复杂网络理论下的电力通信网脆弱性分析

复杂网络理论下的电力通信网脆弱性分析

刁陆修

韶关市理工商业网络通信有限公司512026

摘要：本文简要概述了有关电力通信复杂网络的一系列问题，分析了传统电力通信拓扑模型的原理，指出了其中存在的问题，强调了解决电力通信网脆弱性问题的重要性，以复杂网络理论为基础，建立了电力通信网拓扑加权模型，为电力通信网脆弱性问题的解决及其运行安全性与稳定性的提升提供了保证。

关键词：复杂网络理论；电力通信网；脆弱性

前言

电力行业是社会的重点行业之一，是为各领域发展所依赖的电力资源的主要来源。在互联网环境下，电力系统的智能化水平不断提高，而电网的整体规模也在不断扩大。受上述条件影响，由通信故障所导致的电网故障的出现次数增加，电力通信网的脆弱性逐渐体现出来，加强对电力通信网的保护，已经成为了电力领域关注的重点问题。

1电力通信复杂网络概述

电力通信复杂网络，是以传统电网为依托，以互联网为辅助而产生的一种电网类型[1]。相对于传统电网而言，电力通信复杂网络，在节点数、边数、平均度数等方面，都存在一定的特殊性。节点数指的是电网中通信站点的数量。边数指的是电网中通信线路的数量。平均度数指的是电网每个节点，即每个通信站点之间相互连接所依赖的边数（即通信线路）的数量[2]。平均度数属于电力通信复杂网络中的重要概念，电网的平均度数往往能够反映出其强度。除此之外，特征路径长度、聚集系数、节点介数三者同样属于电力通信复杂网络中的重要指标[3]。以节点介数为例，该数值往往能够反应节点的信息转发业务量，是评价节点功能实现效果如何的重要指标。在电力通信网脆弱性分析过程中，上述指标均属于需要考虑的重点。

2电力通信网拓扑建模

2.1电力通信网拓扑模型的构建

在复杂网络理论下，对电力通信网络的通信质量等问题的分析，首先必须将其简化[4]。电网主要由节点、边两部分组成。在简化之后，可将上述两部分内容分别视为不同的、更加具体的内容。节点本代表通信站点，可将其简化为发电机、负荷与变电站。边可简化为传输线。建模主要考虑了以下问题[5]：（1）需考虑到除了电厂以外与电网有关的全部线路。（2）由于简化后的节点，可全面代表发电机、负荷及变电站，因此需将不同的节点划分开来，从其归属的角度考虑，将其划分到上述三个集合的某一集合中。（3）将线路简化为无向有权边。（4）根据简化后的电网建模。

2.2拓扑参数的计算

拓扑参数计算内容较多，电力通信复杂网络中所设计到的包括聚类系数以及节点介数等，都需要以具体函数的形式体现出来。以聚类系数为例，该系数可采用以下函数表达：

在上述公式中，C代表聚类系数，i代表个数，Ci即第i个聚类系数。E代表电网中的边数，即连接两个节点之间的电力线路。可见，电网中的聚类系数与边之前密切相关。

2.3电力通信网的脆弱性

由于当前电力系统与互联网之间联系日益紧密，因此一旦电力通信复杂网络中出现一部分故障，如不及时控制，故障便会在短时间内大范围蔓延，最终导连锁故障发生，进而造成电力通信网络的大面积瘫痪，对各领域都会带来极其严重的影响。上述连锁故障的发生，体现出了电力通信网络的脆弱性，必须对其加以分析，并对原有的拓扑模型加以改进与优化，才能有效避免上述问题发生，提高电力通信复杂网络的可靠性，最终确保社会各领域可正常用电。

3复杂网络理论下的电力通信网脆弱性问题的解决

3.1原有拓扑模型的缺陷

在过去很长一段时间内，电力通信网络一直以传统的拓扑模型为依据来完成对电力传输的规划。上述模型的缺陷在于，未认识到线路与线路之间的差别，忽略了潮流分布对于线路电抗的影响，因此虽可增强电网运行的可靠性，但效果并非十分显著。为了进一步解决电力通信网络的脆弱性问题，应在吸取原有拓扑模型的优势的基础上，将其优化更新，以全面提高电网的可靠性。

3.2拓扑模型的优化

需在充分考虑原有电网拓扑模型的缺陷的基础上，以充分提高电网运行的稳定性与安全性为目的，对原有拓扑模型进行优化，以进一步发挥其优势，解决电力通信网脆弱性强的问题。原有拓扑模型存在的问题，主要在于未充分考虑线路电抗的问题，因此，在新的优化模型中，必须将线路电抗问题作为模型建立的重点，应以其为权重，建立加权模型，使原有的小世界电网的拓扑模型得到改革。

基于上述原理，对拓扑模型进行了优化，最终建立模型如下：

在上述模型中，L’代表代表加权电网的平均距离。dij代表最短路径经过的边数，n代表电网中节点，即通信站点的总数量。采用上述方法建立的模型，有效弥补了原有模型中存在的漏洞，提高了模型的合理性与准确性。新的模型能够更加全面、更加科学的反映电网的整体运行情况，将其用于电力通信网中，能够有效解决其脆弱性强的问题，提高电力通信网的稳定性水平，降低大范围停电等连锁故障的发生几率，确保各领域能够正常运行。

3.3注意事项

为确保优化后的电力通信复杂网络拓扑模型的功能可有效发挥，在模型应用过程中，必须注意以下问题：（1）建立脆弱性评估指标。建立脆弱性评估指标十分必要。当前时代发展速度较快，电力通信网的变化以及更新速度也在不断加快，必须不断的对电力通信网络的脆弱性进行评估，充分了解当前电力通信网的具体情况，并以此为基础，提出更加具有针对性的解决策略，降低由电力通信网脆弱性问题所导致的连锁故障的发生几率，使电力系统能够更加稳定安全的运行。（2）模型的优化：电力通信网的发展，是一个长期的过程，目前，上述模型的应用可有效解决网络脆弱性的问题，但随着电力通信环境的不断变化，模型的适应性也会发生改变。因此，必须在实践过程中，不断对模型的应用效果进行验证，如发现存在漏洞或问题，应及时对其加以更新与优化，避免其落后于时代，保证模型能够为电力领域整体的发展提供更加长远的支持。

结论

在互联网与电网联系日益紧密的今天，电力通信网所面临的环境越来越复杂，原有的拓扑模型中存在的漏洞开始逐渐显现出来，为全面提升电网运行的稳定性与安全性，应加强对拓扑模型的优化与更新，在考虑线路电抗问题的基础上，建立加权模型，使之能够更加全面的反应电力通信网的基本情况，进一步降低大面积停电等连锁故障的发生几率。

参考文献：

[1]刘涤尘，冀星沛，王波，唐飞.基于复杂网络理论的电力通信网拓扑脆弱性分析及对策[J].电网技术，2015，12：3615-3621.

[2]张洪涛，吴世君.复杂网络理论在船舶电力系统结构脆弱性分析中的应用[J].船舶，2016，01：81-86.

[3]冀星沛，王波，刘涤尘，赵婷.相依网络理论及其在电力信息–物理系统结构脆弱性分析中的应用综述[J].中国电机工程学报，2016，17：4521-4533.

[4]刘涤尘，冀星沛，陈果，王波，魏大千.基于复杂网络理论的电力通信网加边保护策略[J].电力自动化设备，2016，10：121-126.

[5]张国华，张建华，杨京燕，王策，张印，段满银.基于有向权重图和复杂网络理论的大型电力系统脆弱性评估[J].电力自动化设备，2009，04：21-26.