电力调度数据网结构特性探究与分析

电力调度数据网结构特性探究与分析

张君1李慧聪2曹源1郭芮1

（1国网山东省电力公司滨州市供电公司山东滨州256600；

2国网山东省电力公司山东济南250000）

摘要：电能在当前社会进步和经济发展的作用是不言而喻的，人们普遍对电能的供应质量和安全稳定性有非常高的要求，这就要求供电企业以更快更加便捷的方式运行维护好电力系统，保障电能的正常供应。在电力系统中电力调度的数据网是承载着大量关键电力运行数据信息的交互任务，其运行的安全性和可靠性将会直接的影响到电力系统的生产管理和调度运行。当前建立的电力调度数据网的结构模型，对电力系统的运行起着至关重要的作用。本文作者有着多年的电网企业电力调度工作经验，结合着日常的工作实践，分析了当前电力调度数据网的结构特性，以供广大电力同行借鉴与参考。

关键词：电网企业；电力调度数据网；结构特性

电力调度数据网是现代大型互联电网的重要组成部分，是实现电网调度自动化的基础。随着现代化社会的进步以及信息技术与通信技术的快速发展，电力调度数据网的规模也在不断的扩大，其承载的电力系统业务也在逐渐的增多，其在电力系统的日常管理和调度运行中的作用也越来越突出。本文从复杂网络的结构统计特征出发，详细分析电力调度数据网的复杂性及脆弱性，对于更好地设计和优化调度数据网的结构有一定参考价值。

一、电力调度数据网的复杂性分析

1、电力调度数据网的复杂网络统计特征

根据电力网网络的基本单位之间是否存在着相互的作用，电力网络可抽象地表示为由点和边构成的图。为研究不同类型的电力网络在结构上的共同特征，下面的参数常被用来分析复杂电力网络的统计特性。

一是特征路径长度L。特征路径的长度定义为电力网络中任意两个节点间最短路径长度的平均值为：，式中dij为连接节点i和j的最短路径长度。二是节点度数k及度数累积分布P（K≥k）。节点i的度数ki是指连接该节点的边数，对所有节点的ki求均值可得到网络的平均度数k。节点度数分布情况可用累积分布函数P（K≥k）来描述。三是节点介数b及介数累积分布P（B≥b）。节点i的介数bi是指网络中通过该节点的最短路径的数目。

2、电力调度数据网复杂网络的基本模型

一是小世界网络，其是介于随机网络和规则网络之间的网络，小世界网络的重要特点是具有较短的特征路径长度和较高的聚类系数，这些性质对连锁故障有推波助澜的作用。二是无标度网络，其度数服从幂律分布的网络称无标度网络，这类节点对网络功能有重要影响，使网络同时具有对随机故障的鲁棒性和对选择性攻击的脆弱性。

3、电力调度数据网的典型结构

各调度数据网的拓扑各不相同，但大都按标准IP网络分层设计，可分为核心层、骨干层和接入层，在实际的力调度数据网中，通常是采用双星型和网状这两种典型结构的网络。

双星型结构调度数据网的核心层为省调节点，采用双重化配置，省调和备调直接相连；骨干层为下属地调，核心层和骨干层之间采用双星型结构，各地调双归到省调的双节点；接入层为变电站和发电厂，其中的变电站单归到所属的地调节点，而发电厂则双归到所属的地调节点和省调节点中。

网状结构调度数据网的核心层为省调、备调和两个重要的500kV变电站，各节点之间形成部分网状网；骨干层为地调节点和枢纽变电站(含部分500kV变电站和220kV变电站)，骨干层节点以环型或网状方式相连后再与核心层节点构成环；接入层为其余的220kV变电站和电厂，变电站节点与骨干层节点采用环型结构相连，大部分发电厂双归到骨干层的两个个节点，个别发电厂单归到所属地调。

电力调度数据网节点数众多，连接复杂，其结构特性需要进一步深入研究。首先需要建立相应的物理模型，为简化分析，作如下假设：一是忽略省调、地调、变电站和电厂各路由器间的差别，均简化为无差别节点；二是忽略链路的带宽和长度，所有的链路简化为无权无向的边；三是合并双回链路，电力调度数据网则抽象为简单图。

二、电力调度数据网的结构脆弱性分析

1、电力调度数据网静态脆弱性分析

由于双星型结构的电力调度数据网是无标度的网络，而网状结构的调度数据网又是小世界网络，因此根据是否考虑故障后网络中负荷的动态分配，可将网络的结构脆弱性分为静态脆弱性和动态脆弱性。一般而言，静态脆弱性是指去除网络中的一部分节点后给网络带来的攻击效果。主要包括了随机攻击网络中的节点和依次攻击网络中度数大的节点以及依次攻击网络中介数大的节点。网络中数据的传输取决于节点到节点间的最短路径的畅通，因此可通过网络的连通性衡量网络性能。

双星型网络中的下降趋势比网状网更陡峭，这意味着双星型调度数据网在基于度数的选择性攻击下更为脆弱。这种现象也正是由于双星型调度数据网是无标度网络造成的。进一步分析其原因，无标度网络拥有度数很高的极少数节点，攻击这些节点会极大地破坏网络的连通性。而对于结构为小世界网络的网状调度数据网，其度数分布近似成指数规律，分布较均匀，对于选择性攻击相对坚强。因此，在实际电力系统中，双星型调度数据网应更加重视高度数节点，即具有很高连接数的省调和地调节点。

2、电力调度数据网动态脆弱性分析

实际的电力调度数据网络中的某一节点或链路发生拥塞或故障时，很有可能因负荷的重新分配引发新一轮的拥塞或故障产生连锁故障。动态脆弱性便是讨论发生这类连锁故障时的情况。本文采用连锁故障模型分析电力调度数据网的动态脆弱性。

随着广域保护与控制的进一步研究，通过电力调度数据网传输远程数据将会成为趋势。因此，本文将讨论数据在电力调度数据网的全部对象之间沿着最短路径传输的情况。连锁故障过程可描述为，任意选择初始故障节点后，删除相应的节点及其相连的边，网络中的最短路径分布发生变化，节点的负荷随之变化。此时若某些节点的负荷超过所得容量时，将引发新一轮的负荷分配，如此反复，产生连锁故障。

除省调和备调节点外，双星型调度数据网中的其它节点故障后没有引起更多节点的相继故障，而网状网中的单一节点故障后能引起节点相继故障，给网络以沉重打击。由此可知，无标度网络不容易发生连锁故障，相反小世界网络很容易发生连锁故障。

统计网状网中每个节点的故障概率，得到故障概率高的节点，可以看出，网状调度数据网发生连锁故障时，故障概率高的节点仍为介数高的节点。这是因为在连锁故障过程中，每一个节点的故障会导致新一轮的负荷重新分布，此时，高介数节点作为数据传输的枢纽，将更容易受到故障的波及。

结束语

本文利用复杂网络理论的相关知识对比分析了双星型结构和网状结构的电力调度数据网的统计特征和结构脆弱性，并得出以下结论：一是双星型结构的电力调度数据网是典型的无标度网络，而网状结构的电力调度数据网是典型的小世界网络。二是调度数据网的脆弱性与网络结构有很大关系，因此在设计调度数据网时应尽量实现骨干网的负荷均衡。三是发生连锁故障的概率与网络结构类型有很大关系，网状调度数据网相比双星型调度数据网更容易发生连锁故障。而在连锁故障传播过程中，更容易波及到介数高的节点，因此需对调度数据网中的此类节点予以重视。

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