CN103607320A - 电力通信网抗毁性评价方法 - Google Patents

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CN103607320A CN201310575647.2A CN201310575647A CN103607320A CN 103607320 A CN103607320 A CN 103607320A CN 201310575647 A CN201310575647 A CN 201310575647A CN 103607320 A CN103607320 A CN 103607320A
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Abstract

一种电力通信网抗毁性评价方法，它包括以下步骤：a.把电力通信网的部件抽象为节点，把物理链路抽象为边；b.计算初始状态网络效率；c.依次删除每个节点、每条边，计算新生成图的网络效率；d.计算各个节点、各条边的故障影响度；e.计算全网抗毁度
Figure 761883DEST_PATH_IMAGE001
；f.利用全网抗毁度
Figure 210182DEST_PATH_IMAGE001
对电力通信网的抗毁性进行评判。本发明既考虑了电力通信网络中各个部件对网络性能的重要度，同时也考虑到网络中链路的作用，因而能够反映电力通信网络的整个破坏过程，该方法消除现有评价方法的片面性，评价结果更加客观、合理。在电力通信网拓扑结构设计之初，利用该方法对网络抗毁性能进行定量分析，可以优化网络的设计方案，提高网络的抗毁度。

Description

电力通信网抗毁性评价方法
技术领域
本发明涉及一种对电力通信网在出现故障的情况下能够继续保持通信的能力进行评价的方法，属于通信技术领域。
背景技术
电力通信网是为电力行业服务的专用通信网络，是由发电厂、变电站和上下多级电力部门的交换设备和终端设备通过传输系统连接而成，其安全性和可靠性与电网的安全稳定运行密切相关。随着智能电网的迅速发展，越来越多的信息需要电力通信网传输，这就对电力通信网在局部出现故障的情况下能继续保持通信的能力提出了较高的要求。因此抗毁性就成为电力通信网设计和分析时需要着重考虑的重要因素之一。
网络抗毁性的概念从图论理论中提出，其定义是当网络中出现确定性或者随机性故障时，网络维持或恢复其性能到一个可接受程度的能力。虽然目前还没有统一的标准或方法对网络的抗毁性进行定量分析，但国内外很多学者都做了这方面的尝试，例如有的通过计算网络在节点完整和失去不同数目节点时的连通度之和，确定网络抗毁性的测度指标；有的通过逐步删除节点计算网络效率的变化程度得到节点重要度，在此基础上建立了网络抗毁性的测度指标；有的通过逐步删除节点分别计算生成树个数和最短路径长度，根据生成树的个数和最短路径长度的增量确定节点重要度，进而确定网络抗毁性。这些方法都是通过比较节点删除前后网络各种性能的变化程度确定节点的重要度，但却忽略了网络中链路的作用。由于链路故障对网络性能的影响与节点故障相比较小，加上不同类型的链路种类众多，权值难以确定，所以人们忽略了考虑链路故障对网络的影响，但是，随着电力通信网业务的激增，电力通信网链路在承担业务传输通路中发挥着重要作用，其故障引起的网络性能变化同样不可忽视，所以抗毁性测量指标应该能够反映电力通信网络的整个破坏过程，必须包含节点和链路故障的因素，现有电力通信网抗毁性评价方法亟待完善。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种能够全面反映电力通信网络在被破坏过程中各故障因素影响的电力通信网抗毁性评价方法。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种电力通信网抗毁性评价方法，它按以下步骤进行：
a.把电力通信网的部件（包括发电厂或者变电站的交换设备、终端主机）抽象为节点，把物理链路抽象为边，与节点相关联的边的个数定义为节点度数，一个实际的电力通信网就抽象成了一个由节点和边构成的图，用                                                
Figure 2013105756472100002DEST_PATH_IMAGE001
表示，其中
Figure 2013105756472100002DEST_PATH_IMAGE002
，表示个节点的集合，
Figure 2013105756472100002DEST_PATH_IMAGE004
，表示
Figure 2013105756472100002DEST_PATH_IMAGE005
条边的集合；
b.计算初始状态网络效率，式中
Figure 279702DEST_PATH_IMAGE003
为网络的节点数目，
Figure 2013105756472100002DEST_PATH_IMAGE007
为节点和节点
Figure DEST_PATH_IMAGE009
之间最短路径的长度；
c.依次删除每个节点、每条边，计算新生成图的网络效率；
d.计算各个节点、各条边的故障影响度：
①计算节点
Figure DEST_PATH_IMAGE010
的故障影响度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示节点
Figure 195574DEST_PATH_IMAGE010
故障后新生成的图；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示节点
Figure 805547DEST_PATH_IMAGE010
故障后新生成的图中各个节点度数之和；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示原图各个节点度数之和；表示节点
