计算机网络对智能电网安全的有效保护机制分析

黎斌，杨小梅

（1.广西职业技术学院计算机系，广西南宁　530000；2.广西经济管理干部学院计算机系，广西南宁　530000）

计算机网络对智能电网安全的有效保护机制分析

黎斌1，杨小梅2

（1.广西职业技术学院计算机系，广西南宁530000；2.广西经济管理干部学院计算机系，广西南宁530000）

传统的保护方法采用时帧分布调节方法实现智能电网网络信道交叉映射，实现过载保护和网络节点管理，容易导致智能电网计算机网络节点信道偏移，数据丢包率较高，安全性差。提出基于端到端数据融合滤波的具有容错性的计算机网络下智能电网安全保护机制。构建计算机网络下的电网节点优化分布模型，采用网格形式部署，对过载节点进行数据融合与滤波处理，提高电网节点的容错性能；采用预加重方法补偿智能电网计算机网络节点之间的系统功率衰减，实现安全保护优化。仿真结果表明，采用该算法能准确实现对智能电网中的网过载的失调节点定位，电网进行能量传输稳定性较高，抗干扰性能较好，有效实现了电网的安全保护。

智能电网安全；计算机网络；保护机制

随着对国家电网规模的不断扩大，对智能电网的实时故障监测和保护受到重视。结合PC机技术以及软件计算的发展，集合智能电网计算机网络通信技术、PC机技术和无线通信的智能电网计算机网络广泛应用在电网控制领域中，在变电、输电、配电等方面发挥着重要作用。智能电网计算机网络有分布式、自组织和多跳性等特征，容易受到网络攻击，在电网数据通信和传输中容易导致数据丢包和失真，需要一种有效的智能电网安全保护机制，以提高电网系统的稳定性和可靠性。那么，如何应计算机网络对智能电网进行安全保护，是该领域亟待解决的一个热门问题，受到越来越多相关学者的关注，并给出了很多好的方法［1-2］。

文献［3］提出基于能量感知和多径功耗测试的智能电网能量采集和安全保护算法，设置负载平衡的CTP路由协议实现电网的安全组网，提高数据安全传输性能，但该模型存在着非线性失真，对电网的坏数据预测性能不好；文献［4］提出基于负载-功耗特征测试的大功率智能电网计算机网络通信组网模型，构建节点数据传输信道，实现智能电网的数据优化传输，但是该模型存在着计算量大，组网开销大的问题，应用价值不高；文献［5］采用时帧分布调节方法实现智能电网网络信道交叉映射，实现过载保护和网络节点管理，容易导致智能电网计算机网络节点信道偏移，数据丢包率较大，安全性不好。针对传统方法出现的问题，提出基于端到端数据融合滤波的具有容错性的计算机网络下智能电网安全保护机制，构建计算机网络下的电网节点优化分布模型，采用网格形式部署，对过载节点进行数据融合与滤波处理，采用预加重方法补偿智能电网计算机网络节点之间的系统功率衰减，实现电网的安全有效保护。仿真实验证明，改进的算法相比传统的算法，其能量传输稳定性较高，抗干扰性能较好，在实现电网安全保护中具有一定的优越性能。

1　智能电网的计算机网络节点分布模型和信息测量

1.1智能电网的计算机网络节点分布模型

当前，智能电网采用计算机网络路由节点管理方法实现电力调度和供电管理，智能电网计算机网络实际上是一种传感器网络，智能电网的计算机网络节点由分布在用户管理和供电区域内的多个传感器节点构成，通过改善智能电网计算机网络结构，实现节点的优化部署和安全保护；通过发挥智能电网计算机网络和无线传感器网络的优势，提高电网的安全性和可靠性［6-8］。计算机网络下智能电网安全保护控制WSN网络模型用一个连通的无向图G=（V，E）表示，智能电网的网络组网模型如图1所示。图1中，Z表智能电网的根节点，其中Z∈V，所有电网路由分配节点都有相同的传输半径r，边（u，v）∈E，设每个节点的干扰半径为rI，电网控制节点u发送数据给用户v，x发送数据给电网用户y，在簇头生成过程中形成Nf个帧，计算机网络智能电网的传输调度集｛S1，S2，…，SL｝，每个簇头节点帧分为Nc个特征矢量，每个电网数据传输调度集Si（i=1，2，…，L）满足以下条件：

假设智能电网计算机网络的基站位于网络监测区域顶点，电网中的节点受到网络攻击后，会产生工作节点、休眠节点和恶意节点，其中，恶意节点对智能电网造成过载等安全威胁，需要进行网络安全保护。智能电网计算机网络路由选择过程中汇聚树路由协议，进行基站和传感器节点部署，采用网格形式部署，得到智能电网计算机网络节点分布模型，如图2所示。

