電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)的研究

羅義釗，梁海濤，柳玉鑾，陳 彪，俞 煌，林志文，李榕桂

（福建網(wǎng)能科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

明確電力通信網(wǎng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)的管理策略，提高電力通信的安全性，實(shí)現(xiàn)信息的共享及標(biāo)準(zhǔn)化，科學(xué)地規(guī)劃建設(shè)電力通信網(wǎng)，對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、管理者制定合理的決策具有重要作用[1-2]。

由于電力通信網(wǎng)的安全問(wèn)題，對(duì)于指導(dǎo)電力系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，所以已經(jīng)有了很多關(guān)于電力通信網(wǎng)安全性的研究。文獻(xiàn)[3]指出在新的電網(wǎng)時(shí)代中，電力通信技術(shù)和信息技術(shù)的更新日新月異，對(duì)如何將兩個(gè)飛速發(fā)展的技術(shù)進(jìn)行融合進(jìn)行了理論研究。文獻(xiàn)[4]提出了為了提高電力通信網(wǎng)的安全性，設(shè)計(jì)了主動(dòng)安全防御系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]提出，對(duì)電力通信網(wǎng)進(jìn)行脆弱性分析，有利于提高通信網(wǎng)的安全性，通過(guò)建立基于業(yè)務(wù)臨近度的電力通信網(wǎng)脆弱性分析模型，對(duì)節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)鏈進(jìn)行脆弱性排序，并以IEEE-30節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[6]提出了當(dāng)電力通信網(wǎng)中的通信電源發(fā)生故障后，如何進(jìn)行故障分析與設(shè)備維護(hù)。

上述對(duì)于電力通信網(wǎng)的研究，多為如何從技術(shù)層面提升通信網(wǎng)系統(tǒng)的安全防御能力，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)針對(duì)電力通信網(wǎng)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，找出風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)備維護(hù)的研究。本文提出了根據(jù)電力通信網(wǎng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)因子，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，采用層次分析法求取每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，然后采用指數(shù)分析法確定各個(gè)事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率，針對(duì)性的提高易發(fā)生故障的設(shè)備的安全性。

1 電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建

1.1 電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

電力通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)指的是在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)存在的不確定性。通信網(wǎng)的安全特性可以體現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：擁有授權(quán)資格的個(gè)人及設(shè)備才能訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源；能夠確認(rèn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的操作者身份；未經(jīng)授權(quán)不能訪問(wèn)數(shù)據(jù)內(nèi)容；保證信息只在授權(quán)的端點(diǎn)進(jìn)行傳播；數(shù)據(jù)在傳輸途中要能保證數(shù)據(jù)完整性，不可更改性；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)，授權(quán)用戶仍能正常操作；保證網(wǎng)絡(luò)的私密性，防止網(wǎng)絡(luò)通信被破譯[7-9]。

通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指的是對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)后帶來(lái)的影響進(jìn)行分析。由于電力通信網(wǎng)的開(kāi)放性，所以在通信電路、網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備等存在脆弱性。隨著電力通信網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，而通信網(wǎng)絡(luò)成環(huán)可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。通信線中的光纜經(jīng)常會(huì)因?yàn)樽匀粸?zāi)害而損壞。SDH設(shè)備和PCM故障會(huì)引起通信故障。通信電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電力二次系統(tǒng)防護(hù)設(shè)備等故障，以及運(yùn)行管理、人為安全等，也是影響通信安全的因素。電力通信網(wǎng)的威脅包括如下5點(diǎn)：

（1）對(duì)通信或網(wǎng)絡(luò)資源的破壞；

（2）對(duì)信息的濫用；

（3）網(wǎng)絡(luò)資源的刪除或丟失；

（4）信息的泄露；

（5）服務(wù)的中斷和禁止。

1.2 評(píng)估指標(biāo)的構(gòu)建

根據(jù)電力通信網(wǎng)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)，其構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。

圖1 指標(biāo)構(gòu)建流程

指標(biāo)構(gòu)建應(yīng)遵循如下原則。

（1）科學(xué)地選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)要能夠體現(xiàn)出電力通信網(wǎng)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立的指標(biāo)要求層次分明，目標(biāo)明確。

（2）構(gòu)建電力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)時(shí)，可以適用于不同電網(wǎng)公司的通信系統(tǒng)，能描述出絕大多數(shù)電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)情況，構(gòu)建的指標(biāo)因素要簡(jiǎn)明扼要，內(nèi)涵清晰。

