CN106603294A - 一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，所述方法包括：步骤1：获得电力通信网结构脆特性对电力通信网脆弱性评估的影响；步骤2：获得电力通信网运行状态特性对电力通信网脆弱性评估的影响；步骤3：综合电力通信网结构特性和运行状态特性对电力通信网脆弱性评估的影响，获得最终电力通信网脆弱性评估结果，实现了融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据不同网络拓扑结构与运行状态进行脆弱性评估的技术效果。

Description

一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法

技术领域

本发明涉及电力通信网脆弱性评估领域，具体地，涉及一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法。

背景技术

电力通信网作为智能电网的支撑网络，其安全稳定运行已成为智能电网智能化、经济安全运行的先决条件。对电力通信网脆弱性评估，目前对电力通信网脆弱性评估采用的方法有，基于复杂网络理论知识，采用某一指标如介数，紧密度等评估网络单元脆弱性，或根据复杂网络理论指标，融合电力站点的影响，分析网络单元脆弱性，电力通信网作为特殊的通信网络融合电力系统的影响，融合电力层的影响后更能细致地甄别出网络中脆弱环节；建立电力通信网业务层模型，根据多种网络攻击模型分析网络单元失效后业务损失重要度损失量，电力通信网业务对电网正常运行具有关键作用；在电力通信网的脆弱性评估基础上，融合电力层以及交互层的脆弱性，分析电力通信网的脆弱性；根据电力通信网传输层、网络层、业务层等分别分析各层次的脆弱性，通过融合多层次脆弱性进行网络脆弱性评估；根据多种网络攻击模型分析网络脆弱性。

目前在国内，对电力通信网脆弱性评估主要用于反映网络自身内在的不稳定性或者根据网络中部分或个体因外界干扰无法正常工作，导致网络遭受某种程度的损失或损害。对于网络处于当前运行状态下承受外界干扰能力的评估尚未涉及网络中各网络单元存在差异化设置，且网络单元间的数据流量不同，导致网络处于某一状态下，网络单元的表现出不同的拥塞水平，拥塞度大的单元，受到外界干扰时更易向临界状态过度。因此在以往的脆弱性研究基础上，有必要考虑当前网络运行状态对电力通信网脆弱性的影响。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的电力通信网脆弱性评估方法存在评估不全面，评估不准确的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，解决了现有的电力通信网脆弱性评估方法存在评估不全面，评估不准确的技术问题，实现了融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据不同网络拓扑结构与运行状态进行脆弱性评估的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，所述方法包括：

步骤1：获得电力通信网结构脆特性对电力通信网脆弱性评估的影响；

步骤2：获得电力通信网运行状态特性对电力通信网脆弱性评估的影响；

步骤3：综合电力通信网结构特性和运行状态特性对电力通信网脆弱性评估的影响，获得最终电力通信网脆弱性评估结果。

其中，本申请中的方法首先基于电力通信网结构脆特性对电力通信网脆弱性进行评估，然后基于电力通信网运行状态特性对电力通信网脆弱性进行评估，最后结合这两方面进行综合评估，实现了融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据不同网络拓扑结构与运行状态进行脆弱性评估的技术效果。

进一步的，所述步骤1具体包括：

首先，设电力通信网中节点指标集为K＝{k_n},n＝1,2...N,节点集为B＝{b_i},i＝1,2...I；将网络节点与各指标之间关系用矩阵D_I×N表示，其中，行向量对应网络节点，列向量对应节点指标集，D_in表示网络中第i个节点第n个指标值；计算在特征指标k_n下的各节点指标归一化值

然后，根据向量计算节点集在指标k_n下的信息熵

根据的信息熵和节点指标值计算节点重要度：

式中：α_i表示节点重要度；表示节点集在指标k_n下的权重大小：

进一步的，所述步骤2具体包括：

计算电力通信网节点当前运行状态下的拥塞度，首先计算每一时刻节点的缓存区队列长度大小，定义节点i在t时刻缓存区队列长度为：

L_i(t)＝L_i(t-1)+△k_i(t)

式中：L_i(t)表示节点i在t时刻缓存区队列长度；L_i(t-1)表示节点i在t-1时刻缓存区队列长度；△k_i(t)表示节点i在t时刻相对t-1时刻缓存区队列长度变化量；

然后，定义节点在当前状态下的节点拥塞度为：

根据节点当前状态拥塞度以及节点的中心化程度q_i定义运行状态脆弱性为：

β_i＝f_i(1+q_i)。

进一步的，所述步骤3具体包括：

对电力通信网节点综合脆弱性大小计算公式为：

v_i＝α_i'+β_i'-α_i'β_i'

式中：v_i表示节点i的综合脆弱值，α_i'为节点i以最大值归一化处理后的结构脆弱值，β_i为节点i以最大值归一化处理后的运行状态脆弱值。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

