船舶電力網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)一體化脆弱性評估

童正軍，呂 昊，葉志浩

?

船舶電力網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)一體化脆弱性評估

童正軍1，呂 昊2，葉志浩3

（1. 海軍駐北京8359所軍事代表室，北京 100037；2. 海裝裝備項目管理中心，北京 100071；3. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

脆弱性評估是保證船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)安全必不可少的手段，根據(jù)系統(tǒng)的脆弱性分析結(jié)果，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的隱性故障，實現(xiàn)對其脆弱環(huán)節(jié)的辨識，達到提高船舶電力系統(tǒng)運行性能的目的。文中提出了船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)的模型，在對一體化網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)構(gòu)脆弱性分析的基礎(chǔ)上，分別考慮電氣和信息設(shè)備節(jié)點的可靠性，引入物理脆弱性的概念對節(jié)點結(jié)構(gòu)脆弱性進行修正，得到綜合脆弱性的評估指標，最后，對船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)進行綜合脆弱性評估與優(yōu)化。

船舶 電力信息網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)脆弱性 物理脆弱性 綜合脆弱性

0 引言

電力信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性問題是近幾年信息技術(shù)在電力網(wǎng)絡(luò)運行中衍生出的一個新問題，電力網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)已逐漸融合成為高度集成的一體化網(wǎng)絡(luò)，但信息技術(shù)在為電力網(wǎng)絡(luò)運行提供便利的同時，也將其不良影響帶入到了電力網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)脆弱性作為網(wǎng)絡(luò)可靠性的一種有效測度，反映了不同網(wǎng)絡(luò)單元失效后網(wǎng)絡(luò)性能下降的不同程度，指明網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理提供數(shù)據(jù)支持。如果相關(guān)設(shè)計部門能夠?qū)@些較脆弱的部分進行一些適當?shù)男拚瑢蟠筇岣唠娏W(wǎng)絡(luò)運行性能和效率。

對于船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)來說，除了拓撲結(jié)構(gòu)的因素以外，電力設(shè)備處在船舶艙室這樣一個特殊環(huán)境內(nèi)，它的可靠性因素給網(wǎng)絡(luò)脆弱性帶來的影響同樣是一個值得關(guān)注的問題。本文首先根據(jù)船舶電力網(wǎng)絡(luò)建立了相應的信息網(wǎng)絡(luò)，得到電力信息網(wǎng)絡(luò)一體化模型，結(jié)合復雜網(wǎng)絡(luò)理論得到一體化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)脆弱性，并進一步考慮電力網(wǎng)絡(luò)中電力設(shè)備的故障率和計檢率等可靠性因素以及信息網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務重要度、故障概率、時延等因素，得到綜合性的評估指標，最后，對一體化網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進行評估和優(yōu)化。

1 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 船舶電力網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)實際環(huán)形船舶電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，將發(fā)電機、配電板、負載等電網(wǎng)元件抽象為復雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，將電網(wǎng)元件間的連接關(guān)系抽象為邊，建立船舶電力網(wǎng)絡(luò)的等效拓撲模型如圖1。其中，G表示發(fā)電機節(jié)點，S表示配電板節(jié)點，F(xiàn)表示饋線電纜節(jié)點，L表示負載節(jié)點。

圖1 某船舶電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 船舶信息網(wǎng)絡(luò)模型

圖2所示為某船舶信息網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，M表示交換機，D1表示電能質(zhì)量監(jiān)控節(jié)點，D2表示配電運行監(jiān)控節(jié)點，D3表示線路繼電保護控制節(jié)點，D4表示輸變電設(shè)備監(jiān)測節(jié)點，D5表示能量調(diào)度管理節(jié)點，D6表示在線模擬培訓節(jié)點，T為CAN總線主節(jié)點，Pi為負荷投切控制節(jié)點，Qi為運行狀態(tài)分析節(jié)點，Ri為功率測量節(jié)點。

1.3 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)模型

船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，根據(jù)各模塊功能將船舶電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對應連接。如配電運行監(jiān)控節(jié)點對應地與配電板節(jié)點連接；線路繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的可靠保證，繼電保護信號是指高壓輸電線路繼電保護裝置間和電網(wǎng)安全自動裝置間傳遞的遠方信號，是電網(wǎng)安全運行所必需的信號，對應地將配電板節(jié)點與其連接；輸電設(shè)備監(jiān)測節(jié)點與發(fā)電機節(jié)點對應連接；功率測量系統(tǒng)用于計量電功率消耗，對應地將其與負載連接；根據(jù)不同功能，電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間對應用虛線連接。

圖2 船舶信息網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)一體化模型結(jié)構(gòu)示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)脆弱性

2.1 結(jié)構(gòu)脆弱性

對目標網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)脆弱性的評估是從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，運用復雜網(wǎng)絡(luò)理論的方法進行分析，最終找到由電網(wǎng)固有拓撲結(jié)構(gòu)所引起脆弱的節(jié)點。由于復雜網(wǎng)絡(luò)理論突出強調(diào)的就是網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)拓撲特征，所以選取復雜網(wǎng)絡(luò)中的典型靜態(tài)幾何量來表征目標網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)脆弱性，而度數(shù)和介數(shù)指標均可以從不同的角度很好地描述每個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，故采用度數(shù)和介數(shù)指標表征網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)脆弱性。

