基于复杂网络理论的电力通信网脆弱性分析研究

孙 睿

（中通服网盈科技有限公司淮安分公司，江苏 淮安 223001）

0 引 言

随着电网向智能化和自动化方向发展，电力通信网络的重要性愈加凸显，然而由于其复杂的网络结构和广泛的应用背景，电力通信网面临着多种潜在的脆弱性问题。这些问题可能源于网络自身的设计缺陷，也可能由外部攻击或系统故障引发，因此深入分析电力通信网的网络结构和脆弱性对于保障电力系统的稳定运行至关重要。文章研究聚焦于电力通信网的结构特性及其脆弱性问题，采用复杂网络理论作为分析工具，旨在探索电力通信网在面临各种潜在威胁时的表现[1]。

1 基于复杂网络理论的电力通信网脆弱性评估方法

复杂网络理论在实际应用中，可通过统计物理、图论、动力学模型等方式，分析网络变化、社群结构、信号传播等，有助于提高网络评估及分析的有效性。电力通信网络本身的通信稳定性会受到不同因素的影响，因此在研究电力通信网脆弱性的过程中，可分析外界恶意攻击行为、入侵行为所产生的影响。电力通信网的脆弱性评估可以从通信连通性和网络效率等角度进行量化分析，故障节点的百分比计算为

式中：Nf、N分别为故障节点数和网络节点数。电力通信网被攻击时，可从随机节点攻击、高度数节点攻击两个角度进行定量分析。通过分析电力通信网的连通性，从而获得站点之间的通信能力。如果存在通信不畅的情况，则可从电力通信脆弱性的角度，分析电力通信网是否遭受到恶意攻击。电力通信网最大连接的状态下，节点的占比计算为

式中：N'、N分别为电力通信网联通中攻击前的有效节点数、攻击后的有效节点数。在忽略电力通信网故障的前提下，需要评估与分析通信关系，并综合分析通信传输过程，从而保证业务处理水平。

电力通信网的脆弱性评估与分析中，为制订有效的评估机制，需要利用皮尔森相关系数对电力通信网中的节点数量和通信介质等进行评估与检验，具体的计算公式为

式中：ki为节点i的度数；Bi为节点i的介数；〈k〉为电力网络的平均度数；〈B〉为网络的平均介数。在对度数、介数的相关性进行检验与分析中，需要从数据存储和通信传输稳定性的角度，评估与分析电力通信状态。电力通信网络的脆弱性评估、检验与分析，需要根据电力通信的传输需求，检验电力通信网络的状态。

2 基于复杂网络理论的电力通信网脆弱性分析过程

2.1 随机攻击和蓄意攻击下的网络脆弱性分析

对电力通信网络的攻击主要有随机攻击和蓄意攻击，其中随机攻击是指起初没有特定的攻击对象，具体攻击哪个节点攻击与范围采取随机模式，蓄意攻击是指针对特定节点的攻击[2]。通过C#语言与MATLAB 语言混合编程的模式，在进行检验与分析中可以发现，随着删除节点的数量越多，最大联通剩余节点的占比也会下降，由此可以推断出网络在随机攻击和蓄意攻击下，剩余网络的全局效率与移除节点比例之间的依赖关系。随机攻击和蓄意攻击模式下最大联通剩余节点比例与删除节点的关系如图1 所示。

图1 最大联通剩余节点比例与删除节点的关系

由图1 可知，随着删除节点数量的增加，有效通信连接的有效性会逐渐降低，虽然两种攻击方式存在一定的差异性，但是对电力通信网络的通信传输稳定性均会产生一定的影响。蓄意攻击所产生的影响会在节点删除一定数量后趋近于无通信的情况，而随意攻击对通信所产生的影响呈现逐步下降趋势，这说明电力通信网络面对不同攻击，其脆弱性都会影响通信状态。

2.2 基于复杂网络理论的电力通信网脆弱性评估

2.2.1 结构性评估

通过设计程序和运行程序可知，当前电力通信网络结构不具合理性，主要的结构形式为星型或树形，导致电力通信网络结构的资源共享能力不足，其可靠性也遭遇严峻考验。结构上的不足导致传输质量有待提高。在电力通信中，通信网络的拓扑结构不完善会直接影响通信的整体结构稳定性。许多结构没有采取及时优化措施，进一步致使电力通信不能满足传输时提出的要求。

2.2.2 脆弱节点评估

通过枚举所有可能的节点攻击评估出复杂网络理论下电力通信的脆弱节点。具体地，从蓄意性攻击、随意性攻击的角度进行评价与分析，随着删除的节点数量越多，电力通信网络的稳定性会降低，被攻击的可能性会相对增加，具体结果如图2 所示。

