电力通信网节点重要度评价方法

2018-09-20黄汉华蒋烨唐元

电气自动化 2018年4期

黄汉华，蒋烨，唐元

(广西电网公司电力调度控制中心，广西南宁 530022)

0 引言

随着电力通信网的快速发展，网络拓扑的复杂度增加，运营和维护网络的难度越来越大。而网络拓扑中的重要节点对维护整张网络的正常运行又至关重要，一旦网络中的某些重要节点甚至某一节点故障，整张网络极易被破坏而不能正常运行。因此，研究电力通信网络节点的重要度以筛选出关键节点就成了一个必要的研究内容。

文献[1]和文献[2]在无权网络的基础上根据节点收缩前后网络凝聚度的变化来评价节点重要度，但是无法区分网络中处于相同位置节点的重要度。相比于无权网络，加权网络不仅能体现出节点之间的连接关系，还能体现出节点之间联系的紧密程度以及节点的重要程度。文献[3]基于加权网络中节点收缩前后网络凝聚度的变化来区分节点重要度，但是仍然不能区分网络拓扑位置相同的节点重要度。文献[4]在加权网络凝聚度的基础上加入了节点连边重要度，但过于繁杂，不适合于复杂网络。文献[5]引入了节点效率和节点重要度评价矩阵，没有考虑电力因素对节点的影响。文献[6]在网络凝聚度的计算中考虑了链路带宽，同时用节点在电力系统中的权值来修正，避免了只从通信网络角度来评价节点重要度的局限性。但是节点在电力系统中的权值的衡量指标较少，不够全面。研究复杂网络节点重要性对网络的维护和管理具有重要的价值[7-9]，需要一种较为全面和客观的方法来评价复杂网络的节点重要性。

网络中的割点如遭到破坏或者故障时，网络的完整性将被破坏，严重影响网络的运行和性能。本文将割点的因素作为网络凝聚度的修正系数，更为全面地评价通信网络的节点重要度。

同时，传统的网络节点重要度评价往往只着重从通信网络角度来分析节点的重要度，忽略了电力因素对节点重要度的影响。本文综合考虑网络节点在通信网络中的重要度，评价电力通信网络中节点的重要度。

1 电力通信网络的节点重要度

在电力通信网络拓扑中，节点的重要度的评价可以从两个方面来考察：一个方面是从通信网络角度来看，基于网络凝聚度和割点来评价节点重要度；另一个方面是从电力网络角度来看，基于电力因素来评价节点重要度。最后综合这两个方面来对电力通信网络的节点重要度作总体评价。

1.1 基于网络凝聚度与割点的节点重要度

一张网络的网络凝聚度定义为：

(1)

式中：dij为节点i到节点j的加权最短路径。

为了得到节点i的重要度，需要将节点i收缩后，形成一张新的网络拓扑之后再对该网络进行网络凝聚度计算，得到∂(WGi)。节点收缩是指当节点i的所有相邻的节点与该节点融合形成另一个节点，就能得到新的网络拓扑。当计算好原网络的凝聚度和节点i收缩后得到的新的网络的凝聚度后，就可以得到基于割点的网络节点重要度Wi：

(2)

式中：系数k为割点加权系数，其取值有两种情况，当节点i为网络中的割点时，k取2，当节点i不是网络中的割点时，k取1。系数k可以较好地区分出割点与非割点的节点重要度，从而使电力通信网的节点重要度的评价更加合理。

1.2 基于电力因素的节点重要度

将基于电力通信网节点的重要度评价指标分为以下四部分：站点等级、站点规模、负荷等级和负荷大小。分别对网络中各个节点的站点等级、站点规模、负荷等级和负荷大小进行分析，根据各指标的衡量标准得出这四个指标中每个指标的影响值，得到结果p1、p2、p3、p4，并赋予各个因素以权重k1、k2、k3、k4，然后求出加权和，得到节点重要度Pi：

(3)

式中：k1、k2、k3、k4的和为1，同时各个权重相等，即k1、k2、k3、k4均取0.25。

1.3 节点的综合重要度

根据前面基于网络凝聚度与割点加权系数得到的节点重要度Wi和基于电力因素的节点重要度Pi可以得到最终节点i的综合重要度Si。

Si=Wi·Pi

(4)

式中：节点重要度Si从网络拓扑、割点和节点在所在站点电网中的地位和重要程度等三个方面对节点进行了综合评价。在反应网络拓扑架构特性的同时，又结合了割点这一节点特性，最后融入电力系统节点重要度，得到电力通信网节点重要度。

