考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別

崔力民，耿子惠，舒勤，王鑫

(1．華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市102206；2．國(guó)網(wǎng)新疆電力公司信息通信公司，烏魯木齊市830018；3．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都市610065)

考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別

崔力民1,2，耿子惠3，舒勤3，王鑫2

(1．華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市102206；2．國(guó)網(wǎng)新疆電力公司信息通信公司，烏魯木齊市830018；3．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都市610065)

電力通信網(wǎng)作為電網(wǎng)的支撐網(wǎng)絡(luò)，其可靠運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行有著重要意義。為了識(shí)別電力通信網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出了一種考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別方法。首先，構(gòu)建電力-通信復(fù)合系統(tǒng)，其次，分別構(gòu)建電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)體系、鏈路評(píng)價(jià)體系和通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)體系、鏈路評(píng)價(jià)體系，然后采用TOPSIS算法分別求得電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度、鏈路重要度以及通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度、鏈路重要度。最后，通過特定的代數(shù)運(yùn)算，將電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度與通信網(wǎng)自身的重要度結(jié)合起來，分別求得考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、鏈路重要度值，并依據(jù)重要度值，識(shí)別出電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。某省實(shí)際電力通信網(wǎng)仿真結(jié)果表明，該方法可以有效地識(shí)別出關(guān)鍵環(huán)節(jié)，證明了該方法的可行性。

電力通信網(wǎng)；多屬性決策；賦權(quán)法；節(jié)點(diǎn)重要度；鏈路重要度

0 引 言

隨著電力網(wǎng)的不斷建設(shè)，在電力網(wǎng)大規(guī)模互聯(lián)的趨勢(shì)下，電力網(wǎng)的規(guī)模不斷增大，電力通信網(wǎng)作為電力系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度自動(dòng)化和企業(yè)管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，其規(guī)模也在不斷增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜化。研究表明，電力通信網(wǎng)中某些重要節(jié)點(diǎn)和鏈路受到攻擊并失效后，往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力通信網(wǎng)絡(luò)的崩潰[1]，因此，識(shí)別電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)并加以保護(hù)，對(duì)于電力通信網(wǎng)可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。

電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵鏈路，本文用節(jié)點(diǎn)重要度和鏈路重要度衡量節(jié)點(diǎn)和鏈路的關(guān)鍵程度。由于電力通信網(wǎng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的支撐網(wǎng)絡(luò)，因此，電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度對(duì)電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識(shí)別有很重要的作用。

目前，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的重要度評(píng)估本質(zhì)上都是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]采用基于節(jié)點(diǎn)刪除的評(píng)價(jià)方法來評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)重要度。但是，如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)的刪除都導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不連通，則這些節(jié)點(diǎn)的重要度是相同的，該方法沒有考慮節(jié)點(diǎn)自身的屬性。文獻(xiàn)[3-4]采用基于節(jié)點(diǎn)收縮的方法，把收縮后節(jié)點(diǎn)的凝聚度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。但是，如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)收縮后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢拢瑒t這些節(jié)點(diǎn)重要度也是相同的，該方法沒有考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶厥庑浴Ｎ墨I(xiàn)[5]采用介數(shù)法，直接選取節(jié)點(diǎn)的介數(shù)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。但是，對(duì)于一些邊緣節(jié)點(diǎn)，其介數(shù)值相同，該方法無法加以區(qū)分。目前對(duì)于電力通信網(wǎng)鏈路的研究較少，文獻(xiàn)[6]對(duì)通信鏈路的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)其重要度。由于現(xiàn)有信息的不完善，該方法存在較大的不準(zhǔn)確性。此外，這些方法考慮因素都比較單一，均沒有考慮電網(wǎng)與電力通信網(wǎng)的關(guān)聯(lián)性，因此評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的局限性。

