基于复杂网络理论的电力通信网检修策略分析

解鹏 李亚平 张志军

摘要：提出了一种电力通信网中评估检修计划和故障处置方案的方法。以复杂网络为基础分析多种拓扑类型的模型参数，并以此作为电力通信网的分析基础;分析与电力通信网可靠性相关的关键参数，明确最大连通子图比例、失效节点数比例、网络效率等关键参数。通过在网络模型中仿真分析不同失效组合对网络可靠性关键参数的影响。分析关键参数并形成电力通信网的检修策略评估方法，为电力通信网在非正常状态下的可靠运行提供保障。

关键词：复杂网络;电力通信网;可靠性分析;檢修策略

中图分类号：TM73文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）24-58-4

0引言

电力通信网承载着继电保护系统、安稳控制系统和调度自动化系统的通信业务[1]，是电网三道防线的保障，运行状态关系到整个电力系统的安全稳定。为了保障通信设备可靠运行，需要对其进行科学有效的运维管理[2]。电力通信检修工作是日常运维管理中的基础工作，需要评估检修风险，预先将检修点承载的业务迂回到备用路由，或者临时中断业务，待检修结束后另行恢复。

1电力通信网的复杂网络模型

电力通信网是一种特殊的复杂网络，拓扑结构与电力网相近，承载的业务与电网的调度控制密切相关，因此电力通信网和运营商建设的通信网有较大区别。研究电力通信网检修策略，本质是利用复杂网络理论研究网络结构和网络功能之间的关系。网络的拓扑结构决定其调度控制功能，调度控制功能反过来会影响通信网拓扑结构的演化。对于网络的结构特性通常运用统计测度刻画，功能通过动力学行为来反映。

由于电力通信网检修策略需要首先保障其调度控制功能不受影响，因此针对电力通信网开展复杂网络研究仅关注其网络可靠性，并聚焦于网络结构特性。

文献[3]指出各地区电网拓扑结构特性并不相同，如湖北电网、四川电网都具有明显的小世界特性，且大部分网络虽不是标准的无标度网络但均具有无标度网络的特点。考虑到电力通信网与电网结构特征一致，因此基于WS小世界网络、BA无标度网络及IEEE标准网络进行分析。

1.1抽象模型

抽象模型描述了复杂网络的结构特征，按照对应网络的构造算法和输入参数，可以生成描述复杂网络的邻接矩阵。

（1）WS小世界网络

作为从完全规则网络向完全随机图的过渡，Watts和Strogtz提出WS小世界模型，将规则图中的每条边以概率进行随机边重连，任意2个节点之间最多只能存在1条边。=0与规则网络对应，而=1与随机网络对应。通过调节就能得到介于这二者之间的小世界网络。

（2）BA无标度网络

为了解决ER随机网络和WS小世界网络中节点度分布均匀的问题，引入集散节点，使所有节点度分布差异化，形成无标度网络。

1.2 IEEE标准模型

针对典型电力通信网拓扑进行仿真分析，采用IEEE57和IEEE118电网作为数据分析集。将含有发电机节点、负荷节点、输电线等的电气原理图简化为只含点、线的网络拓扑结构，并以邻接矩阵的形式进行储存。

2不同拓扑结构的复杂网络可靠性分析

2.1复杂网络可靠性参数

无论是网络故障或者网络攻击，都会导致网络拓扑结构发生变化。电力通信网检修工作中使网络节点和链路失效，与故障或者攻击的效果是一样的，会导致网络可靠性改变。因此，分析网络可靠性相关测度指标对评估检修工作和制定检修策略有明显意义。总的来说，关于复杂网络可靠性的相关测度有：最大连通子图比例、失效节点数比例及网络效率等[5]。

由于复杂网络拓扑结构一般介于规则网络和随机网络之间，而且电网及伴生的电力通信网一般具有小世界性和无标度性。因此在做可靠性分析实验时，选取用WS小世界网络、BA无标度网络与IEEE57/IEEE118网络进行仿真分析[6]。在WS小世界网络、BA无标度网络仿真分析中，每一个仿真结果均为同参数下生成的4个不同网络，每个网络进行10次仿真后的平均值，定义如表1所示。

2.2区域选择与检修点选择对网络可靠性的影响

由于随机检修的不确定性，无法很好地阐明检修区域中哪些节点会对网络破坏性更大的问题以及后续对关键节点设置保护措施的探究。因此，根据聚类系数和通信业务负荷，网络的检修失效策略可以分为4类，如表2所示。

实验分Strategy A，B，C，D四种策略进行仿真分析。初始参数设置：=150，< >=4，0=3，其中，WS网的重连概率=[0，1]，BA网每次加入边的条数=[1，10]。生成的4种仿真网络主要参数如表3所示。

