基于復雜網絡理論的電力通信網檢修策略分析

解鵬 李亞平 張志軍

摘要：提出了一種電力通信網中評估檢修計劃和故障處置方案的方法。以復雜網絡為基礎分析多種拓撲類型的模型參數，并以此作為電力通信網的分析基礎;分析與電力通信網可靠性相關的關鍵參數，明確最大連通子圖比例、失效節點數比例、網絡效率等關鍵參數。通過在網絡模型中仿真分析不同失效組合對網絡可靠性關鍵參數的影響。分析關鍵參數并形成電力通信網的檢修策略評估方法，為電力通信網在非正常狀態下的可靠運行提供保障。

關鍵詞：復雜網絡;電力通信網;可靠性分析;檢修策略

中圖分類號：TM73文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）24-58-4

0引言

電力通信網承載著繼電保護系統、安穩控制系統和調度自動化系統的通信業務[1]，是電網三道防線的保障，運行狀態關系到整個電力系統的安全穩定。為了保障通信設備可靠運行，需要對其進行科學有效的運維管理[2]。電力通信檢修工作是日常運維管理中的基礎工作，需要評估檢修風險，預先將檢修點承載的業務迂回到備用路由，或者臨時中斷業務，待檢修結束后另行恢復。

1電力通信網的復雜網絡模型

電力通信網是一種特殊的復雜網絡，拓撲結構與電力網相近，承載的業務與電網的調度控制密切相關，因此電力通信網和運營商建設的通信網有較大區別。研究電力通信網檢修策略，本質是利用復雜網絡理論研究網絡結構和網絡功能之間的關系。網絡的拓撲結構決定其調度控制功能，調度控制功能反過來會影響通信網拓撲結構的演化。對于網絡的結構特性通常運用統計測度刻畫，功能通過動力學行為來反映。

由于電力通信網檢修策略需要首先保障其調度控制功能不受影響，因此針對電力通信網開展復雜網絡研究僅關注其網絡可靠性，并聚焦于網絡結構特性。

文獻[3]指出各地區電網拓撲結構特性并不相同，如湖北電網、四川電網都具有明顯的小世界特性，且大部分網絡雖不是標準的無標度網絡但均具有無標度網絡的特點。考慮到電力通信網與電網結構特征一致，因此基于WS小世界網絡、BA無標度網絡及IEEE標準網絡進行分析。

1.1抽象模型

抽象模型描述了復雜網絡的結構特征，按照對應網絡的構造算法和輸入參數，可以生成描述復雜網絡的鄰接矩陣。

（1）WS小世界網絡

作為從完全規則網絡向完全隨機圖的過渡，Watts和Strogtz提出WS小世界模型，將規則圖中的每條邊以概率進行隨機邊重連，任意2個節點之間最多只能存在1條邊。=0與規則網絡對應，而=1與隨機網絡對應。通過調節就能得到介于這二者之間的小世界網絡。

（2）BA無標度網絡

為了解決ER隨機網絡和WS小世界網絡中節點度分布均勻的問題，引入集散節點，使所有節點度分布差異化，形成無標度網絡。

1.2 IEEE標準模型

針對典型電力通信網拓撲進行仿真分析，采用IEEE57和IEEE118電網作為數據分析集。將含有發電機節點、負荷節點、輸電線等的電氣原理圖簡化為只含點、線的網絡拓撲結構，并以鄰接矩陣的形式進行儲存。

2不同拓撲結構的復雜網絡可靠性分析

2.1復雜網絡可靠性參數

無論是網絡故障或者網絡攻擊，都會導致網絡拓撲結構發生變化。電力通信網檢修工作中使網絡節點和鏈路失效，與故障或者攻擊的效果是一樣的，會導致網絡可靠性改變。因此，分析網絡可靠性相關測度指標對評估檢修工作和制定檢修策略有明顯意義。總的來說，關于復雜網絡可靠性的相關測度有：最大連通子圖比例、失效節點數比例及網絡效率等[5]。

由于復雜網絡拓撲結構一般介于規則網絡和隨機網絡之間，而且電網及伴生的電力通信網一般具有小世界性和無標度性。因此在做可靠性分析實驗時，選取用WS小世界網絡、BA無標度網絡與IEEE57/IEEE118網絡進行仿真分析[6]。在WS小世界網絡、BA無標度網絡仿真分析中，每一個仿真結果均為同參數下生成的4個不同網絡，每個網絡進行10次仿真后的平均值，定義如表1所示。

2.2區域選擇與檢修點選擇對網絡可靠性的影響

由于隨機檢修的不確定性，無法很好地闡明檢修區域中哪些節點會對網絡破壞性更大的問題以及后續對關鍵節點設置保護措施的探究。因此，根據聚類系數和通信業務負荷，網絡的檢修失效策略可以分為4類，如表2所示。