基于以上分析，本文提出一種考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別方法。首先構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，采用多屬性決策分析法，求得電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和鏈路的重要度，然后考慮電網(wǎng)影響因素，求得電網(wǎng)影響因子，最后定義一種運(yùn)算，將電網(wǎng)影響因子和電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及鏈路的重要度結(jié)合起來，最終求得電網(wǎng)影響下的電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及鏈路的重要度。從而識(shí)別出電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為加強(qiáng)電力通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)管控提供了重要依據(jù)。

1 構(gòu)建電力-通信復(fù)合系統(tǒng)

構(gòu)建的電力-通信復(fù)合系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電力-通信復(fù)合系統(tǒng)Fig.1 Power-communications composite system

首先建立電力網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，按經(jīng)典圖論理論的規(guī)則，將其抽象為僅由節(jié)點(diǎn)和邊組成的簡(jiǎn)單圖。將發(fā)電廠、變電站和變壓器簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)，高壓輸電線簡(jiǎn)化為邊,這樣就把電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一個(gè)無向無權(quán)的網(wǎng)絡(luò)[7]。對(duì)一個(gè)有m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力網(wǎng)，構(gòu)造連接矩陣AP=(ap,ij)m×m，當(dāng)i=j時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)本身，ap,ij=1；當(dāng)i≠j時(shí)，表示兩節(jié)點(diǎn)間相連鏈路，若兩節(jié)點(diǎn)間沒有鏈路相連，ap,ij=0，若兩節(jié)點(diǎn)有鏈路相連，ap,ij=1。

同樣，將通信場(chǎng)站抽象為節(jié)點(diǎn)，光纖傳輸線路抽象描述為支路，將通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)無向無權(quán)的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)一個(gè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)，構(gòu)造連接矩陣AC=(ac,ij)N×N,當(dāng)i=j時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)本身，ac,ij=1；當(dāng)i≠j時(shí)，表示兩節(jié)點(diǎn)間相連鏈路，若兩節(jié)點(diǎn)間沒有鏈路相連，ac,ij=0 ，若兩節(jié)點(diǎn)間有鏈路相連，ac,ij=1。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系

構(gòu)建的電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系Fig.2 Evaluation system of electric power system layer node importance

設(shè)基于圖論的方法，構(gòu)建電力網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，G=(V,E)設(shè)為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]，其中，V={v1,v2,…,vn}是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集,V=n;E={e1,e2,…,em}是網(wǎng)絡(luò)無向鏈路集,E=m。

(1)度中心度。測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)與所有其他節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的程度，度中心度越高，節(jié)點(diǎn)越重要[9]。定義節(jié)點(diǎn)i與其他節(jié)點(diǎn)直接相關(guān)聯(lián)的邊數(shù)為ki，則節(jié)點(diǎn)i的度中心度CDi可表示為

CDi=ki/(n-1)

(1)

(2)緊密中心度。緊密中心度反映網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的接近程度[10]，緊密中心度越大，表明節(jié)點(diǎn)越處于網(wǎng)絡(luò)的中心位置，節(jié)點(diǎn)越重要。定義節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的最短路徑中包含邊的數(shù)量為dij，則節(jié)點(diǎn)i的緊密中心度CCi可表示為

CCi=(n-1)/∑Nj=1dij

(2)

(3)中介中心度。中介中心度是以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑數(shù)目刻畫節(jié)點(diǎn)重要性的指標(biāo)[11]。網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的次數(shù)越多，則該節(jié)點(diǎn)越重要，因此，中介中心度越高，節(jié)點(diǎn)越重要。定義網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)j和k之間最短路徑總數(shù)為gjk，其中，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i的最短路徑條數(shù)為gjk(i)，則節(jié)點(diǎn)i的中介中心度CBi可表示為

CBi=2n(n-1)∑j≠i≠k∈Vgjk(i)gjk

(3)

(4)節(jié)點(diǎn)類型。節(jié)點(diǎn)類型指電力站點(diǎn)類型，包括發(fā)電廠，不同等級(jí)變電站等。采用專家打分法，賦予不同節(jié)點(diǎn)類型不同的相對(duì)影響力值[12]。對(duì)不同類型節(jié)點(diǎn)賦值如下： 500kV變電站5分，220kV變電站3分，110kV變電站1分。