图1　智能电网的网络组网模型Fig.1　Networking model of the smart grid

图2　智能电网计算机网络节点分布模型Fig.2　Computer network node distribution model of the smart grid

图2中，假设智能电网计算机网络节点在任意时间间隔［Si－1，S）i内，电网的发射功率保持不变，［Si－1，S）i内的发射功率为pi，电网终端用户接收端的接收信号为：

式中：XSi为Si时间的总信号；XSi-1为Si-1时间的总信号；时间的无用信号；ZSi-1为Si-1时间的无用信号。

选择智能电网计算机网络支配节点Pc最高的那对节点变为活动状态，令智能电网计算机网络传输功率pi、pk和pk+1所对应的负载功耗分别为ri、rk和rk+1，则：

其中，l∈［0，L－1］，τ0＜τ1＜…τL-1，由于智能电网计算机网络容易发生节点或链路失效，使得通信经常发生错误，通过构建的智能电网的计算机网络节点分布模型，进行有安全保护机制构建。

1.2信息测量和数据分析

在构建的网络模型的基础上，进行信息测度度量和数据特征分析，提高电网的安全性能。假设分布式智能电网计算机网络（xs，ys）的节点s与位于网格坐标系（xp，yp）的任意点p的感应距离为d（s，p），则电网节点覆盖点集关联度为：

式中：ei、ej分别为电网节点的特征点si、sj的负载能量。在智能电网计算机网络中，各个分布式电力分配之间通常具有不同的测量特性，通过测量这种信息特征可以优化电力调度和对攻击行为的特征提取，构建智能电网计算机网络信息测量模型，表示如下：

式中：i（i=1，2，…，M）为电网信息测度在k时刻的测量特征函数，对于智能电网计算机网络各网格；若没有达到k覆盖，表示电网节点是安全的，进行迭代运算，实现信息测量。构造电网的路由轨迹图拓扑结构，考虑到数据传输消耗的能量，使用电网节点容量更新方程来预测时间tk+1时的电网节点容错性能，得到节点出错概率为：

在此基础上，对提取的信息测度进行特征分析和预处理，对过载节点进行数据融合与滤波处理，提高电网节点的容错性能。

2　改进算法实现

在进行智能电网节点分布模型和特征提取的基础上，进行电网安全保护机制设计与算法实现，传统方法采用时帧分布调节方法实现智能电网网络信道交叉映射，实现过载保护和网络节点管理，容易导致智能电网计算机网络节点信道偏移，数据丢包率较大，安全性不好。为了克服传统方法出现的弊端，本文提出一种基于端到端数据融合滤波的具有容错性的计算机网络下智能电网安全保护机制，对过载节点进行数据融合与滤波处理，提高电网节点的容错性能，实现电网的安全有效保护，在大功率智能电网计算机网络传输网络组网中［9］，网络传输网络组网模型中产生被动相干扰。数据融合滤波系统结构如图3所示。

图3　智能电网数据融合滤波结构Fig.3　Smart grid data fusion filtering structure

图3中，λ（ii=1，2，…，M，ma）是自适应分配系数，对过载节点进行数据融合与滤波处理除去干扰，智能电网计算机网络失调节点数据融合与滤波调制结果为：

智能电网计算机网络测度信息的连通图G1=（V，E）和G2=（V′，E′）都为重连通图，假设重连通图交叉信道中接收的采样信号为：

式（10）对所有的智能电网计算机网络测度信息节点进行提取，每个电网分簇对应一个子矩阵，设表示第i个簇的子测量矩阵，采用预加重方法补偿智能电网计算机网络节点之间的系统功率衰减，系统的衰减函数为：

当采样频率F对一个信号采样时，电网拓扑结构的父节点之间需要广播电网用户的信息接收情况，对失调、过载的恶意节点进行定位。电网中的恶意节点方位信息为：

式中：li为i时刻的节点数量，节点的能量全部用完时，Dj=0，mi等于0时在每一轮的数据收集中，τ′为一未知量，当TB＞TP时，邻数据段的负载判别函数为：

式中：TB为多源干扰等干扰因素的过载偏移量，此时ΔT≤TB－Tp。采用端到端数据融合滤波，整个电网覆盖区域可被划分为个特征区间；进行特征空间降噪分析，整个网络中的簇的总数为，设整个智能电网计算机网络被建模为图G=＜V，E＞，得到数据传输总次数组成，有：