2 算法用例

图1为某一电力通信网骨干节点模拟拓扑图，其中v1、v4、v5、v6、v8为500 kV变电站，v2为220 kV变电站，v3为省调节点，v7、v9为地调节点。链路权值为该链路所连两个节点之间的距离。

图1 电力通信网骨干节点模拟拓扑

首先根据式(1)计算出原始网络拓扑的网络凝聚度∂(WG0)为0.023 7，对每个节点按照式(1)计算该节点收缩后的网络凝聚度∂(WGi)，然后根据式(2)计算出基于割点的各个网络节点重要度Wi。

再对网络中的各个节点的站点等级、站点规模、负荷等级和负荷大小这四个电力指标进行分析和评估，对于每个节点都能得到这四个指标的影响值，再由式(3)得出每个节点基于电力因素的节点重要度Pi。

最后根据式(4)可以得到每个节点的综合重要度Si，结果如表1所示。

表1 节点重要度排名

排名前三的节点依次是v3、v5、v8，原因是这三个节点都是网络中的割点，具有更高的网络凝聚度，在网络拓扑中的连接作用的贡献度更大，基于网络凝聚度与割点加权系数的节点重要度也更大。考虑割点这一因素，将这三个网络中的关键节点的节点重要度很好地与其他节点的节点重要度区分开来。v3为省调节点，基于电力因素的节点重要度明显高于变电站节点和地调节点的节点重要度，因此综合来看v3具有最高的节点重要度，而v5和v8是500 kV变电站节点，基于电力通信网络的节点重要度要低于作为省调节点v3的节点重要度，v5比v8具有更好的网络凝聚度，同时基于电力因素的节点重要度略高于v8，因此v5排在v8的前面。v6和v4具有较高的网络凝聚度，站点等级较高而且均与网络中的关键节点相连，这两个节点的重要度要高于剩余的其他节点。同时，由于v6的网络凝聚度要比v4的网络凝聚度要好，所以在两个节点的基于电力因素的节点重要度相差很小的情况下，v6的节点重要度高于v4的节点重要度。v1、v2、v7、v9都属于网络中比较边缘的节点，它们的节点重要度都比较低。v1和v2虽然网络凝聚度相对较低，但是它们均与省调节点v3直接相连，会较大地提升这两个节点的基于电力因素的节点重要度，所以v1和v2的节点重要度也会高于v7和v9。v1和v2的拓扑特性相似，但是v1是500 kV变电站节点，v2是220 kV变电站节点，v1的站点等级要更高，节点重要度更大。v7和v9的网络凝聚度相差很小，拓扑特性相似，也都是地调节点，但是v7与网络中更重要的关键节点v5相连，其基于电力因素的节点重要度高于v9，所以v7的节点重要度高于v9。

本文算法与参考文献[1]采用的节点收缩法计算出的节点重要度排名进行对比，并且将两种算法与该网络节点重要度的参考值进行对比，比较结果如表2所示。

从本文算法和对比算法的结果比较中可以看到，两种算法在v4、v6和v8的节点排名一样，在其他节点排名有些差异。采用对比算法计算的v5的网络凝聚度要高于v3，所以认为v5排在v3前面，但是该算法没有从电力因素角度考虑，在实际的电力通信网络中，v3作为省调节点，基于电力因素的节点重要度高于v5，所以虽然v3的网络凝聚度稍低于v5，但是由于电力因素的修正作用，最终v3的节点重要度高于v5。同理对于其他节点，对比算法也只是从网络拓扑的角度考虑。v1和v2的网络凝聚度是最低的，所以对比算法中将这两个节点排在了最后面，但是这两个节点直接和省调节点v3相连，从电力因素的角度来看，较大地提升了这两个节点的重要度，使得最终v1和v2的节点重要度高于v7和v9。v7的网络凝聚度略低于v9，同样由于电力因素的修正作用，最终v7的节点重要度高于v9。

表2 两种算法节点重要度排名

偏离度指的是使用本文算法或者节点收缩法得到的节点重要度与该节点重要度的参考值之间的偏离程度，结果用百分比表示。根据两种算法中每个节点与该节点重要度参考值之间的偏离度可以绘制两种算法偏离度的对比折线图，如图2所示。

从表2以及图2中可以看出，本文算法对网络中每个节点的重要度的排名结果与参考排名结果一致，而节点收缩法的排名结果中只有部分节点的排名是正确的，这就导致了采用节点收缩法得到的一些节点重要度与参考值之间有较大差异。同时，本文算法计算出的节点重要度离参考值之间的偏离度较小，并且整体稳定，波动小。节点收缩法计算出的节点重要度离参考值之间的偏离度大，且不稳定，波动大。可以看到相比于节点收缩法，本文算法在评估电力通信网络中节点重要度方面具有更好的准确度。