(5)節(jié)點(diǎn)容量。節(jié)點(diǎn)容量用視在功率標(biāo)幺值表示[13]。

2.2 電力系統(tǒng)層鏈路重要度評(píng)價(jià)體系

構(gòu)建的電力系統(tǒng)層鏈路重要度評(píng)價(jià)體系如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)層鏈路重要度評(píng)價(jià)體系Fig.3 Evaluation system of electric power system layer link importance

(1)線路阻抗。本文采用線路單位阻抗，取單位阻抗的倒數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成效益型指標(biāo)[14]，即數(shù)值越大越好的指標(biāo)。

(2)傳送功率。線路的傳送功率用視在功率表示,設(shè)線路傳輸?shù)挠泄β蕿镻，線路傳輸?shù)臒o功功率為Q,則傳送功率S可用式(4)計(jì)算：

S=P2+Q2

(4)

(3)電壓等級(jí)。電壓等級(jí)指鏈路電壓等級(jí)。

(4)線路兩端度。設(shè)k′i，k′j分別是線路兩端節(jié)點(diǎn)i，j的度，則線路兩端度kij可用式(5)計(jì)算:

kij=k′i+k′j-1

(5)

2.3 通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系

構(gòu)建的通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系如圖4所示。

圖4 通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系Fig.4 Evaluation system of communication system layer node importance

其中，度中心度，緊密中心度，中介中心度，定義同電力系統(tǒng)層。

(1)節(jié)點(diǎn)類型。節(jié)點(diǎn)類型指通信節(jié)點(diǎn)所處電網(wǎng)站點(diǎn)類型，包括調(diào)度中心、不同等級(jí)變電站、發(fā)電廠等[15]。本文采用專家打分方法，賦予不同類型的通信節(jié)點(diǎn)影響力值。對(duì)不同類型節(jié)點(diǎn)賦值情況如下：500 kV變電站5分，省級(jí)調(diào)度中心(以下簡(jiǎn)稱“省調(diào)”)4分，220 kV變電站3分，地區(qū)調(diào)度中心(以下簡(jiǎn)稱“地調(diào)”)2分，110 kV變電站1分。

(2)節(jié)點(diǎn)流量。由于節(jié)點(diǎn)流量并非固定值，因此根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，將不同節(jié)點(diǎn)平均流量劃分等級(jí)[16]，為方便量化，等級(jí)不同評(píng)分不同。

2.4 通信系統(tǒng)層鏈路重要度評(píng)價(jià)體系

構(gòu)建的通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系如圖5所示。

圖5 通信系統(tǒng)層鏈路重要度評(píng)價(jià)體系Fig.5 Evaluation system of communication system layer link importance

(1)線路帶寬。線路帶寬指通信鏈路分配帶寬[17]。

(2)鏈路介數(shù)。鏈路介數(shù)指通信網(wǎng)中所有最短路徑中經(jīng)過該邊的路徑的數(shù)目占最短路徑總數(shù)的比例[18]。

(3)線路兩端度。同電力系統(tǒng)層線路兩端度。

3 電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別

采用TOPSIS算法，將電力網(wǎng)及通信網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路看作一個(gè)方案[19]，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)看作方案的屬性，將節(jié)點(diǎn)和鏈路重要性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為多屬性決策問題。

設(shè)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)體系中，總共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，評(píng)價(jià)體系中共有M個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。第i個(gè)節(jié)點(diǎn)(鏈路)，第j項(xiàng)指標(biāo)的值記為xij。

(1)構(gòu)造規(guī)范化矩陣。

構(gòu)造決策矩陣X=(xij)N×M,對(duì)決策矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)成規(guī)范化決策矩陣R=(rij)N×M。

對(duì)于效益型指標(biāo)：

rij=xij-xminjxmaxj-xminj

(6)

對(duì)于成本型指標(biāo)：

rij=xmaxj-xijxmaxj-xminj

(7)

