基于复杂网络理论的电力通信网拓扑脆弱性分析及对策

李云华

摘要：随着经济社会快速发展，电力需求也随之不断增长，在国家推行电力体制改革之际，电力行业也迎来了重大变革，电网复杂性使得改革进程一度缓慢向前推进，电网在不断走向智能化，而电力通信网络作是电网实施智能控制的基本要求，通信系统的健康良好运作是保障电网可靠性的最根本条件，因此，全面深入分析电力通信网的的脆弱性，制定有效的保护措施以便提升电力通信网的安全可靠性至关重要。文章从电力通信网脆弱性辨识方面基于复杂网络理论提出了有针对性的技术保护措施，在对电力通信网的拓扑结构脆弱性分析后，制定了相应的防范措施，提升了电力通信网的可靠性。

关键词: 电力；通信网；脆弱性

引言

国家十三五规划着力打造的智能电网、智慧城市、工业4.0建设等发展目标，为电力系统智能化发展注入了活力，电网与互联网规模进一步扩大，这就进一步促进了电力通信网对电网安全可靠性的贡献。今年来发生的多次电网大停电事故，尤其是2019年美国攻击委内瑞纳电网造成大面积长时间停电事故，一度引起国际社会对电网安全的极大重视，而通信系统故障更是起到了关键性作用。因此，电力通信网中的脆弱性研究工作一度成了人们关注电网安全的焦点，而且行业中经常使用网络脆弱性来评测电力通信网的可靠性，它能够表征不同的网络单元或区域出现故障或失效后网络的综合性能降低的不同程度，对电力通信网脆弱性的研究能够查清通信网中的薄弱环节或存在的安全隐患，为电力通信网的规划和风险防控提供必要的数据支持。因此，针对电力通信网脆弱性保护策略则就具有极大的战略意义。

1 电力通信网脆弱性原因分析

电力通信网脆弱性主要是指电网受到各种各样因素的影响，造成电力通信系统失灵或失效，电网正常功能无法使用或受到不良影响的程度，内部因素主要有电网自身的结构不合理、不兼容或电网设计存在的隐患，外部因素主要包括外界自然环境或管理上的漏洞等。外部自然环境因素往往存在不可预知性或不可控性，而管理上的漏洞很多时候也存在事故发生后才能显现的特点，所以，为了弥补这些问题，目前比较成熟的做法就是不断完善电力通信网自身的结构，分散风险，并对设计进行不断优化，进而降低或抵消电力通信网的脆弱性，具体 电力通信网脆弱性主要表现在以下几个方面：

1.1 电网及电源结构规划不合理

此类问题一般有两种常见的形式出现，首先是重要的电网联络线相对薄弱，对电力通信网造成天然的脆弱性，或是电网主通道负载能力设计偏小，这就造成部分线路负荷过重引起重要负载被迫转移到其他线路，进而可能引起线路连锁保护动作的故障；其次，因输电距离太大而使用远距离大容量输电方式也容易造成电力通信网脆弱性问题，这种情况主要表现在用电端对电力输送通道的依赖性太高，当负荷中心的设计原则非分层分区设计时，电力输送通道在受到外界环境影响时，其稳定性会变得很差，通常会对用电端造成严重的用电影响。

1.2 电力继电保护技术及运行监控方面存在隐患和漏洞

继电保护装置是电网安全可靠运行的最基础的技术保护措施，在电网正常运行方面发挥着重要作用，电网运行监控其实就是监视和控制继电保护装置系统正常投运、良好运行，两方面的结合就能够有效保障电网安全运行，而在实际生产运行过程中，由于继电装置硬件系统本身的质量问题或者部分人工监控环节不到位或缺失，以及正常的设备检修维护不及时等都可能引起继电保护装置故障或失灵从而引起停电。

1.3 电力监管方面存在漏洞或不完善

电网的安全运行是一项复杂的系统性工程，从设计、施工到后期调试和投入运行，以及电网设备检修维护、运行监管、应急救援等各个方面涉及面广，专业性强，在包括电网设备保护定值管理以及电力抢修事故救援处置等协调处理方面都会存在管理上漏洞或空白区，出现三不管或者都在管的情况还是有一定的范围，尤其是在基层岗位，职责不明的情况比较突出，管理混乱，应急救援水平较低。