在4种检修策略下，分别计算4种网络的网络可靠性关键参数。

对于WS网，Strategy A，B，C，D四种检修策略对网络可靠性影响大致相同，与区域半径和重连概率的变化基本无关。对于BA网，在=1时Strategy A，C两种检修策略对网络可靠性影响最大。随着的增大，4种检修策略对网络可靠性的影响不断减小，并在=6左右达到稳定。对于IEEE57网和IEEE118网，分别在区域半径较大和区域半径较小时，不同检修策略对其可靠性的影响与BA网=1時类似;由于IEEE57网基数小，在半径较小时，区域内节点数较少，节点间度数差异不明显，导致不同的检修策略对其可靠性影响不大。

在4种网络中，Strategy A，C两种检修方式对网络可靠性影响最大，说明无论区域位置与否，区域中的度数最大节点由于其连边数量较多，是网络中负荷的主要载体，若其失效将会导致大量业务重新选路，从而引发相继故障。IEEE57网和IEEE118网分别在半径较大和半径较小时，不同检修策略对其可靠性的影响与WS网和BA网类似，其他情况则不存在明显差异。由于IEEE57网基数小，在半径较小时，区域内节点数太少，节点间度数差异不明显导致不同的检修策略对其可靠性影响不大。

2.3初始失效源点数对网络可靠性的影响

仿真结果如图1～图3所示。对于WS网，随着重连概率的增大，其抵御随机攻击的能力先增强后减弱，在=0.65时达到最大值，但其网络效率基本不受失效节点数量增加的影响。

对于其余3种网络，随着初始失效源点数的增加，故障规模迅速扩大，网络失效节点数量增加，网络崩溃为大量孤立节点。其中，IEEE57网和IEEE118网的网络效率迅速降低，并在

=2.5%左右达到稳定，而BA网络由于其异质性，抵御随机攻击的鲁棒性较强，网络效率下降速度相比IEEE57网和IEEE118网较慢，且随着的增大，受到随机攻击影响不断减小。同时，由于IEEE57网和IEEE118网初始时的数值较大的网络效率值，也可以印证IEEE电网的小世界特性。

由仿真结果可知，4种网络均随着初始失效源点数的增加，相继故障规模迅速扩大，网络失效节点增加，网络崩溃为大量孤立节点，其网络效率迅速降低，在=2.5%左右达到稳定。这是由于当失效节点数量随着相继故障规模的增加而逐步从网络中脱离，导致网络的全局负载减小，使得相继故障规模得到控制。其中，BA网络由于其异质性，抵御随机攻击的鲁棒性较强，IEEE118网和BA网的失效节点比例较其他2种网络低。同时，由于IEEE57网和IEEE118网初始时的数值较大的网络效率值，也可以印证IEEE电网的小世界特性。

3电力通信网检修策略分析

除WS网络外，节点业务负荷对BA、IEEE57和IEEE118网络可靠性影响较大，聚类系数影响较小。区域中的度数最大节点由于其连边数量较多，是网络中负荷的主要载体，若其失效将会导致大量业务重新选路。因此在电力通信网制定检修计划过程中，应重点考虑节点业务负荷的影响。

对于电力通信网中的随机故障评估，单次同时随机故障失效点的数量对网络可靠性影响最大。在IEEE两种网络拓扑模型中，初始网络效率较高，抵抗随机故障的能力高于其他2种网络。在电力通信网计划检修和故障处置时，可利用本文分析方法，评估检修计划和故障处置方案对最大连通子图比例、失效节点数比例、网络效率的影响，尽量保障非常规状态下的网络可靠性。

4结束语

提出了一种电力通信网中评估检修计划和故障处置方案的方法，以复杂网络为基础分析多种拓扑类型的模型参数，以此作为电力通信网的分析基础。其次分析电力通信网可靠性相关的关键参数，通过在网络模型中仿真分析不同失效组合对网络可靠性关键参数的影响。通过关键参数分析，形成电力通信网的检修策略评估方法，为电力通信网在非正常状态下的可靠运行提供保障。

参考文献

[1]郑旭东.基于SDH技术电力通信网研究[J].中国新通信， 2019，21（16）：26.

[2]蒋烨.基于RFID技术的电力通信检修系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

[3]周竞钰.基于复杂网络理论的电力系统连锁故障的研究[D].长沙：湖南大学，2011.

[4] BARABáSI A L，ALBERT R.Emergence of Scaling in Random Networks[J].Science，1999，286（5439）：509-512.

[5]李洋，王栋，李刚，等.基于复杂网络理论的智能电网信息系统可靠性分析[J].华北电力大学学报（自然科学版），2018，45（6）： 59-67.

[6]吴万旭.基于复杂网络的电力通信网可靠性分析[D].北京：华北电力大学，2019.

[7]王文媛.基于弹性理论和复杂网络理论的电网关键环节辨识方法[D].北京：华北电力大学，2018.

[8]齐小刚，张碧雯，刘立芳，等.复杂信息网络的弹性评估和优化方法研究[J].计算机科学与探索，2018，12（8）：1252-1262.