Figure 710049DEST_PATH_IMAGE010
的权值；
②计算边
Figure DEST_PATH_IMAGE019
的故障影响度
Figure DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
其中，，
式中表示边
Figure 668647DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图，表示边故障后新生成的图
Figure 501791DEST_PATH_IMAGE023
中各个节点度数之和；表示原图
Figure 327981DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示边
Figure 765916DEST_PATH_IMAGE019
的权值；
e.计算全网抗毁度
Figure DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
；
f.利用全网抗毁度
Figure 124216DEST_PATH_IMAGE026
对电力通信网的抗毁性进行评判：
全网抗毁度值越大，网络抗毁性能越好。
上述电力通信网抗毁性评价方法，不同节点的权值
Figure DEST_PATH_IMAGE031
 取值如下：
110KV站点节点的权值为0.2；220KV站点节点的权值为0.3；500KV站点节点的权值为0.4；电厂节点的权值为0.1。
上述电力通信网抗毁性评价方法，当电力通信网链路采用光缆时，不同边的权值按如下方法选取：
①对于OPGW光缆，权值
Figure DEST_PATH_IMAGE032
=电压等级权值+地理位置权值；
②对于ADSS光缆，权值=电压等级权值+污染等级+地理位置权值；
③对于普通光缆，若为管道铺设，则
Figure 366027DEST_PATH_IMAGE032
=0.3；若为架空铺设，则
Figure 822416DEST_PATH_IMAGE032
=0.7。
上述电力通信网抗毁性评价方法，OPGW光缆和ADSS光缆的各种权值如下：
OPGW光缆的电压等级权值：
220kv线路的电压等级权值为：0.6×0.3=0.18；
110kv线路的电压等级权值为：0.6×0.7=0.42；
OPGW光缆的地理位置权值：
山区权值为：0.4×0.7=0.28；
平原权值为：0.4×0.3=0.12；
ADSS光缆的电压等级权值：
220kv线路的电压等级权值为：0.4×0.3=0.12；
110kv线路的电压等级权值为：0.4×0.2=0.08；
10kv线路的电压等级权值为：0.4×0.5=0.2；
ADSS光缆的污染等级权值：
严重污染的权值为：0.3×0.7=0. 21；
一般污染的权值为：0.3×0.3=0.09；
ADSS光缆的地理位置权值：
山区权值为：0.3×0.7=0.21；
平原权值为：0.3×0.3=0.09。
本发明既考虑了电力通信网络中各个部件对网络性能的重要度，同时也考虑到网络中链路的作用，因而能够反映电力通信网络的整个破坏过程，该方法消除现有评价方法的片面性，评价结果更加客观、合理。在电力通信网拓扑结构设计之初，利用该方法对网络抗毁性能进行定量分析，可以优化网络的设计方案，提高网络的抗毁度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1和图2是利用本方法进行抗毁性评价的两个电力通信网实例。
图中和文中各符号表示为：为由节点和边构成的图；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为
Figure 514746DEST_PATH_IMAGE003
个节点的集合；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为条边的集合；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为初始状态网络效率；
Figure 742782DEST_PATH_IMAGE003
为网络的节点数目；
Figure 957731DEST_PATH_IMAGE007
为节点
Figure 139314DEST_PATH_IMAGE008
和节点
Figure 328987DEST_PATH_IMAGE009
之间最短路径的长度；
Figure 228810DEST_PATH_IMAGE011
为节点
Figure 201445DEST_PATH_IMAGE010
的故障影响度；
Figure 503113DEST_PATH_IMAGE014
为节点
Figure 863688DEST_PATH_IMAGE010
故障后新生成的图；
Figure 250807DEST_PATH_IMAGE015
为节点故障后新生成的图中各个节点度数之和；为原图
Figure 839417DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和；为节点的权值；
Figure 277537DEST_PATH_IMAGE018
为节点
Figure 288219DEST_PATH_IMAGE010
的权值；
Figure 256175DEST_PATH_IMAGE020
为边
Figure 883465DEST_PATH_IMAGE019
的故障影响度；
Figure 595069DEST_PATH_IMAGE023
为边
Figure 460257DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图；
Figure 599114DEST_PATH_IMAGE024
为边