式中：xmaxj=maxxij1≤i≤N；xminj=minxij1≤i≤N。

(2)計(jì)算權(quán)重向量W。

采用將熵權(quán)法和層次分析法結(jié)合的綜合權(quán)重確定方法。層次分析法采用專家打分的方法[20]，將評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造比較判別矩陣，計(jì)算出主觀權(quán)重向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最后計(jì)算出第j項(xiàng)指標(biāo)的主觀權(quán)重w1j。熵權(quán)法是根據(jù)各指標(biāo)所包含的信息量的大小來確定指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)法[21]。

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej：

ej=-k∑Ni=1PijlnPij

(8)

Pij=rij/∑Ni=1rij

(9)

k=1lnN

(10)

則第j項(xiàng)指標(biāo)基于熵權(quán)法的權(quán)重w2j的計(jì)算公式如下：

w2j=1-ej∑Mj=1(1-ej)

(11)

確定綜合權(quán)重wj：

wj=w1jw2j∑Mj=1w1jw2j

(12)

式中wj滿足0≤wj≤1，∑Mj=1wj=1。

即得到權(quán)重向量W=[w1,w2,…,wj, …,wM]。

(3)構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣Y。

將權(quán)重向量與規(guī)范化矩陣結(jié)合，構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣Y：

Y=(yij)N×M=r11r12…r1M
r21r22…r2M
????
ri1…rij…
????
rN1rN2…rNMw10?0
0w2…0
????
0…wj…
????
00…wM

(13)

(4)計(jì)算相對(duì)貼近度。

基于加權(quán)規(guī)范化矩陣Y，計(jì)算指標(biāo)j的正負(fù)理想解。所謂的正理想解就是某一個(gè)指標(biāo)中最優(yōu)值，反之就是負(fù)理想解。

正理想解：

Fj+={maxi∈L(yi1,…,yiM)}={ymax1,…,ymaxM}

(14)

負(fù)理想解：

Fj-={mini∈L(yi1,…,yiM)}={ymin1,…,yminM}

(15)

式中L={1,…,N}。

計(jì)算評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)值與正負(fù)理想值之間的歐式距離。

到正理想解的距離：

D+i=∑Mj=1(yij-ymaxj)2,i=1,2,…N

(16)

到負(fù)理想解的距離：

D-i=∑Mj=1(yij-yminj)2,i=1,2,…N

(17)

每個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路的相對(duì)貼近度：

Zi=D-i/(D+i+D-i),i=1,2,…N

(18)

節(jié)點(diǎn)或鏈路的相對(duì)貼近度即為節(jié)點(diǎn)或鏈路的重要度[22]。

由前文的評(píng)價(jià)體系，可以分別計(jì)算出電力系統(tǒng)層每個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要度zpi，每條鏈路的重要度zp(i,j)；通信系統(tǒng)層每個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要度zci，每條鏈路的重要度zc(i,j)。

考慮電力系統(tǒng)層與通信系統(tǒng)層的相互影響，同時(shí)避免重復(fù)計(jì)算，定義運(yùn)算：

a⊕b=a+b-a×b

(19)

(5)考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的通信節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算。

由于電力節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn)并非一一對(duì)應(yīng)，因此在數(shù)量上可能不一致，有可能出現(xiàn)一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的情況[23]。本文定義節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度npi。

若通信節(jié)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)一個(gè)電力節(jié)點(diǎn)j，則節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度即為該電力節(jié)點(diǎn)的重要度值。

npi=zpj

(20)

式中zpj是電力節(jié)點(diǎn)j的重要度。

若通信節(jié)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)，則將這些電力節(jié)點(diǎn)等效成一個(gè)電力節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度為所有相連電力節(jié)點(diǎn)重要度的和。

npi=∑j∈Bzpj

(21)

式中B是與通信節(jié)點(diǎn)i相連的所有電力節(jié)點(diǎn)的集合。

考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的通信節(jié)點(diǎn)重要度ni可以用下式計(jì)算：

ni=npi⊕zci

(22)