（3）建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)盡量實(shí)現(xiàn)采用較少的評(píng)價(jià)因子就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，可以有效降低工作量，且所用的指標(biāo)要易于采集。構(gòu)建的指標(biāo)因子要基于我國(guó)電網(wǎng)通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，不能照搬國(guó)外評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（4）每個(gè)指標(biāo)都能反映出評(píng)價(jià)對(duì)象的一個(gè)點(diǎn)，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某項(xiàng)內(nèi)容的單獨(dú)評(píng)估。評(píng)估指標(biāo)要具有獨(dú)立性，避免指標(biāo)間的交叉重疊。

1.3 指標(biāo)體系的構(gòu)建及優(yōu)化

本文采用層次化的指標(biāo)體系架構(gòu)，便于將指標(biāo)從底層到頂層逐層分析，從而評(píng)價(jià)其綜合指標(biāo)。層次化指標(biāo)結(jié)構(gòu)包含了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。通過(guò)分析可知，影響電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)包括通信設(shè)備、通信電源、運(yùn)行維護(hù)及管理等方面，參考電力通信網(wǎng)安全分析結(jié)果，構(gòu)建的我國(guó)電力通信網(wǎng)安全評(píng)估指標(biāo)如圖2所示。

圖2 電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行合理的篩選，達(dá)到摒棄冗余指標(biāo)后能對(duì)通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估的目的。刪除冗余指標(biāo)的過(guò)程為：設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系F={f1，f2,…,fn}，權(quán)數(shù)λ={λ1,λ2,…,λn}，λi∈ [0,1](i=1,2,…,n)，取舍系數(shù)λch，λch∈ [0,1]，若λi≤λh，則摒棄指標(biāo)fi。

對(duì)確定的指標(biāo)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，其過(guò)程為：設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系F={f1，f2,…,fn}，共S個(gè)評(píng)估專家，第j個(gè)專家的評(píng)分Xj={x1j，x2j,…,xnj}。指標(biāo)fi的效度系數(shù)記為：

其中，為指標(biāo)fi平均得分，M是fi的最大評(píng)分值。則評(píng)估指標(biāo)體系F的效度系數(shù)為公式（2）。

當(dāng)β的絕對(duì)值越小，說(shuō)明S個(gè)專家打分傾向于一致，則說(shuō)明評(píng)估結(jié)果越具有效性。

因?yàn)樵u(píng)估專家對(duì)指標(biāo)認(rèn)知不同，導(dǎo)致的評(píng)價(jià)結(jié)果也不同，所以，需要對(duì)指標(biāo)體系的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)專家評(píng)分的平均數(shù)據(jù)組Y={y1，y2,…,yn}，其中。則指標(biāo)體系可靠性系數(shù)為：

其中，

當(dāng)ρ越大則表示評(píng)價(jià)結(jié)果差異越小，指標(biāo)可靠性高。ρ∈（0.90,0.95）時(shí)可靠性高，ρ∈（0.80,0.90）時(shí)可靠性一般，其余則較差。

2 層次分析法

層次分析法（AHP）由T.L教授于20世紀(jì)70年代提出[10-11]，以底層評(píng)價(jià)指標(biāo)作為指標(biāo)層，分層次向上層遞進(jìn)，最終得到目標(biāo)層函數(shù)評(píng)價(jià)值[12]。AHP求解目標(biāo)值的過(guò)程為：將問(wèn)題進(jìn)行層次劃分、構(gòu)造判斷矩陣、求取各層權(quán)重、逐層向上求取權(quán)重值[13-14]。

2.1 問(wèn)題層次化

層次分析法的遞階層次如表1所示。

表1 層次分析法的遞階層次模型

2.2 判斷矩陣構(gòu)建

表2表示，上一層為A，B1，B2，…，Bm為A的下層元素。B1，B2，…，Bm共m個(gè)元素，相互之間進(jìn)行重要程度比較，獲得比較判斷矩陣A=(bij)m×m。

表2 比較判斷矩陣表

設(shè)某層含n個(gè)元素：X1,X2,…,Xn，則其n階判斷矩陣：Q=(qij)n×n，其中qij為基于同一上層目標(biāo)的重要性之比。AHP的相對(duì)重要性標(biāo)度如表3所示，用于確定矩陣中元素bij的權(quán)重。

表3 相對(duì)重要性的標(biāo)度值

2.3 單層權(quán)值計(jì)算

構(gòu)建完判斷矩陣，求取其一致性比率C.I.。求取過(guò)程為建立最大非零特征值為λmax的n階判斷矩陣。

一致性指標(biāo)R.I.(random Index)，如表4所示。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.