Figure 589067DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图
Figure 838783DEST_PATH_IMAGE023
中各个节点度数之和；
Figure 824056DEST_PATH_IMAGE016
为原图
Figure 133815DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和；
Figure 735698DEST_PATH_IMAGE032
为边的权值；
Figure 789104DEST_PATH_IMAGE025
为边
Figure 628884DEST_PATH_IMAGE019
的权值；、全网抗毁度；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为标准差。
具体实施方式
一、电力通信网抗毁性评价方法
通过把电力通信网的部件——发电厂或者变电站的交换设备、终端主机等抽象为节点，把物理链路抽象为边，一个实际的电力通信网就抽象成了一个由节点和边构成的图，用
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表示，其中，表示
Figure 588936DEST_PATH_IMAGE003
个节点的集合，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，表示
Figure 446033DEST_PATH_IMAGE005
条边的集合，节点度数是与节点相关联的边的个数。为了便于分析，在此基础上假设节点和边只有正常和故障2种工作状态，无任何中间状态；初始状态节点和边都处于正常的工作状态；各个节点和边的工作状态彼此独立。
电力系统通信网抗毁性评价的步骤是：（1）计算初始状态网络效率；（2）依次删除每个节点、每条边，计算新生成图的网络效率；（3）计算各个节点、各条边的故障影响度；（4）计算全网抗毁度；（5）利用计算出的全网抗毁度对电力系统通信网进行评价。
1、网络效率
网络效率的概念最初是建立在小世界的模型上，目前广泛应用于各种网络的分析过程中。本方法电力通信网的网络效率可以表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，式中为网络的节点数目，
Figure 198406DEST_PATH_IMAGE007
为节点
Figure 774881DEST_PATH_IMAGE008
和节点
Figure 170090DEST_PATH_IMAGE009
之间最短路径的长度，由公式可以看出网络效率即为网络中所有节点之间最短路径长度的倒数的平均值。如果信息在两个节点间传输，最短路径长度越短表示能够用更短时间和更少的花费，即效率越大，取值在[0,1]范围之内，数值由小到大表示网络连通性逐步增强，当表示全连通。
2、故障影响度
当网络中的节点或链路发生故障时，必然会对网络通信产生影响，如何衡量影响的大小是各个研究人员最为关注的问题。本文采用节点和边的故障影响度作为刻画影响网络连通能力的指标，主要通过计算每个节点或边故障时网络效率的下降程度体现。但在极其极端的情形下，节点或边的故障会出现网络效率增加的情形，所以为了使计算结果更加合理准确，故障影响度综合考虑了网络中节点总度数的减少。
2.1 节点故障影响度
Figure DEST_PATH_IMAGE042
式中
Figure 462717DEST_PATH_IMAGE014
表示节点
Figure 729750DEST_PATH_IMAGE010
故障后新生成的图，需要注意的是当节点
Figure 928650DEST_PATH_IMAGE010
故障后，与之相连的所有边同时失效删除；
Figure 863108DEST_PATH_IMAGE015
表示节点
Figure 122051DEST_PATH_IMAGE010
故障后新生成的图中各个节点度数之和；
Figure 876381DEST_PATH_IMAGE016
表示原图
Figure 19917DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和。
在电力通信网中，作为节点的110KV、220KV、500KV站点及发电厂中的交换设备和终端设备的故障率和重要性不同，需要对计算得出的结果进行修正，定义电力通信网节点故障影响度为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，
表示节点
Figure 691256DEST_PATH_IMAGE010
的权值。
表1 节点权值
Figure 73827DEST_PATH_IMAGE031
 取值
110KV站点 220KV站点 500KV站点 电厂
=0.2
Figure 258001DEST_PATH_IMAGE031
=0.3
Figure 593167DEST_PATH_IMAGE031
=0.4
Figure 853247DEST_PATH_IMAGE031
=0.1
2.2 边故障影响度
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，
式中
Figure 932061DEST_PATH_IMAGE023
表示边
Figure 430039DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图，
Figure 591899DEST_PATH_IMAGE024
表示边
Figure 808116DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图
Figure 690622DEST_PATH_IMAGE023