(6)考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的通信鏈路重要度計(jì)算。

由于通信鏈路與電力鏈路不是一一對(duì)應(yīng)[24]，本文定義鏈路電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度lp(i,j)。

若與某通信鏈路兩端節(jié)點(diǎn)i、j相連的電力節(jié)點(diǎn)k、l間有直接相連的鏈路，則該鏈路的電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度即為這條電力鏈路的重要度值。

lp(i,j)=zp(k,l)

(23)

式中zp(k,l)是鏈路的重要度。

若與某通信鏈路兩端節(jié)點(diǎn)i、j相連的電力節(jié)點(diǎn)k、l間沒有直接相連的鏈路，則選擇節(jié)點(diǎn)k、l間的最短路徑，此最短路徑不考慮鏈路長(zhǎng)度，將每條鏈路值均設(shè)為1[25]。將最短路徑經(jīng)過的所有鏈路等效成一條路徑，鏈路電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度是最短路徑經(jīng)過所有鏈路的重要度的乘積。

lp(i,j)=∏(k,l)∈Czp(k,l)

(24)

式中C是電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)k、節(jié)點(diǎn)l間最短路徑包含的所有路徑的集合。

考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的通信鏈路重要度li可用式(25)計(jì)算：

li=lp(i,j)⊕zc(i,j)

(25)

4 仿真研究

圖6為10-9節(jié)點(diǎn)復(fù)合系統(tǒng)。虛線表示電力節(jié)點(diǎn)與通信節(jié)點(diǎn)有連接。設(shè)電力系統(tǒng)層有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)如圖6所示。通信系統(tǒng)層有9個(gè)節(jié)點(diǎn)，為了方便計(jì)算，將其按照與電力系統(tǒng)層的連接情況標(biāo)記序號(hào)，如圖6所示。

圖6 電力10節(jié)點(diǎn)-通信9節(jié)點(diǎn)復(fù)合系統(tǒng)Fig.6 Composite system with ten-nodes electric power and nine-nodes communication

設(shè)電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)2，3，6，7是500 kV變電站，節(jié)點(diǎn)1，4，5，8是220 kV變電站，節(jié)點(diǎn)9，10是110 kV變電站。通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)7是省調(diào)，節(jié)點(diǎn)8是地調(diào)。

電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 1 Calculation results of electric power system layer node index

節(jié)點(diǎn)類型指標(biāo)按照上文所給定義，賦予其影響力值。根據(jù)公式(6)、(7)將各指標(biāo)值歸一化，構(gòu)成規(guī)范化決策矩陣R。

根據(jù)公式(8)到(11)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值，電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)權(quán)重
Table 2 Index weight of nodes in electric power system layer

將權(quán)重值與規(guī)范化矩陣結(jié)合，構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣Y。計(jì)算出電力系統(tǒng)層各節(jié)點(diǎn)相對(duì)貼近度Zi，即得到電力系統(tǒng)層各節(jié)點(diǎn)重要度。

同樣，通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 3 Calculation results of communication system layer node index

同樣，節(jié)點(diǎn)類型指標(biāo)按照上文所給定義，賦予其不同的影響力值，根據(jù)公式(6)、(7)將各指標(biāo)值歸一化，構(gòu)成規(guī)范化決策矩陣。

根據(jù)公式(8)到(11)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值，通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)權(quán)重
Table 4 Index weight of nodes in communication system layer

將權(quán)重值與規(guī)范化矩陣結(jié)合，構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣。計(jì)算出通信系統(tǒng)層各節(jié)點(diǎn)相對(duì)貼近度,即為通信系統(tǒng)層各節(jié)點(diǎn)重要度。

根據(jù)公式(20)、(21)，將電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)重要度轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度。根據(jù)公式(22)計(jì)算出考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的通信節(jié)點(diǎn)重要度，并與介數(shù)法[26]，未考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的TOPSIS算法[27]進(jìn)行比較，如圖7所示。由于電力系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)1(重要度0.3989)和節(jié)點(diǎn)10(重要度0.0142)均和通信系統(tǒng)層節(jié)點(diǎn)1有通信連接，因此，將電力節(jié)點(diǎn)1和電力節(jié)點(diǎn)10的重要度疊加在通信節(jié)點(diǎn)1上。