现有技术中的评估方法对于网络处于当前运行状态下承受外界干扰能力的评估尚未涉及网络中各网络单元存在差异化设置，且网络单元间的数据流量不同，导致网络处于某一状态下，网络单元的表现出不同的拥塞水平，拥塞度大的单元，受到外界干扰时更易向临界状态过度；而本申请中的方法在以往的脆弱性研究基础上，考虑当前网络运行状态对电力通信网脆弱性的影响，融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据不同网络拓扑结构与运行状态进行脆弱性评估的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法的流程示意图；

图2是本申请中IEEE14测试系统仿真示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，解决了现有的电力通信网脆弱性评估方法存在评估不全面，评估不准确的技术问题，实现了融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据不同网络拓扑结构与运行状态进行脆弱性评估的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图2，对电力通信网脆弱性评估中，该算法主要由三个部分组成：电力通信网结构脆特性对脆弱性的影响、电力通信网运行状态特性对脆弱性的影响，综合结构特性和运行状态特性的脆弱性评估。

电力通信网结构脆弱性是研究某一单元在其网络结构中的“重要程度”。网络拓扑中重要性高的节点，一旦遭受攻击或出现故障，将给网络连通性和功能带来巨大的负面影响。复杂网络理论中有多种对节点重要度的衡量指标，如节点度、节点介数、节点紧密度等，为避免单一指标的不准确性，采取一种新的评估算法，综合不同的指标评估节点重要度，具体包括：

设节点指标集为K＝{k_n},n＝1,2...N,节点集为B＝{b_i},i＝1,2...I。将网络节点与各指标之间关系用矩阵D_I×N表示，其中行向量对应网络节点，列向量对应节点指标集，D_in表示网络中第i个节点第n个指标值。计算在特征指标k_n下的各节点指标归一化值

然后，根据向量计算节点集在指标k_n下的信息熵

在指标k_n下，当节点信息熵越大，表明通过指标k_n评估节点重要度时，电力通信网各节点重要度值分布越接近。根据的信息熵和节点指标值计算节点重要度。

式中：α_i表示节点重要度，节点重要度越大，一旦遭受攻击或出现故障，将给网络连通性和功能带来巨大的负面影响，节点结构脆弱性越大；表示节点集在指标k_n下的权重大小。

在指标k_n下，当节点集信息熵越大，节点重要度分布越接近，则通过该指标对节点重要度评估时影响程度越小，对应的权重越小。

节点运行状态的脆弱性是指节点受到外界干扰后能承受干扰的能力。该特性是对节点当前运行状态安全水平的衡量，通常采用节点当前状态向临界状态的裕度大小衡量。当节点拥塞度最大时，可认为节点处于临界状态。节点当前状态拥塞度反映了节点向临界状态的接近程度，当拥塞度越大，节点受外界干扰时更易向临界状态过渡，节点的运行状态脆弱性越大。由于网络中的的节点设置不同，导致节点间存在主次之分，在网络受到外界干扰后对网络的影响程度不同，网络中每个节点对网络的影响程度不同，受到外界干扰后，对网络影响深的节点更易向临界状态转移。具体包括：

计算节点当前运行状态下的拥塞度，首先需要计算每一时刻节点的缓存区队列长度大小，定义节点i在t时刻缓存区队列长度为

L_i(t)＝L_i(t-1)+△k_i(t)

式中：L_i(t)表示节点i在t时刻缓存区队列长度；L_i(t-1)表示节点i在t-1时刻缓存区队列长度；△k_i(t)表示节点i在t时刻相对t-1时刻缓存区队列长度变化量。

然后根据仿真周期内各节点缓存区队列长度平均值，并与各节点缓存区大小结合，定义节点在当前状态下的节点拥塞度为

根据节点当前状态拥塞度以及节点的中心化程度q_i定义运行状态脆弱性为

β_i＝f_i(1+q_i)

提出结合两脆弱因子的评估思想，即在考虑元件结构脆弱性的同时，兼顾当前运行状态安全水平的影响。具体包括：

节点结构脆弱性评估是根据网络的拓扑结构甄别出电力通信网脆弱节点，节点运行状态脆弱性评估是根据网络当前运行状态甄别出安全状况差且对网络影响深的节点。单一地通过结构或状态角度评估节点脆弱性势必存在不足。由此本文提出融合网络结构和运行状态的节点综合脆弱性评估模型。对节点综合脆弱性大小计算公式如下：

v_i＝α_i'+β_i'-α_i'β_i'

式中：v_i表示节点i的综合脆弱值，α_i'为节点i以最大值归一化处理后的结构脆弱值，β_i为节点i以最大值归一化处理后的运行状态脆弱值。

根据IEEE14测试系统进行仿真验证，具体包括：

根据电力通信网拓扑结构，采用复杂网络理论中节点度数、介数、节点紧密度指标计算出节点重要度，如下表1所示。

表1

根据网络当前运行状态，通过仿真得到仿真时间内节点缓存区平均队列长度，计算得到各节点的拥塞度。采用节点介数作为节点中心化程度,计算出节点运行状态脆弱性，如下表2所示。