中各个节点度数之和；
Figure 574264DEST_PATH_IMAGE016
表示原图
Figure 516812DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和。
    目前电力通信网链路主要是光缆，根据光缆铺设方式不同、长度不同、环境不同，重要性和故障率也不相同，所以还需对计算出的结果进行修正，定义电力通信网的边故障影响度为
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 559941DEST_PATH_IMAGE025
表示边
Figure 980558DEST_PATH_IMAGE019
的权值。
边的权值是一个综合光缆运行中各种环境影响的系数，影响该系数的一类因素是光缆的敷设类型，如：架空光缆、管道光缆，电力系统常用OPGW和ADSS两种光缆类型。另一类因素是光缆的运行环境，如：气候条件、地理位置、空气污染、电压等级、施工水平、产品质量等。利用该系数对边故障影响度的值进行调整。设该因子为
Figure 984286DEST_PATH_IMAGE032
，通过与一线工作人员现场讨论并参考专家意见，可以整理出各种光缆的影响因素，得到不同类型光缆边权值。
表2 边权值
Figure 832157DEST_PATH_IMAGE032
取值
Figure DEST_PATH_IMAGE046
3、全网抗毁度
节点或边的故障影响度越高，表明其故障后对整个网络连通能力的影响越大，也就是说属于网络中的关键节点或边。从抗毁性的角度分析，敌方打击这些目标，对整个网络破坏力巨大，所以故障影响度与网络抗毁性关系密切。在进行网络拓扑结构设计时，考虑到网络的抗毁性，要避免出现关键的节点或边，让敌人攻击各个节点和边对网络造成的破坏力基本相同，也就是各个节点和边的故障影响度基本相同，所以可以用故障影响度的标准差来表示全网的抗毁度。
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，
标准差
Figure 163912DEST_PATH_IMAGE036
反映了故障影响度的分散程度，
Figure 388220DEST_PATH_IMAGE036
值越小，网络中各个节点和边的故障影响度差别越小，全网抗毁度越高。为了更直观的表示抗毁性，定义全网抗毁度
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE050
值越大，网络抗毁性能越好。
2实例分析
为了验证上文所述抗毁度衡量指标的有效性，下面进行实例分析。现在有一个电力通信网A，结构如图1所示。网络A有7个节点和8条边，利用本文所述算法进行计算，为了计算简便，各边和节点权值均取1，相关结果如表3和表4所示，经过计算得到全网抗毁度为0.9225。
表3 网络A节点故障影响度
节点 v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7
度数 2 2 3 2 3 2 2
故障影响度 0.2465 0.2465 0.4390 0.2588 0.4390 0.2465 0.2465
表4 网络A边故障影响度
边 e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8
故障影响度 0.2074 0.1919 0.2074 0.1919 0.2022 0.2022 0.2074 0.2074
在图1所示的网络A中，节点1,2,6,7、节点3,5、边1,3,7,8、边2,4、边5,6分别处于对称位置，故障影响度应该相同，上面表中所列结果证明了这一点。节点4与节点1,2,6,7的度数同样为2，如果采用节点度数作为标准衡量故障影响度，会得到这5个节点故障影响度一致的结论，但实际情况并非如此，明显节点4处于网络的中心位置，故其重要程度应强于节点1,2,6,7。通过本文的算法计算可以得到节点4的故障影响度为0.2588，略高于节点1,2,6,7的故障影响度0.2465。
图2所示的网络B与网络A具有相同的节点数和边数，但拓扑结构不同，利用本文算法可以得到以下结果，经过计算得到全网抗毁度
Figure 530805DEST_PATH_IMAGE050
为0.8410。
表5 网络B节点故障影响度
节点 v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7
度数 2 2 3 2 3 2 2
故障影响度 0.2227 0.2227 0.5909 0.5091 0.5909 0.2227 0.2227
表6 网络B边故障影响度
边 e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8
故障影响度 0.1591 0.1830 0.1830 0.4545 0.4545 0.1830 0.1830 0.1591
从网络B可以看出节点1,2,6,7与节点4的度数也同样为2，但如果节点4故障，则图变为非联通图，对网络破坏较大，而节点3,5的度数为3，它们故障同样会使图变为非联通图，表5的结果表明节点4的故障影响度只略低于节点3和5，远大于节点1,2,6,7。由此可以看出本文算法评估网络抗毁性的准确性和可靠性较好。
对比两个图的结果可以看出，网络A的网络抗毁性能优于网络B，主要原因是网络A的各个节点和边的故障影响度比较均衡，敌方攻击任一个节点或边对网络造成的损害程度相仿，而且对网络A而言，任何一个节点或边的失效都不会使图变为非联通图，通信可以继续进行。所以在通信网拓扑结构设计之初，通过算法定量的分析网络抗毁性能，可以淘汰网络抗毁度低的设计方案，选择更优的方案。

Claims (4)

1.一种电力通信网抗毁性评价方法，其特征是，它按以下步骤进行：