圖7 節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.7 Calculation results comparison of node importance

由圖7可以看出，節(jié)點(diǎn)7具有最大的重要度，在電力通信網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)7為省調(diào)，具有核心地位，因此重要度最高。節(jié)點(diǎn)9具有最小的重要度，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)9為110 kV變電站，且位于電力通信網(wǎng)邊沿位置，因此重要度較低，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符合。

介數(shù)法是以各個(gè)節(jié)點(diǎn)的介數(shù)值作為評(píng)估節(jié)點(diǎn)重要度的依據(jù)，但是該方法無法區(qū)分邊沿節(jié)點(diǎn)的重要度，文中算例中，節(jié)點(diǎn)9為邊沿節(jié)點(diǎn)，介數(shù)法計(jì)算出其重要度為0，若是存在多個(gè)邊沿節(jié)點(diǎn)，則無法區(qū)分其重要度。而本文算法則可以區(qū)分邊沿節(jié)點(diǎn)重要度。

相對(duì)于以往的TOPSIS算法，本文考慮了電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度，結(jié)合了電力因素和通信因素，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具合理性。由圖7可以看出，本文算法中，節(jié)點(diǎn)1的重要度得到了較大程度的提升，因?yàn)樵谕ㄐ啪W(wǎng)中，雖然節(jié)點(diǎn)1拓?fù)湮恢貌恢匾?，?jié)點(diǎn)類型也不重要，但是電網(wǎng)有2個(gè)節(jié)點(diǎn)與其通信，因此，應(yīng)該具有較高的重要度，考慮了電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度后，評(píng)價(jià)結(jié)果明顯更合理。TOPSIS算法中，節(jié)點(diǎn)4的重要度低于節(jié)點(diǎn)5，而本文算法中，節(jié)點(diǎn)4重要度高于節(jié)點(diǎn)5。因?yàn)樵陔娋W(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)4有較大的容量，因此相對(duì)同級(jí)別的節(jié)點(diǎn)5，具有更重要的地位，因此通信網(wǎng)中，與電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)4直接通信連接的通信節(jié)點(diǎn)4重要度更為重要。評(píng)價(jià)結(jié)果更具合理性。

評(píng)估鏈路重要度，首先對(duì)電力系統(tǒng)層鏈路進(jìn)行評(píng)估。電力系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)公式(6)、(7)將各指標(biāo)值歸一化，構(gòu)成規(guī)范化決策矩陣。

根據(jù)公式(8)到(11)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值，電力系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)比較值及權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 電力系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 5 Calculation results of electric power system layer link index

表6 電力系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)權(quán)重Table 6 Index weight of link in electric power system layer

將權(quán)重值與規(guī)范化矩陣結(jié)合，構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣。計(jì)算出電力系統(tǒng)層各鏈路相對(duì)貼近度，即得到電力系統(tǒng)層各鏈路重要度。

同樣，通信系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 通信系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 7 Calculation results of link index in communication system layer

根據(jù)公式(6)、(7)將各指標(biāo)值歸一化，構(gòu)成規(guī)范化決策矩陣。

根據(jù)公式(8)到(11)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值，通信系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 通信系統(tǒng)層鏈路各指標(biāo)權(quán)重
Table 8 Index weight of link in communication system layer

將權(quán)重值與規(guī)范化矩陣結(jié)合，構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣。計(jì)算出通信系統(tǒng)層各鏈路相對(duì)貼近度，即為通信系統(tǒng)層各鏈路重要度。

根據(jù)公式(23)、(24)，將電力系統(tǒng)層鏈路重要度轉(zhuǎn)化成鏈路電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度。根據(jù)公式(25)，計(jì)算出考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的通信鏈路重要度，并與介數(shù)法[28]，未考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的TOPSIS算法進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 鏈路重要度計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8 Calculation results comparison of link importance