1）度數(shù)

實際上，無向無權(quán)圖鄰接矩陣的第行或第列元素之和也是度[1]。

2）介數(shù)

在實際的網(wǎng)絡(luò)空間里，每個節(jié)點在里面的作用不盡相同，有些節(jié)點如果受損對整個網(wǎng)絡(luò)空間正常工作影響較小，而有些節(jié)點如果損壞可能對整個網(wǎng)絡(luò)都會造成致命的影響甚至讓整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。前面介紹的節(jié)點的度是一個很重要的概念，用來描述節(jié)點的重要性。但是，有些節(jié)點的度可能很小，卻是其他兩個節(jié)點進行通信的重要媒介，缺少這個中間媒介將會導致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，所以這個節(jié)點也是非常重要的。對于這樣的節(jié)點我們引用一個新的評價指標介數(shù)（betweenness）來描述節(jié)點對于整個網(wǎng)絡(luò)空間的重要性。在網(wǎng)絡(luò)空間中假設(shè)有兩個不相鄰的兩個節(jié)點它們分別是K、K。連接K、K的最短邊中需要經(jīng)過某些節(jié)點，如果有某個節(jié)點K，它是很多最短邊都要經(jīng)歷的節(jié)點的話，那么這個節(jié)點K對于整個網(wǎng)絡(luò)是很重要的節(jié)點，它的重要性可以用如下公式進行定義：

2.2 物理脆弱性

由于船舶電力節(jié)點和船舶信息節(jié)點物理性質(zhì)不同，需要考慮的可靠性因素也不相同，故對電力節(jié)點的物理脆弱性和信息節(jié)點的物理脆弱性分別進行考慮。

2.2.1 船舶電力節(jié)點物理脆弱性

船舶電力節(jié)點物理脆弱性指標主要考慮該節(jié)點對應電力設(shè)備的故障率和計檢率可靠性指標等影響因素[2]。

1）故障率/失效率

故障率和失效率都用來表述系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性概念，它們本質(zhì)上區(qū)別不大，故障率一般指系統(tǒng)或者產(chǎn)品在任意時刻沒有發(fā)生故障，在這個時刻之后發(fā)生故障的概率。如果發(fā)生的故障是不可修復的，那么就用失效概率來表示。故障率可以用下式來表示：

(3)

2）計檢率及計檢時間

計檢率定義為一臺電力設(shè)備每年計劃檢修（停運）的次數(shù)，計檢時間定義為一臺電力設(shè)備計劃停運時間與計劃停運次數(shù)的比值，即平均一次計劃停運的時間。

按照上述定義船舶電網(wǎng)主要元件的可靠性參數(shù)[3]如表1所示。

以上述各可靠性指標為基礎(chǔ)，定義船舶電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點物理脆弱性指標的計算公式如下：

(4)

其中C表示電力節(jié)點的物理脆弱性指標，它是一個將可靠性因素中的故障率和計檢率對脆弱性產(chǎn)生的影響進行量化的指標。表示故障率，r表示修復時間，表示計檢率，c表示計檢時間。

2.2.2 船舶信息節(jié)點物理脆弱性

信息節(jié)點的物理脆弱性評估是將信息節(jié)點中所運行業(yè)務的重要度、設(shè)備故障概率、延時等因素作為影響物理脆弱性的因素。

1）業(yè)務重要度

信息網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點承載著各類不同的業(yè)務，運行業(yè)務的差異會對船舶電力系統(tǒng)運行安全造成不同程度的影響。業(yè)務重要度定義為某業(yè)務存在缺陷（業(yè)務通道可靠性降低）或者該業(yè)務發(fā)生中斷時，它對電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定安全運行的影響程度的大小，業(yè)務重要度越高則影響程度越大。

信息網(wǎng)中各類典型業(yè)務的重要度[4]如表2所示。

表1 船舶電網(wǎng)元件可靠性參數(shù)

表2 典型業(yè)務重要度值

2）設(shè)備故障概率

信息設(shè)備故障概率與設(shè)備類型、敷設(shè)方式、周邊環(huán)境等有關(guān)，其取值根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。

3）傳輸時延

在傳統(tǒng)的電力信息網(wǎng)絡(luò)中，由于信息網(wǎng)絡(luò)通常是用來傳送調(diào)度信息，對延時的要求較低，而有嚴格時間要求的繼電保護業(yè)務一般進行單獨傳輸，所以基本不考慮傳輸時延的因素。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，部分國家已經(jīng)可以做到繼電保護的信號和其他調(diào)度業(yè)務的信號一起傳輸。傳輸時延已經(jīng)成為信息網(wǎng)絡(luò)中一個不可忽略的因素。