a.把电力通信网的各部件，包括发电厂或者变电站的交换设备、终端主机，抽象为节点，把物理链路抽象为边，与节点相关联的边的个数定义为节点度数，将实际的电力通信网抽象成一个由节点和边构成的图，用                                                表示，其中
Figure 114235DEST_PATH_IMAGE002
，表示个节点的集合，
Figure 695706DEST_PATH_IMAGE004
，表示
Figure 510078DEST_PATH_IMAGE005
条边的集合；
b.计算初始状态网络效率
Figure 332540DEST_PATH_IMAGE006
，式中，
Figure 599574DEST_PATH_IMAGE003
为网络的节点数目，
Figure 329632DEST_PATH_IMAGE007
为节点
Figure 998511DEST_PATH_IMAGE008
和节点
Figure 991875DEST_PATH_IMAGE009
之间最短路径的长度；
c.依次删除每个节点、每条边，计算新生成图的网络效率；
d.计算各个节点、各条边的故障影响度：
①计算节点
Figure 401996DEST_PATH_IMAGE010
的故障影响度
Figure 139008DEST_PATH_IMAGE011
：
，
其中，
Figure 92238DEST_PATH_IMAGE013
，
式中
Figure 865022DEST_PATH_IMAGE014
表示节点
Figure 140145DEST_PATH_IMAGE010
故障后新生成的图；
Figure 783616DEST_PATH_IMAGE015
表示节点故障后新生成的图中各个节点度数之和；
Figure 254229DEST_PATH_IMAGE016
表示原图
Figure 333043DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和；表示节点
Figure 602668DEST_PATH_IMAGE010
的权值；
②计算边
Figure 84465DEST_PATH_IMAGE019
的故障影响度：
Figure 319454DEST_PATH_IMAGE021
，
其中，
Figure 917794DEST_PATH_IMAGE022
，
式中
Figure 355729DEST_PATH_IMAGE023
表示边
Figure 776346DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图，表示边
Figure 893524DEST_PATH_IMAGE019
故障后新生成的图
Figure 818754DEST_PATH_IMAGE023
中各个节点度数之和；
Figure 43062DEST_PATH_IMAGE016
表示原图
Figure 104559DEST_PATH_IMAGE017
各个节点度数之和；
Figure 795435DEST_PATH_IMAGE025
表示边
Figure 207961DEST_PATH_IMAGE019
的权值；
e.计算全网抗毁度
Figure 235960DEST_PATH_IMAGE026
Figure 417543DEST_PATH_IMAGE027
，
其中，
Figure 138374DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 38197DEST_PATH_IMAGE029
；
f.利用全网抗毁度
Figure 604308DEST_PATH_IMAGE026
对电力通信网的抗毁性进行评判：
全网抗毁度值越大，网络抗毁性能越好。
2.根据权利要求1所述的一种电力通信网抗毁性评价方法，其特征是，不同节点的权值
Figure 922342DEST_PATH_IMAGE030
 取值如下：
110KV站点节点的权值为0.2；220KV站点节点的权值为0.3；500KV站点节点的权值为0.4；电厂节点的权值为0.1。
3.根据权利要求1或2所述的一种电力通信网抗毁性评价方法，其特征是，当电力通信网链路采用光缆时，不同边的权值按如下方法选取：
①对于OPGW光缆，权值=电压等级权值+地理位置权值；
②对于ADSS光缆，权值
Figure 679263DEST_PATH_IMAGE031
=电压等级权值+污染等级+地理位置权值；
③对于普通光缆，若为管道铺设，则
Figure 101017DEST_PATH_IMAGE031
=0.3；若为架空铺设，则
Figure 898072DEST_PATH_IMAGE031
=0.7。
4.根据权利要求3所述的一种电力通信网抗毁性评价方法，其特征是，OPGW光缆和ADSS光缆的各种权值如下：
OPGW光缆的电压等级权值：
220kv线路的电压等级权值为：0.6×0.3=0.18；
110kv线路的电压等级权值为：0.6×0.7=0.42；
OPGW光缆的地理位置权值：
山区权值为：0.4×0.7=0.28；
平原权值为：0.4×0.3=0.12；
ADSS光缆的电压等级权值：
220kv线路的电压等级权值为：0.4×0.3=0.12；
110kv线路的电压等级权值为：0.4×0.2=0.08；
10kv线路的电压等级权值为：0.4×0.5=0.2；
ADSS光缆的污染等级权值：
严重污染的权值为：0.3×0.7=0. 21；
一般污染的权值为：0.3×0.3=0.09；
ADSS光缆的地理位置权值：
山区权值为：0.3×0.7=0.21；
平原权值为：0.3×0.3=0.09。
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