对于计算机网络分布下的智能电网簇内的数据传输而言，发射功率的函数为凸函数，通过网络信道的交叉映射，对电网的功耗系统的功率衰减补偿，得到电网终端的优化输出结果N*c为：

通过改进算法的设计，实现了对电网中的恶意失调节点的定位，补偿了系统功率衰减，由此实现了电网安全有效保护。

3　仿真实验与结果分析

最后通过仿真实验进行了性能验证，展示了本文算法在实现电网安全保护中的优越性能。仿真实验中，硬件系统平台为：型号Dell 2210b，处理器为Intel Core2 Duo1.80 GHz，1 GB内存。构建智能电网计算机网络模型，仿真实验建立在Matlab开发环境下，选择EVC软件进行嵌入式开发，编译程序生成的out文件在OpenGL DDKindebug或release目录下。基于仿真环境，进行智能电网安全保护性能测试仿真。仿真中，智能电网的用户管理区域大小1 024 km× 1 024 km，区域中的用户节点为20～300个，各个节点随机分布在目标区域内，电网数据信息传输信道带宽为Ts=NfTf；设置Nf=25，Tf=200 ns，Tc=3 ns，节点样本取值为1 000个，时间延迟参量τ0为10 ms。基于仿真参数设定，对过载节点进行数据融合与滤波处理，对智能电网过载的失调节点进行定位，得到节点定位仿真结果，如图4所示。由图4可知，采用本文算法能准确实现对智能电网中的网过载的失调节点定位。

图4　智能电网中的网过载的失调节点定位Fig.4　Localization of the overload disorder nodes in the smart grid

为了进一步验证本文方法的性能，在智能电网的过载的失调节点定位的基础上，采用预加重方法补偿智能电网计算机网络节点之间的系统功率衰减，以电网的传输功率为测试指标，得到不同方法下的传输功率测试结果，如图5所示。由图5可知，采用传统方法，容易导致智能电网计算机网络节点信道偏移，数据丢包率较大，安全性不好。采用本文方法进行电网的优化保护，电网的传输功率更加平稳平滑，说明本文方法的抗干扰性能较好，提高了智能电网的稳定性和抗干扰性，实现了安全保护。

图5　传输功率性能对比Fig.5　Comparison of power transmission power performances

4　结语

智能电网计算机网络有分布式、自组织、多跳性等特征，容易受到网络攻击，在电网数据通信和传输中容易导致数据丢包和失真，需要一种有效的智能电网安全保护机制，提高电网系统的稳定性和可靠性。本文提出一种基于端到端数据融合滤波的具有容错性的计算机网络下的智能电网安全保护机制，实现电网的安全有效保护。仿真结果表明，采用本文算法能准确实现对智能电网中的网过载的失调节点定位，电网进行能量传输的稳定性较高，抗干扰性能较好，有效实现了电网的安全保护。

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（编辑董小兵）

Analysis of Effective Security Protection Mechanism of Smart Grid in Computer Network

LI Bin1，YANG Xiaomei2
（1.Department of Computer Science，Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530000，Guangxi，China；2.Department of Computer Science，Guangxi Economic Management Cadre Academy，Nanning 530000，Guangxi，China）

The Traditional protection method adopts the frame distribution adjustment to realize the smart grid network channel cross mapping and achieve the overload protection and network node management.This method may easily cause the smart grid channel offset and lead to bigger loss rate of computer network node data packet，therefore its safety performance is poor.This paper puts forward a smart grid security protection mechanism under the computer network based on end-to-end data fusion filtering and with tolerance for faults.A grid node optimization distribution model is built in the computer network while the overload nodes undergo data fusion and filtering using the grid form deployment to enhance the fault tolerance performance.The pre-emphasis method is used to compensate the system power attenuation between the computer network nodes of the smart grid to realize the safety protection optimization.The simulation results show that the algorithm can accurately realize localization of the overload disorder nodes in the smart grid and improve the grid energy transmission stability and anti-interference performance，thus effective protection of the grid is realized.

smart grid security；computer network；protection mechanism

1674-3814（2016）07-0101-05

TM77；TP393

A

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能1140008-3B）；广西自然科学基金项目（2014GXNSFBA118274）。

Project Supported by Science Research and Technology Development Programme of Guangxi（桂科能1140008-3B）；Guangxi Natural Science Foundation（2014GXNSFBA118274）.

2016-01-25。

黎斌（1981—），男，本科，讲师，主要研究方向是计算机网络、信息安全和数据挖掘；

杨小梅（1981—），女，博士，讲师，主要研究方向是数据挖掘、信息处理、算法优化和数据库。