由圖8可以看出，鏈路(7,8)具有最大的重要度，節(jié)點(diǎn)7是省調(diào)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)8是地調(diào)節(jié)點(diǎn)，在通信網(wǎng)中，該鏈路占據(jù)最重要地位。鏈路(8,9)重要度最低，由于在通信網(wǎng)中該鏈路處于邊緣，且傳輸較為不重要節(jié)點(diǎn)信息，因此重要度最低。評(píng)價(jià)結(jié)果具有合理性。

介數(shù)法是以邊介數(shù)為評(píng)估鏈路重要度的依據(jù)。由對(duì)比圖可以看出，相對(duì)于介數(shù)法，本文算法中，鏈路(2,7)的重要度得到了很大提升。鏈路(2,7)為省調(diào)與500 kV變電站間的鏈路，雖然邊介數(shù)值較小，但是由于傳輸較為重要站點(diǎn)信息，因此在實(shí)際電網(wǎng)中占據(jù)較為重要的位置。本文算法的評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。相對(duì)于TOPSIS算法，鏈路(3,6)的重要度得到明顯提高，因?yàn)榭紤]到電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度，鏈路(3,6)傳輸電網(wǎng)中更為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)的信息。因此具有較高的重要度。

5 結(jié) 論

本文提出了一種考慮電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別方法，相對(duì)于以往的方法，該方法綜合了電力通信網(wǎng)自身因素和電網(wǎng)關(guān)聯(lián)度，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具合理性。此外，該方法具有很好的擴(kuò)展性，通過評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的完善，可以使得評(píng)價(jià)結(jié)果更為科學(xué)。

本文提出的方法具有較大的應(yīng)用價(jià)值，可依據(jù)電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和鏈路的重要度，對(duì)其重要性進(jìn)行排序，從而識(shí)別出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵鏈路。對(duì)這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或鏈路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)于預(yù)防較大事故的發(fā)生有重要意義，同時(shí)，還可以對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和鏈路采取保護(hù)策略，以提高電力通信網(wǎng)的魯棒性。此外，在電力通信網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)識(shí)別的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步對(duì)電力通信網(wǎng)脆弱性進(jìn)行研究，這也是本文下一步研究的方向。

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崔力民 (1973)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事電力通信運(yùn)行管理工作；

耿子惠 (1995)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；

舒勤 (1958)，男，教授，研究生導(dǎo)師，本文通信作者，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)與現(xiàn)代信號(hào)處理；

王鑫 (1988)，男，工程師，現(xiàn)從事電力信息通信系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。

(編輯 張小飛)

Key Link Identification in Electric Power Communication Network Considering Grid Correlation Degree

CUI Limin1,2, GENG Zihui3, SHU Qin3, WANG Xin2

(1. College of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. State Grid Xinjiang Information & Telcommunication Company, Urumqi 830018, China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

As the grid support network, the reliable operation of electric power communication network has important significance for the safe and reliable operation of the power. In order to identify the key links of electric power communication network, this paper proposes an identification method for the key links of the power communication network considering grid correlation degree. Firstly, we construct the power-communications composite system. Secondly, we establish the electric power system layer nodes and link evaluation system respectively, as well as the communication system layer nodes and link evaluation system. Then, we adopt the TOPSIS algorithm to obtain the node importance and link importance of electric power system layer, and that of communication system layer. Finally, through specific algebraic operation, we combine the grid correlation degree and the importance of the communication network to calculate the node and link importance of the power communication network considering the grid correlation degree, and then identify the key links of the power communication network based on the importance value. The simulation results of an actual electric power communication network in a province shows that this method can identify the key link effectively and is feasible.

electric power communication network; multi-attribute decision making; weighting method; node importance; link importance

國(guó)網(wǎng)新疆電力公司科技項(xiàng)目(SGXJXT00TJS1600206)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2017GZ0349)

TM 734

A

1000-7229(2017)05-0124-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.017

2016-12-25