2 电力通信网脆弱性的分析评价方法

随着电网技术的不断发展，电力通信网在电网安全运行方面的作用越来越大，电力通信网的脆弱性越高，电网的安全可靠性就越差，所以，准确分析出电力通信网中的薄弱性环节，并且及时准确地进行评价对电网安全至关重要。目前，业内电力通信网脆弱性的分析方法主要是通过对网管系统的评价，以及对综合电力通信网设备的评价和电力二次防护方面等三个方面进行综合评价电力通信网的脆弱性问题，从这些方面入手分析可能会引起电网实际功能降低的隐患或漏洞，为电力通信网的前期规划和运行过程中的风险预警提供支持，具体的分析评价情况有以下几种：

2.1 业务重要度评价方法

业务重要度评价方法主要适用于各种个性化或不同的电力业务需求方面的评价，比如现场直播类电力通信安全工作就要注重实时性，用户对电力通信网的时延关注度很高，在进行电力通信网评价时也应该重点考虑这方面因素；其次，对于工业生产类用电情况，一般对电网稳定可靠性要求高，所以评价其电力通信网的影响因素时，就要重点考虑其安全稳定性；

具体进行建立模型对相关电力通信网脆弱性分析评价时一般会使用归一化函数和区间映射函数进行测算，并对其重要值矩阵进行核算，通过计算所得数据确定的重要程度，来判断或预防电网风险，从而在一定程度上降低了电力通信网的脆弱性。

2.2 状态脆弱性评价方法

电网在受到外界干扰或发生故障后，其基本参数或重要技术指标往往会发生偏移，而这个偏移程度或偏差大小正好可以用来评价电网系统的稳定性或抗干扰能力，所以抗干扰能力就和电力通信网脆弱性成相反关系，抗干扰能力越强的电网，则受到脆弱性影响造成电网通信系统故障或大面积停电事故的可能性就越小。而我们在实际评测电力通信网状态脆弱性时，一般会使用计算机仿真系统，对电力通信网在非常规运行状态下，观察系统节点电压和电网电流频率和以及电压功角等参数的变化，再经过计算机仿真系统建立的数学模型进行推算，得出电网电压在模拟环节的各项可能存在风险的技术指标变化率数据，进一步核算和评估电力通信网的最终运行电压的脆弱程度。

2.3 结构脆弱性评价方法

结构脆弱性评价方法主要是针对电力通信网中某一个或多个运行单元或机构发生故障或停止运行后对整个电力通信网的影响程度的评测，这就需要对电力通信网的拓扑结构进行评测，包括网络拓扑结构的完整性、故障应对能力、抗毁性和鲁棒性以及正常运行工作能力的评估。电力通信网受到恶意攻击时，通信网络的脆弱性常常会出现“木桶效应”，网络受到攻击时，承载着业务重要度最大的链路往往对网络的脆弱性起到决定性作用，为了避免电力通信网出现“木桶效应”，在电力通信网的规划设计上应将业务重要度相对平均地布置到各条通信链路上，使网络脆弱性风险进行分散和均衡处理。通过计算机模拟系统数据运算后得到电力通信网的脆弱性程度分析指标，根据电力通信网模拟运算得到的节点度数和聚类系数以及平均度数等重要参数和指标进行测量，再进行拓扑扑结构诊断建模，最终计算出电网故障发生时产生的负荷损失后的经济评估指标，即可获得电力通信网的结构脆弱度数据。

2.4 综合脆弱性评价方法

综合脆弱性评价方法是对以上几种评估方法的综合应用，计算过程相对更加复杂，但结果要更加接近电力通信网真实发生故障的情况。所以，在实际进行计算机仿真模拟运算建模的时候，要将电网的拓扑诊断参数和运行状态量进行整合建模处理，最终得到一个综合的运算结果，能够从网络结构设计和电网硬件治理等内外因素结合后的影响因素判断电网脆弱性程度。

3 小结

电力通信网在正常运行过程中突然受到冲击的情况是在所难免的，研究和分析电力通信网中的脆弱性环节和存在的隐患对电网安全有着非常重要的意义，本文对电力通信网脆弱性常规因素和分析方法进行了归纳总结，尤其是对基于复杂网络理论的电力通信网拓扑脆弱性情况进行了阐述和说明，为电力通信网安全生产工作人员提供了必要参考，使得相关从业人员能够系统性全面认识到电力通信网脆弱性评价和诊断工作的重要性以及解决方法，为提升电网安全和电力通信网的稳定可靠性发挥了一定作用。

参考文献：

[1]空中交通网络流系统拥堵程度评估[J]. 张兆宁,李蓝天. 科学技术与工程. 2019(30)

[2]城市空中交通市场发展前景分析[J]. 王翔宇. 航空动力. 2019(04)