表2

根据各节点以最大值归一化后的结构脆弱值、运行状态脆弱值计算出节点综合脆弱性大小，如下表3所示。

表3

由上表可以看出：节点结构脆弱性最大的节点为节点1，依次排名为6-3-5-4-2，结构脆弱性最小的节点为节点13。在当前运行状态下，运行状态脆弱性最大的节点为节点2，依次排名为6-12-10-7-1，运行状态脆弱性最小的为节点14。考虑了运行状态后节点脆弱性排序发生了变化，综合脆弱性最大的节点为1号、2号节点，依次排名为6-12-3-10-7。

结果表明，相对于只考虑节点结构脆弱性评估，考虑了网络当前运行状态的影响，节点的脆弱值都增大且排序发生了变化。例如，节点1、2综合脆弱性相同且最大，若只考虑节点结构脆弱性节点1的结构脆弱性最大，节点2的结构脆弱性值排名仅为第六位，考虑运行状态对脆弱性的影响后，两节点的脆弱值却相同且最大。因此融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据网络不同运行状态进行脆弱性评估，以便加强对网络中的脆弱节点进行维护管理，提高网络正常运行能力。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

现有技术中的评估方法对于网络处于当前运行状态下承受外界干扰能力的评估尚未涉及网络中各网络单元存在差异化设置，且网络单元间的数据流量不同，导致网络处于某一状态下，网络单元的表现出不同的拥塞水平，拥塞度大的单元，受到外界干扰时更易向临界状态过度；而本申请中的方法在以往的脆弱性研究基础上，考虑当前网络运行状态对电力通信网脆弱性的影响，融合网络当前运行状态后，能更加全面地对网络中的脆弱环节进行定位，并能根据不同网络拓扑结构与运行状态进行脆弱性评估的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：获得电力通信网结构脆特性对电力通信网脆弱性评估的影响；

步骤2：获得电力通信网运行状态特性对电力通信网脆弱性评估的影响；

步骤3：综合电力通信网结构特性和运行状态特性对电力通信网脆弱性评估的影响，获得最终电力通信网脆弱性评估结果。

2.根据权利要求1所述的基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

首先，设电力通信网中节点指标集为K＝{k_n},n＝1,2...N,节点集为B＝{b_i},i＝1,2...I；将网络节点与各指标之间关系用矩阵D_I×N表示，其中，行向量对应网络节点，列向量对应节点指标集，D_in表示网络中第i个节点第n个指标值；计算在特征指标k_n下的各节点指标归一化值

$A^{\left(k_n\right)}=\[\frac{D_{1n}}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{D}_{in}},\frac{D_{2n}}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{D}_{in}}...\frac{D_{In}}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{D}_{in}}\]$

然后，根据向量计算节点集在指标k_n下的信息熵

$F^{\left(k_n\right)}=-\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{A}^{\left(k_n\right)}\left(i\right){{\log }_2}^{A^{\left(k_n\right)}\left(i\right)}$

$A^{\left(k_n\right)}\left(i\right)\∈A^{\left(k_n\right)}$

根据的信息熵和节点指标值计算节点重要度：

${\mathrm{\α}}_i=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{w}^{\left(k_n\right)}{A}^{\left(k_n\right)}\left(i\right)$

式中：α_i表示节点重要度；表示节点集在指标k_n下的权重大小：

$w^{\left(k_n\right)}=\frac{\frac{1}{F^{\left(k_n\right)}}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{1}{F^{\left(k_n\right)}}}.$

3.根据权利要求2所述的基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

计算电力通信网节点当前运行状态下的拥塞度，首先计算每一时刻节点的缓存区队列长度大小，定义节点i在t时刻缓存区队列长度为：

L_i(t)＝L_i(t-1)+△k_i(t)

式中：L_i(t)表示节点i在t时刻缓存区队列长度；L_i(t-1)表示节点i在t-1时刻缓存区队列长度；△k_i(t)表示节点i在t时刻相对t-1时刻缓存区队列长度变化量；

然后，定义节点在当前状态下的节点拥塞度为：

$f_i=\frac{\left(\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{L}_i\right(t\left)\right)/T_s}{C_i}$

根据节点当前状态拥塞度以及节点的中心化程度q_i定义运行状态脆弱性为：

β_i＝f_i(1+q_i)。

4.根据权利要求3所述的基于电力通信网结构和状态的综合脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

对电力通信网节点综合脆弱性大小计算公式为：

v_i＝α_i'+β_i'-α_i'β_i'

${{\mathrm{\α}}_i}^{\′}=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{max({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2,...,{\mathrm{\α}}_I)}$

${{\mathrm{\β}}_i}^{\′}=\frac{{\mathrm{\β}}_i}{max({\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\β}}_2,...,{\mathrm{\β}}_I)}$

式中：v_i表示节点i的综合脆弱值，α_i'为节点i以最大值归一化处理后的结构脆弱值，β_i为节点i以最大值归一化处理后的运行状态脆弱值。