電力通信網節(jié)點重要度評價方法

黃漢華， 蔣燁， 唐元

(廣西電網公司電力調度控制中心，廣西 南寧 530022)

0 引 言

隨著電力通信網的快速發(fā)展，網絡拓撲的復雜度增加，運營和維護網絡的難度越來越大。而網絡拓撲中的重要節(jié)點對維護整張網絡的正常運行又至關重要，一旦網絡中的某些重要節(jié)點甚至某一節(jié)點故障，整張網絡極易被破壞而不能正常運行。因此，研究電力通信網絡節(jié)點的重要度以篩選出關鍵節(jié)點就成了一個必要的研究內容。

文獻[1]和文獻[2]在無權網絡的基礎上根據節(jié)點收縮前后網絡凝聚度的變化來評價節(jié)點重要度，但是無法區(qū)分網絡中處于相同位置節(jié)點的重要度。相比于無權網絡，加權網絡不僅能體現出節(jié)點之間的連接關系，還能體現出節(jié)點之間聯系的緊密程度以及節(jié)點的重要程度。文獻[3]基于加權網絡中節(jié)點收縮前后網絡凝聚度的變化來區(qū)分節(jié)點重要度，但是仍然不能區(qū)分網絡拓撲位置相同的節(jié)點重要度。文獻[4]在加權網絡凝聚度的基礎上加入了節(jié)點連邊重要度，但過于繁雜，不適合于復雜網絡。文獻[5]引入了節(jié)點效率和節(jié)點重要度評價矩陣，沒有考慮電力因素對節(jié)點的影響。文獻[6]在網絡凝聚度的計算中考慮了鏈路帶寬，同時用節(jié)點在電力系統中的權值來修正，避免了只從通信網絡角度來評價節(jié)點重要度的局限性。但是節(jié)點在電力系統中的權值的衡量指標較少，不夠全面。研究復雜網絡節(jié)點重要性對網絡的維護和管理具有重要的價值[7-9]，需要一種較為全面和客觀的方法來評價復雜網絡的節(jié)點重要性。

網絡中的割點如遭到破壞或者故障時，網絡的完整性將被破壞，嚴重影響網絡的運行和性能。本文將割點的因素作為網絡凝聚度的修正系數，更為全面地評價通信網絡的節(jié)點重要度。

同時，傳統的網絡節(jié)點重要度評價往往只著重從通信網絡角度來分析節(jié)點的重要度，忽略了電力因素對節(jié)點重要度的影響。本文綜合考慮網絡節(jié)點在通信網絡中的重要度，評價電力通信網絡中節(jié)點的重要度。

1 電力通信網絡的節(jié)點重要度

在電力通信網絡拓撲中，節(jié)點的重要度的評價可以從兩個方面來考察：一個方面是從通信網絡角度來看，基于網絡凝聚度和割點來評價節(jié)點重要度；另一個方面是從電力網絡角度來看，基于電力因素來評價節(jié)點重要度。最后綜合這兩個方面來對電力通信網絡的節(jié)點重要度作總體評價。

1.1 基于網絡凝聚度與割點的節(jié)點重要度

一張網絡的網絡凝聚度定義為：

(1)

式中：dij為節(jié)點i到節(jié)點j的加權最短路徑。

為了得到節(jié)點i的重要度，需要將節(jié)點i收縮后，形成一張新的網絡拓撲之后再對該網絡進行網絡凝聚度計算，得到?(WGi)。節(jié)點收縮是指當節(jié)點i的所有相鄰的節(jié)點與該節(jié)點融合形成另一個節(jié)點，就能得到新的網絡拓撲。當計算好原網絡的凝聚度和節(jié)點i收縮后得到的新的網絡的凝聚度后，就可以得到基于割點的網絡節(jié)點重要度Wi：

(2)

式中：系數k為割點加權系數，其取值有兩種情況，當節(jié)點i為網絡中的割點時，k取2，當節(jié)點i不是網絡中的割點時，k取1。系數k可以較好地區(qū)分出割點與非割點的節(jié)點重要度，從而使電力通信網的節(jié)點重要度的評價更加合理。