實驗分Strategy A，B，C，D四種策略進行仿真分析。初始參數設置：=150，< >=4，0=3，其中，WS網的重連概率=[0，1]，BA網每次加入邊的條數=[1，10]。生成的4種仿真網絡主要參數如表3所示。

在4種檢修策略下，分別計算4種網絡的網絡可靠性關鍵參數。

對于WS網，Strategy A，B，C，D四種檢修策略對網絡可靠性影響大致相同，與區域半徑和重連概率的變化基本無關。對于BA網，在=1時Strategy A，C兩種檢修策略對網絡可靠性影響最大。隨著的增大，4種檢修策略對網絡可靠性的影響不斷減小，并在=6左右達到穩定。對于IEEE57網和IEEE118網，分別在區域半徑較大和區域半徑較小時，不同檢修策略對其可靠性的影響與BA網=1時類似;由于IEEE57網基數小，在半徑較小時，區域內節點數較少，節點間度數差異不明顯，導致不同的檢修策略對其可靠性影響不大。

在4種網絡中，Strategy A，C兩種檢修方式對網絡可靠性影響最大，說明無論區域位置與否，區域中的度數最大節點由于其連邊數量較多，是網絡中負荷的主要載體，若其失效將會導致大量業務重新選路，從而引發相繼故障。IEEE57網和IEEE118網分別在半徑較大和半徑較小時，不同檢修策略對其可靠性的影響與WS網和BA網類似，其他情況則不存在明顯差異。由于IEEE57網基數小，在半徑較小時，區域內節點數太少，節點間度數差異不明顯導致不同的檢修策略對其可靠性影響不大。

2.3初始失效源點數對網絡可靠性的影響

仿真結果如圖1～圖3所示。對于WS網，隨著重連概率的增大，其抵御隨機攻擊的能力先增強后減弱，在=0.65時達到最大值，但其網絡效率基本不受失效節點數量增加的影響。

對于其余3種網絡，隨著初始失效源點數的增加，故障規模迅速擴大，網絡失效節點數量增加，網絡崩潰為大量孤立節點。其中，IEEE57網和IEEE118網的網絡效率迅速降低，并在

=2.5%左右達到穩定，而BA網絡由于其異質性，抵御隨機攻擊的魯棒性較強，網絡效率下降速度相比IEEE57網和IEEE118網較慢，且隨著的增大，受到隨機攻擊影響不斷減小。同時，由于IEEE57網和IEEE118網初始時的數值較大的網絡效率值，也可以印證IEEE電網的小世界特性。

由仿真結果可知，4種網絡均隨著初始失效源點數的增加，相繼故障規模迅速擴大，網絡失效節點增加，網絡崩潰為大量孤立節點，其網絡效率迅速降低，在=2.5%左右達到穩定。這是由于當失效節點數量隨著相繼故障規模的增加而逐步從網絡中脫離，導致網絡的全局負載減小，使得相繼故障規模得到控制。其中，BA網絡由于其異質性，抵御隨機攻擊的魯棒性較強，IEEE118網和BA網的失效節點比例較其他2種網絡低。同時，由于IEEE57網和IEEE118網初始時的數值較大的網絡效率值，也可以印證IEEE電網的小世界特性。

3電力通信網檢修策略分析

除WS網絡外，節點業務負荷對BA、IEEE57和IEEE118網絡可靠性影響較大，聚類系數影響較小。區域中的度數最大節點由于其連邊數量較多，是網絡中負荷的主要載體，若其失效將會導致大量業務重新選路。因此在電力通信網制定檢修計劃過程中，應重點考慮節點業務負荷的影響。

對于電力通信網中的隨機故障評估，單次同時隨機故障失效點的數量對網絡可靠性影響最大。在IEEE兩種網絡拓撲模型中，初始網絡效率較高，抵抗隨機故障的能力高于其他2種網絡。在電力通信網計劃檢修和故障處置時，可利用本文分析方法，評估檢修計劃和故障處置方案對最大連通子圖比例、失效節點數比例、網絡效率的影響，盡量保障非常規狀態下的網絡可靠性。

4結束語

提出了一種電力通信網中評估檢修計劃和故障處置方案的方法，以復雜網絡為基礎分析多種拓撲類型的模型參數，以此作為電力通信網的分析基礎。其次分析電力通信網可靠性相關的關鍵參數，通過在網絡模型中仿真分析不同失效組合對網絡可靠性關鍵參數的影響。通過關鍵參數分析，形成電力通信網的檢修策略評估方法，為電力通信網在非正常狀態下的可靠運行提供保障。

參考文獻

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