图2 不同攻击模式下脆弱节点的评估结果

2.2.3 物理脆弱性评估

物理脆弱性评估主要包括两方面内容。一方面，电力通信网络没有实现对设备及接口统一使用，进而造成分区调整成本过高的情况。另一方面，处于网络中的陈旧设备无法以新标准进行工作，从而引发网络管理混乱，进一步为管理工作增添了许多问题[3]。

3 电力通信网的保护策略

3.1 高度数节点保护策略

在电力通信网中，高度数节点的保护至关重要。以某大型城市电网为例，其中的一个关键调度中心连接着超过60%的节点，是整个电力通信网的重要枢纽。为此该电网采取了多项措施以增强这一关键节点的稳定性和安全性，具体如下。一是增加该节点的冗余连接，通过建立至少两条独立的备用通信路径，有效降低由于单点故障造成的风险。二是加强调度中心的硬件和软件系统，部署高级的防火墙和入侵检测系统、双路由器和多源电源供应系统，确保在遭受攻击或面临故障时的连续运行。三是实施实时网络性能监控和流量模式分析系统，确保能够及时发现潜在的故障或攻击迹象，并快速响应。

3.2 低度数节点加边策略

在电力通信网中，低度数节点由于其较少的连接，可能成为网络中的薄弱环节，这些节点的故障虽然不会像高度数节点那样造成广泛的影响，但其失效可能导致网络中的某些部分与主网络隔离，影响网络的整体运行效率，因此增强低度数节点的连通性是提高网络健壮性的一个重要方面，具体的做法包括增加低度数节点之间的直接连接或将它们与高度数节点连接。这种策略可以通过网络优化算法实现，如使用贪婪算法在不增加过多成本的前提下，逐步增加网络中的边。增加的边应优先考虑那些可以最大化网络连通性的节点。例如，可以计算网络的平均路径长度或网络效率以评估每次加边操作的效果[4]。

3.3 网络重构策略

以某地区电力网的网络重构项目为例，该项目重点是提高关键但脆弱节点的健壮性，这些节点连接着大量用户和关键设施，但由于其位置和连接的特性，它们在面对故障时显得格外脆弱。具体来说，该电力网的一个主要调度中心因其高度数和高介数成为重构的焦点，原本这个调度中心仅依赖于单一的通信路径与其他网络节点连接，而在重构策略中增加了从该调度中心出发的备用通信路径，同时增加的通信线路通过优化布局减少了通信的延迟，提高了数据传输的速率。此外，将网络划分为几个较小的模块，每个模块内部具有密集的连接，而模块之间的连接相对较少，这种结构调整使得即便某个模块发生故障，也不会直接影响整个网络的运行。这一策略的实施显著增强了网络的抗故障能力。

4 保护策略的效果评估

4.1 网络健壮性的提高率分析

网络健壮性指网络在面对故障或攻击时维持功能的能力。具体来说，网络健壮性的提高率可以通过比较采取保护措施前后网络的连通性损失率来计算，连通性损失率定义为在网络受到一定比例节点或边的随机或有选择的移除后，网络中不再连通的节点对占总节点对的比例。例如，如果在未采取保护措施时，移除10%的节点导致30%的节点对不再连通，而采取措施后同样的节点移除只导致20%的节点对不再连通，则健壮性提高率约为33.3%。在进行健壮性分析时，应考虑不同类型的故障模式，包括随机故障和针对网络关键节点或边的有针对性攻击[5]。

4.2 网络效率的提高率分析

分析电力通信网的网络效率提高率关注的是网络在优化措施实施后信息传输效率的改善程度。网络效率是衡量网络传输能力的一个重要指标，通常定义为网络中所有节点对之间最短路径倒数之和的平均值。在电力通信网络中，网络效率指网络在传输和处理信息时的性能表现，直接反映网络的整体性能与服务质量。提高网络效率主要是在网络遭受攻击或故障时，可更快速、稳定地恢复服务，减少数据传输的延迟和丢失，从而保障电力系统的稳定运行。在进行网络效率的提高率分析时，还需考虑网络拓扑结构、节点及链路的性能、流量分布等因素。制订更加精准的优化策略，可以提高电力通信网效率与稳定性，为电力系统的安全运行提供保障，为电力行业实现可持续发展奠定坚实的基础。

5 结 论

本研究针对电力通信网的脆弱性问题，深入分析了网络的小世界特性、无标度特性以及节点的度分布，揭示了网络结构的关键特点及其对网络稳定性的影响。通过提出高度数节点保护策略和低度数节点加边策略，为增强电力通信网的健壮性提供了有效的方法。同时，网络重构策略和安全监控系统的实施进一步提高了网络的抗故障能力与信息传输效率，这些策略的综合应用有助于提升电力通信网的整体性能，确保电网的稳定运行和安全。