1.2 基于電力因素的節(jié)點重要度

將基于電力通信網節(jié)點的重要度評價指標分為以下四部分：站點等級、站點規(guī)模、負荷等級和負荷大小。分別對網絡中各個節(jié)點的站點等級、站點規(guī)模、負荷等級和負荷大小進行分析，根據各指標的衡量標準得出這四個指標中每個指標的影響值，得到結果p1、p2、p3、p4，并賦予各個因素以權重k1、k2、k3、k4，然后求出加權和，得到節(jié)點重要度Pi：

(3)

式中：k1、k2、k3、k4的和為1，同時各個權重相等，即k1、k2、k3、k4均取0.25。

1.3 節(jié)點的綜合重要度

根據前面基于網絡凝聚度與割點加權系數得到的節(jié)點重要度Wi和基于電力因素的節(jié)點重要度Pi可以得到最終節(jié)點i的綜合重要度Si。

Si=Wi·Pi

(4)

式中：節(jié)點重要度Si從網絡拓撲、割點和節(jié)點在所在站點電網中的地位和重要程度等三個方面對節(jié)點進行了綜合評價。在反應網絡拓撲架構特性的同時，又結合了割點這一節(jié)點特性，最后融入電力系統節(jié)點重要度，得到電力通信網節(jié)點重要度。

2 算法用例

圖1為某一電力通信網骨干節(jié)點模擬拓撲圖，其中v1、v4、v5、v6、v8為500 kV變電站，v2為220 kV變電站，v3為省調節(jié)點，v7、v9為地調節(jié)點。鏈路權值為該鏈路所連兩個節(jié)點之間的距離。

圖1 電力通信網骨干節(jié)點模擬拓撲

首先根據式(1)計算出原始網絡拓撲的網絡凝聚度?(WG0)為0.023 7，對每個節(jié)點按照式(1)計算該節(jié)點收縮后的網絡凝聚度?(WGi)，然后根據式(2)計算出基于割點的各個網絡節(jié)點重要度Wi。

再對網絡中的各個節(jié)點的站點等級、站點規(guī)模、負荷等級和負荷大小這四個電力指標進行分析和評估，對于每個節(jié)點都能得到這四個指標的影響值，再由式(3)得出每個節(jié)點基于電力因素的節(jié)點重要度Pi。

最后根據式(4)可以得到每個節(jié)點的綜合重要度Si，結果如表1所示。

表1 節(jié)點重要度排名

排名前三的節(jié)點依次是v3、v5、v8，原因是這三個節(jié)點都是網絡中的割點，具有更高的網絡凝聚度，在網絡拓撲中的連接作用的貢獻度更大，基于網絡凝聚度與割點加權系數的節(jié)點重要度也更大?？紤]割點這一因素，將這三個網絡中的關鍵節(jié)點的節(jié)點重要度很好地與其他節(jié)點的節(jié)點重要度區(qū)分開來。v3為省調節(jié)點，基于電力因素的節(jié)點重要度明顯高于變電站節(jié)點和地調節(jié)點的節(jié)點重要度，因此綜合來看v3具有最高的節(jié)點重要度，而v5和v8是500 kV變電站節(jié)點，基于電力通信網絡的節(jié)點重要度要低于作為省調節(jié)點v3的節(jié)點重要度，v5比v8具有更好的網絡凝聚度，同時基于電力因素的節(jié)點重要度略高于v8，因此v5排在v8的前面。v6和v4具有較高的網絡凝聚度，站點等級較高而且均與網絡中的關鍵節(jié)點相連，這兩個節(jié)點的重要度要高于剩余的其他節(jié)點。同時，由于v6的網絡凝聚度要比v4的網絡凝聚度要好，所以在兩個節(jié)點的基于電力因素的節(jié)點重要度相差很小的情況下，v6的節(jié)點重要度高于v4的節(jié)點重要度。v1、v2、v7、v9都屬于網絡中比較邊緣的節(jié)點，它們的節(jié)點重要度都比較低。v1和v2雖然網絡凝聚度相對較低，但是它們均與省調節(jié)點v3直接相連，會較大地提升這兩個節(jié)點的基于電力因素的節(jié)點重要度，所以v1和v2的節(jié)點重要度也會高于v7和v9。v1和v2的拓撲特性相似，但是v1是500 kV變電站節(jié)點，v2是220 kV變電站節(jié)點，v1的站點等級要更高，節(jié)點重要度更大。v7和v9的網絡凝聚度相差很小，拓撲特性相似，也都是地調節(jié)點，但是v7與網絡中更重要的關鍵節(jié)點v5相連，其基于電力因素的節(jié)點重要度高于v9，所以v7的節(jié)點重要度高于v9。