C.R.由式（5）確定，若C.I.＜0.1，則說(shuō)明構(gòu)造的判斷矩陣合理，若C.I.≥0.1，則需要重新構(gòu)建判斷矩陣。

2.4 合成權(quán)值計(jì)算

層次分析法求取的時(shí)候，要由底層逐層向上進(jìn)行計(jì)算，依次求取各層指標(biāo)的權(quán)重值。k-1層m個(gè)元素關(guān)于上一層的合成權(quán)重為公式（6）：

第k層n個(gè)元素關(guān)于第k-1層第j個(gè)元素的權(quán)重為公式（7）：

其中，下一層對(duì)k-1層沒(méi)有影響的元素，權(quán)重為0。

令p(k)=(p1(k),p2(k),…,pm(k))是第k層元素關(guān)于k-1層的權(quán)重矩陣，則第k層元素對(duì)目標(biāo)元素的貢獻(xiàn)為公式（8）。

或

設(shè)k-1層第j個(gè)元素為準(zhǔn)則的一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)及一致性比率分別記為C.I.(k)、R.I.(k)和C.R.(k)，j=1,2,…,m，

則第k層的綜合一致性檢驗(yàn)指標(biāo)：

若C.I.＜0.1，則說(shuō)明構(gòu)造的判斷矩陣合理，若C.I.≥0.1，則需要重新構(gòu)建判斷矩陣，重新計(jì)算。

層次分析法一般的評(píng)價(jià)流程如圖3所示。

圖3 層次分析法流程圖

3 算例仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真

以福建省電網(wǎng)通信系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，采集其實(shí)際故障數(shù)據(jù)如表5所示，構(gòu)建其電力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。采用章節(jié)2的電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)指標(biāo)體系構(gòu)建方法，對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行合理的計(jì)算篩選，在進(jìn)行實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的時(shí)候，選取的指標(biāo)如表5所示。通過(guò)詢問(wèn)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙庖?jiàn)，得到各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要程度，采用AHP方法求取指標(biāo)的權(quán)重。最后得到的電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)事件影響程度如表5所示。

其中，準(zhǔn)則層與目標(biāo)層判斷矩陣為公式（13）。

指標(biāo)層的判斷矩陣如下所示。

采用指數(shù)分布法求取風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。

θ是分布均值，λ=1/θ是故障率。在時(shí)間T內(nèi)發(fā)生故障次數(shù)d，則平均故障時(shí)間記作：

表5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系及概率

根據(jù)實(shí)際故障數(shù)據(jù)和式（17）求取福建省電力通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)公式，求取每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)值，如表5所示。將風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行歸一化處理后，得到風(fēng)險(xiǎn)比較如圖4所示。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)事件比較圖

3.2 結(jié)果分析

從求取的結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)歸一化處理后，SDH、PCM及ADSS設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)值分別為0.156 3，0.289 1，0.170 5，處于最高的前三位，說(shuō)明此三個(gè)設(shè)備容易導(dǎo)致電力通信網(wǎng)發(fā)生故障。

由福建省電力通信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，顯示該省2017年發(fā)生的電力通信故障，包括了通信安穩(wěn)通道、線路包含通道及調(diào)度自動(dòng)化等業(yè)務(wù)，大部分由這三個(gè)設(shè)備所引起。證明了該分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符合，從而驗(yàn)證了本文所提出的構(gòu)建電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系具有適用性，采用的基于層次分析法計(jì)算的電力風(fēng)險(xiǎn)值具有可靠性。

4 結(jié) 論

本文基于可能會(huì)導(dǎo)致電力通信網(wǎng)故障的因素，初步構(gòu)建電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，并對(duì)確定的指標(biāo)體系進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化，刪除冗余指標(biāo)，形成層次化結(jié)構(gòu)分明的指標(biāo)系統(tǒng)。采用層次分析法對(duì)構(gòu)建的指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重求取，然后采用指數(shù)分布法求取事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)值。最后的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，與電力通信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)際情況相吻合，驗(yàn)證了本文構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的合理性，以及求解電力通信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)值的方法具有可靠性。