歸一化運(yùn)算，得到網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子，即節(jié)點(diǎn)權(quán)重值如表6所示。

表6 電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of the nodes weight in the electric power communication network

根據(jù)表6 計(jì)算結(jié)果，位于中調(diào)節(jié)點(diǎn) v1的電網(wǎng)影響因子值為 0.967 6，大于其他節(jié)點(diǎn)，與其在電網(wǎng)的地位與電網(wǎng)影響因子相符；而位于 500 kV 變電站節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)影響因子值從 0.33 到 0.76 變化，但均大于220 kV 變電站 0.218 8 的取值，與變電站電壓等級(jí)高低相符合；位于地調(diào)的節(jié)點(diǎn) v13電網(wǎng)影響因子為0.596 0，小于中調(diào)節(jié)點(diǎn)及部分 500 kV 變電站，大于220 kV 變電站，符合各站點(diǎn)之間的管理關(guān)系。

綜合分析，節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子結(jié)果反映節(jié)點(diǎn)所處站點(diǎn)在電網(wǎng)中的相對(duì)影響力，可用于刻畫電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)權(quán)重。

3.2 節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)計(jì)算

求解圖2網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，并將節(jié)點(diǎn)權(quán)重值結(jié)果代入式(7)，得到網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)，并與介數(shù)法[17]和三角模融合法[18]進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7 計(jì)算結(jié)果，節(jié)點(diǎn) v1與 v2的聚合系數(shù)值相對(duì)最大，網(wǎng)絡(luò)中各重要節(jié)點(diǎn)與這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接緊密程度相近。節(jié)點(diǎn) v1的聚合系數(shù)值稍大，為 0.555 5，選取節(jié)點(diǎn) v1作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，即中調(diào)節(jié)點(diǎn)是合理的，中調(diào)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置與其權(quán)重地位相匹配。另外，節(jié)點(diǎn) v2和 v11的權(quán)重也很大，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)也較大，而節(jié)點(diǎn)是地調(diào)節(jié)點(diǎn)，是區(qū)域性的調(diào)度中心，其管轄范圍并不大，其聚合系數(shù)相應(yīng)較小。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械牡匚换九c各節(jié)點(diǎn)權(quán)重地位相適應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。

介數(shù)法根據(jù)節(jié)點(diǎn)介數(shù)值區(qū)分節(jié)點(diǎn)的相對(duì)重要性，但存在無法區(qū)分網(wǎng)絡(luò)邊沿節(jié)點(diǎn)重要性的問題。如表7 中，節(jié)點(diǎn) v3、v6、v7、v12與 v14的介數(shù)值均為0，但這些節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位與作用仍存在區(qū)別，如節(jié)點(diǎn) v3聚合系數(shù)為 0.463 8，比節(jié)點(diǎn) v6的聚合系數(shù) 0.383 2 大，即網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn) v3的連接緊密程度更大，在網(wǎng)絡(luò)中處于更加關(guān)鍵的位置，相應(yīng)具有更大的節(jié)點(diǎn)重要性。

表7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)聚合系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of the polymerization indexes in the electric power communication network

相對(duì)于三角模融合法，本算法考慮節(jié)點(diǎn)本身的地位與影響，即節(jié)點(diǎn)權(quán)重值，能進(jìn)一步區(qū)分節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刑幱谙嗨莆恢玫墓?jié)點(diǎn)的相對(duì)重要程度，如節(jié)點(diǎn) v5與 v10在網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)涞闹匾韵嘟杀?，節(jié)點(diǎn) v10的權(quán)重比節(jié)點(diǎn) v5的大，且節(jié)點(diǎn) v10附近的重要節(jié)點(diǎn)分布更為密集，對(duì)于維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)重值大的節(jié)點(diǎn)之間的連通性，節(jié)點(diǎn) v10的作用更為重要，即節(jié)點(diǎn) v10相對(duì)于節(jié)點(diǎn) v5具有更關(guān)鍵的地位。本算法考慮了節(jié)點(diǎn)權(quán)重，能夠更加全面地描述節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械牡匚唬瑴?zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以便于加權(quán)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的維護(hù)與管理，對(duì)于加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全管理，降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)具有較大意義。因此聚合系數(shù)在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文從電力通信網(wǎng)的行業(yè)背景出發(fā)，提出電網(wǎng)影響因子的概念，根據(jù)電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所處的電網(wǎng)站點(diǎn)在電網(wǎng)中的地位及作用分析節(jié)點(diǎn)的地位和影響，即根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在站點(diǎn)的類別因素和負(fù)荷因素分析節(jié)點(diǎn)權(quán)重。結(jié)合所定義的聚合系數(shù)指標(biāo)，分析電力通信網(wǎng)中重要節(jié)點(diǎn)的分布密集狀況，得到各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械南鄬?duì)重要性。仿真表明，算法能夠區(qū)分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)位置相似的節(jié)點(diǎn)的重要性，在電力通信網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析中具有較大的應(yīng)用價(jià)值，能為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析提供參考。

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(編輯 魏小麗)

Crucial node decision algorithm based on power network impact factor in electric power communication network

ZENG Ying1, ZHU Wenhong1, DENG Boren1, LUO Yun2
(1. Power Dispatch and Control Center of Guangdong Power Grid Corp, Guangzhou 510600, China; 2. Sichuan Enrising Information Technology Co., Ltd., Chengdu 610093, China)

As the exclusive communication network for power system, the electric power communication network has obvious characteristics of the electric power industry. In order to identify the crucial nodes of network accurately, the index of power network impact factor is proposed based on the special relationship between power system and power communication network. The nodes weights are evaluated on the basis of the category factor and the load factor, namely the position and function in the station where the nodes belong. Meanwhile, combining with a new definition for coefficient polymerization indexes, it analyzes the distribution state of the critical nodes. The simulation results show that the proposed algorithms can distinguish the importance degree of the nodes with similar topological positions by combining the application characteristics of power communication network, and has great reference value in power communication network operational risk analysis.

electric power communication network; critical nodes; power network impact factor; coefficient polymerization

TM73

1674-3415(2016)02-0102-07

2015-04-06；

2015-06-18

曾 瑛(1972-)，女，工程師，從事電力通信網(wǎng)系統(tǒng)分析、運(yùn)行方式管理等工作；

朱文紅(1972-)，女，工程師，從事電力系統(tǒng)通信網(wǎng)運(yùn)維和管理工作；

鄧博仁(1991-)，男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信與信息處理。E-mail: dengboren@ncepu.edu.cn