基于复杂网络理论的电力通信网加边保护策略 卢彦飞
摘要：电力技术的蓬勃发展，使电力系统对通信安全的要求越来越高。电力通
信系统的脆弱点一旦暴露会直接导致电力系统灾难事故的发生。为了主动有效地
防御或抵御事故的冲击，确保电力系统安全稳定运行，应准确高效地找出电力通
信系统的脆弱部位，采用有效的方法进行系统脆弱性分析。在传统分析中，主要
应用可靠性指标来分析电力通信系统，这种方法仅依赖已知事故类型的多少，不
能反映整个系统固有的缺陷，不利于改进系统。本文分析了复杂网络理论的电力
通信网加边保护策略。
关键词：复杂网络理论；电力通信网；保护策略；
近年来，基于复杂网络的脆弱性分析方法被广泛运用于电力网、计算机网以
及社会科学网等大规模网络系统中，取得了良好的效果。电力通信网结构和电网
结构具有高度一致性，因此复杂网络分析法同样适用于电力通信网。。
一、意义
研究电力通信网的脆弱性并提出针对性的保护措施具有重要的理论价值与现
实意义。针对电力通信网的保护，目前主要有以下2 种思路。第一种思路以现有
的电力通信业务为研究重点，通过更新硬件设备、优化软件系统、建立合理的安
全评估指标等策略提高其可靠性。针对电力通信网中业务分布不均衡的问题，提
出了面向业务的风险均衡路由分配机制以降低通道段和网络整体风险。基于业务
平均风险度和业务风险均衡度，提出了一种基于电力通信网可靠性的业务路由分
配优化算法。第二种思路基于网络理论，通过优化电力通信网的拓扑改善其结构
脆弱性。基于节点重要度的平衡度网络拓扑优化算法。对调度数据网的拓扑特性
进行了研究并指出现有的调度数据网大致可分为双星形和网状2 种典型结构，双
星形网是典型的无标度网络，而网状网是典型的小世界网络。基于复杂网络理论，
从网络效率的角度评估了电力通信网的脆弱性。拓扑是电力通信网最直观、本质
的属性，通信业务的有效传输建立在可靠的物理网络基础上。除此之外，由于电
力通信业务种类繁多、运行方式复杂，拓扑脆弱节点更容易成为攻击对象。基于
复杂网络理论，可以有效地识别电力通信网固有的结构脆弱性并提出针对性的保
护策略。虽然已有学者提出了通过增加多条地理上相互独立的线路以改善网络脆
弱性的思路，但是缺乏对各种加边策略的对比研究且其有效性尚未在实际电力通
信网中得到检验。电力系统长期重一次侧轻二次侧，对一次电网的拓扑结构已进
行了较为充分的研究，而对实际电力通信网尤其是区域级电力通信网的拓扑结构
尚不清楚。因此，有必要对电力通信网的拓扑结构进行深入分析，并对现有加边
策略的有效性进行对比研究。
二、复杂网络理论的电力通信网加边保护策略
1.电力通信网建模。中国的电力通信网是服务于一次电网的专网，与公共通
信网物理隔离。由于各厂站内部通信设备的部署与连接情况难以获取且站点间存
在差异。一是除电力通信网外（包含110kV 电力通信网），其他省市只考虑
220kV 及以上高压输电网的通信系统，不考虑配电网的通信系统。二是按照功能
区分，电力通信网中包含2 类节点：各厂站（包含发电厂、变电站、换流站）的
通信节点和各级调度中心的通信节点。三是将站点之间的通信线路（光纤复合架
空地线光缆、全介质自承式光缆等）建模为电力通信网的边，忽略通信线路间的
差异且认为通信线路双向通信，即认为所有边为无向边。合并同一方向上的多条
通信线路以消除多重边和自环。忽略华中电力通信网与其邻接省份电力通信网间
的联络线。
2.脆弱性分析。本节首先基于复杂网络理论，从连通性和网络效率角度对比
了华中电力通信网在随机攻击、高度数节点攻击和高介数节点攻击模式下的脆弱
性；然后针对其结构特点，将电力通信网的脆弱性定义为电力通信网在遭受攻击
或故障下能够继续提供服务的能力，并从连通性和网络效率角度进行评估。站点
之间的连通是保障彼此间能够进行通信的最基本要求。连通脆弱性以最大连通子
集中的节点数与网络节点总数之比为指标，评估了电力通信网在遭受攻击或故障
下网络的最大连通能力。区域之间的通信虽然中断，但各区域内部的通信站点仍
可保障部分业务的正常运行。实时性是电力通信网最重要的指标之一，厂站间的
通信延时取决于经过站点的数目与通信线路的长度。通过增加通信线路可以有效
地提高电力通信网的鲁棒性，且可以避免有效节点比例及网络效率陡降的现象。
各种加边策略在不同攻击模式下互有优劣，在高介数节点攻击模式下，在不
同攻击模式下均具有较好的适应能力。
3.网络仿真。攻击脆弱性是复杂网络研究的一个热点分支，其基本定义是从
网络中有选择地移去某个节点或某条线路，以网络性能因此而下降的程度衡量此
节点或线路的脆弱度。研究目的在于识别出对系统功能影响严重的故障，从而采
取正确的预防/校正措施实施保护。经过以上的参数计算，得到节点度数排序和节
点介数排序，对网络进行攻击仿真，观察网络效能的变化情况，并与随机攻击相
对比。攻击联络节点的方式可分为：随机攻击某个节点，并逐步增加被攻击节点
的个数；有选择地蓄意攻击度数最大的节点，并依次攻击度数次大的节点；有选
择地蓄意攻击介数最大的节点，并依次攻击介数次大的节点。鉴于节点缺失过多
会使网络解体，做逐次攻击时，选取了部分节点进行攻击，并以修改后的效能函
数作为衡量网络特性的指标，节点的失效使得网络的特性曲线下降。显而易见，
蓄意攻击所引起的网络效能下降比随机攻击造成的影响要大，效能曲线的变化更
快。总体来看，度数越高或介数越高的节点对网络的影响更明显。在网络中，蓄
意攻击模式下，失去不到10%的节点，就造成网络效能60%的下降；网络的效能
下降更快，10%的节点损失就使得效能基本为0。这种差异是由网络结构差异引
起的，更加均匀。影响电力通信网脆弱性的因素主要有2 个。一是网络拓扑结构。
网络的结构和随机网络相近，但是结构不完全平衡；网络的结构不平衡，尤其是
介数分布。少数高介数和高度数节点能对网络产生很大的影响。对于小型随机电
力通信网来说，连接度比较高的节点和传输次数比较多的路径的点造成了这种结
构上的不平衡，成为了网络的脆弱点。二是通信网的业务分布。修改后的效能函
数隐含了业务分布对连通性的影响。节点的业务通过量越高，对网络影响越大，
但是曲线的基本趋势是不会改变的。综上所述，可以将介数或度数指标作为衡量
网络脆弱点的标准。对小型电力通信网来讲，故障是不可避免的，因此，必须加
强那些与网络结构相关的节点的保护。在现有脆弱点或脆弱线路上分配尽量少的
业务，使网络更加平衡，进而提升网络传输性能。
本文运用基于复杂网络理论的脆弱性分析法对电力通信网的脆弱性进行了分
析。通过攻击脆弱性的仿真，得出了系统潜在的脆弱点，分析了影响网络脆弱性
的因素。今后的研究将围绕网络节点承受能力的限制，使这种分析方法更加完善。
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