綜上所述，給出信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點物理脆弱性計算公式如下：

其中，S表示經(jīng)過該節(jié)點所運行的第類業(yè)務的重要度；P為節(jié)點發(fā)生故障的概率；為網(wǎng)元節(jié)點設(shè)備傳輸平均時延與固有時延之比。

2.3 綜合脆弱性

船舶電力網(wǎng)絡(luò)、船舶信息網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境均與陸地電力網(wǎng)絡(luò)、陸地信息網(wǎng)絡(luò)有較大差異，因此，針對船舶電力網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，考慮在陸地網(wǎng)絡(luò)中對結(jié)構(gòu)進行脆弱性分析的基礎(chǔ)上引入物理脆弱性的修正因素，得到綜合脆弱性指標，對船舶電力和信息網(wǎng)絡(luò)進行分析。分別定義船舶電力節(jié)點綜合脆弱性V和船舶信息節(jié)點綜合脆弱性V如下：

3 算例分析及優(yōu)化

令=0.5，按照公式(6)和公式(7)計算船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的綜合脆弱性指標，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點綜合脆弱性計算

圖4為船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的綜合脆弱性排名，從圖中可以看出，電力節(jié)點中33-36號對應的配電板節(jié)點比29-32號對應的發(fā)電機節(jié)點脆弱，信息節(jié)點中1-6號對應的交換機節(jié)點比13-16號對應的總線主節(jié)點脆弱，其中，交換機節(jié)點比配電板節(jié)點更加脆弱。

至此，即實現(xiàn)了對船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)脆弱環(huán)節(jié)的辨識。在此基礎(chǔ)上，考慮對網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。優(yōu)化方式主要從信息網(wǎng)絡(luò)著手考慮，具體實現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 拓撲冗余網(wǎng)絡(luò)

圖6 優(yōu)化前后節(jié)點綜合脆弱性比較

在該優(yōu)化方式下，只需在環(huán)路交換機中指定主交換機，剩下的設(shè)置為客戶交換機，這個工作可以在網(wǎng)絡(luò)初始配置時完成。也就是說在船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)中，可以將1-2號交換機設(shè)置為主交換機，3-6號交換機設(shè)置為客交換機：將能量調(diào)度管理和在線模擬培訓的備用業(yè)務連接到3號交換機，將輸變電設(shè)備監(jiān)測備用業(yè)務連接到4號交換機，將線路繼電控制備用業(yè)務連接到5號交換機，將電能質(zhì)量監(jiān)測和配電運行監(jiān)測的備用業(yè)務連接到6號交換機。按照這樣的方式得到優(yōu)化前后一體化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點綜合脆弱性值如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，優(yōu)化后，交換機節(jié)點和配電板節(jié)點在一體化網(wǎng)絡(luò)中依然最脆弱，但與原網(wǎng)絡(luò)相比，不僅各交換機節(jié)點脆弱性降低，繼電保護管理節(jié)點以及配電板節(jié)點這幾個關(guān)鍵節(jié)點的綜合脆弱性值也在原來的基礎(chǔ)上有了一定程度的下降，除此之外，網(wǎng)絡(luò)中大部分節(jié)點的綜合脆弱性均降低，由此說明增加用戶到交換機的備用路徑可以使得網(wǎng)絡(luò)性能得到優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文建立了船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)模型，對一體化網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的結(jié)構(gòu)脆弱性進行評估，考慮各節(jié)點的物理脆弱性對結(jié)構(gòu)脆弱性的修正作用得到船舶電力信息一體化網(wǎng)絡(luò)的綜合脆弱性指標，根據(jù)一體化網(wǎng)絡(luò)綜合脆弱性的計算結(jié)果對一體化網(wǎng)絡(luò)中的脆弱環(huán)節(jié)進行辨識。進一步采用增加用戶到交換機的備用路徑的方式對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的綜合脆弱性評估結(jié)果為船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供了參考依據(jù)，同時也驗證了本文提出的綜合脆弱性評估方法的有效性。

[1] 郭世澤, 陸哲明. 復雜網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)[M]．北京: 科學出版社, 2012.

[2] 程五一, 王貴和, 呂建國. 系統(tǒng)可靠性理論[M]．北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3] 李紅江, 魯宗相, 王淼等．基于可靠性模型的船舶電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對比分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2006, 21(11): 47-53.

[4] 蔣康明, 曾瑛, 鄧博仁等. 基于業(yè)務的電力通信網(wǎng)風險評價方法[J]．電力系統(tǒng)保護與控制, 2013, (24): 101-106.

Vulnerability Assessment of Shipboard Integrated Information & Power Network

Tong Zhengjun1, Wu Hao2, Ye Zhihao3

(1. Naval Representatives office in No.8359 Institute, Bejing 100037, China; 2.Marine Equipment Project Management Center, Bejing 100071, China; 3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM73

A

1003-4862（2018）12-0028-05

2018-09-20

童正軍(1982-)，男，工學碩士，工程師。研究方向：電機與電器。E-mail: fxxaim0224@163.com