本文算法與參考文獻[1]采用的節(jié)點收縮法計算出的節(jié)點重要度排名進行對比，并且將兩種算法與該網絡節(jié)點重要度的參考值進行對比，比較結果如表2所示。

從本文算法和對比算法的結果比較中可以看到，兩種算法在v4、v6和v8的節(jié)點排名一樣，在其他節(jié)點排名有些差異。采用對比算法計算的v5的網絡凝聚度要高于v3，所以認為v5排在v3前面，但是該算法沒有從電力因素角度考慮，在實際的電力通信網絡中，v3作為省調節(jié)點，基于電力因素的節(jié)點重要度高于v5，所以雖然v3的網絡凝聚度稍低于v5，但是由于電力因素的修正作用，最終v3的節(jié)點重要度高于v5。同理對于其他節(jié)點，對比算法也只是從網絡拓撲的角度考慮。v1和v2的網絡凝聚度是最低的，所以對比算法中將這兩個節(jié)點排在了最后面，但是這兩個節(jié)點直接和省調節(jié)點v3相連，從電力因素的角度來看，較大地提升了這兩個節(jié)點的重要度，使得最終v1和v2的節(jié)點重要度高于v7和v9。v7的網絡凝聚度略低于v9，同樣由于電力因素的修正作用，最終v7的節(jié)點重要度高于v9。

表2 兩種算法節(jié)點重要度排名

偏離度指的是使用本文算法或者節(jié)點收縮法得到的節(jié)點重要度與該節(jié)點重要度的參考值之間的偏離程度，結果用百分比表示。根據兩種算法中每個節(jié)點與該節(jié)點重要度參考值之間的偏離度可以繪制兩種算法偏離度的對比折線圖，如圖2所示。

從表2以及圖2中可以看出，本文算法對網絡中每個節(jié)點的重要度的排名結果與參考排名結果一致，而節(jié)點收縮法的排名結果中只有部分節(jié)點的排名是正確的，這就導致了采用節(jié)點收縮法得到的一些節(jié)點重要度與參考值之間有較大差異。同時，本文算法計算出的節(jié)點重要度離參考值之間的偏離度較小，并且整體穩(wěn)定，波動小。節(jié)點收縮法計算出的節(jié)點重要度離參考值之間的偏離度大，且不穩(wěn)定，波動大?？梢钥吹较啾扔诠?jié)點收縮法，本文算法在評估電力通信網絡中節(jié)點重要度方面具有更好的準確度。

圖2 兩種算法的偏離度對比

綜上所述，本算法考慮網絡凝聚度與割點的因素以及節(jié)點在電力網絡中的地位和影響，克服了只從通信網絡的角度來分析網絡拓撲中節(jié)點的重要度的局限性，能夠比較全面地反映和區(qū)分網絡中的各個節(jié)點在網絡中的重要程度。

3 結束語

本文從網絡拓撲中的網絡凝聚度和割點這兩個因素出發(fā)，同時考慮網絡節(jié)點在電力網絡中的地位和影響來綜合評估電力通信網絡中的節(jié)點重要度。本文綜合了通信網絡和電力網絡兩個方面的影響，能全面客觀地區(qū)分電力通信網絡中的各個節(jié)點的節(jié)點重要度，可以為電力通信網絡的節(jié)點重要度分析與評價提供幫助和參考。