基于臨毀度的電力通信網脆弱性評估

周全貴

（云南電網有限責任公司西雙版納供電局）

0 引言

在電力系統的建設過程中應用了網絡技術，使電力通信更加靈活、安全、高效。隨著信息化技術的完善與成熟，電力系統的通信程度得到了顯著地提升，對通信網的依賴程度也開始增加，當網絡受到攻擊時，電力通信的安全無法保證，需要對電力通信網進行脆弱性評估。針對此類問題，研究人員設計了多種評估方法，其中，基于復雜網絡和暫態能量函數的評估方法與基于服務傳輸的評估方法應用較為廣泛。

基于復雜網絡和暫態能量函數的評估方法，主要利用評估框架進行評估，當網絡受到攻擊時，通過暫態能量函數判斷網絡物理脆弱性，并將網絡的復雜性考慮在內，提升評估效果［1］?；诜諅鬏數脑u估方法，主要是針對網絡運行過程中靜態配置信息與動態運行信息進行分析的方法，對網絡節點的脆弱性評估更加全面［2］。以上兩種方法均能夠對通信網進行可靠性評估，但是受到網絡運行狀態的影響，網絡臨毀度指標不斷變化，影響最終的脆弱評估效果［3］。因此，本文將臨毀度指標考慮在內，設計了電力通信網脆弱性評估方法。

1 電力通信網脆弱性評估方法設計

1.1 確定電力通信網絡信息臨毀度指標

通信網是將各個網絡節點的相互作用直接抽象為頂點與邊的網絡，通過通信網絡結構變化情況，判斷出此時通信網的通信脆弱性。在通信網受到攻擊時，從網絡的業務層開始，網絡節點出現失效的情況［4］。電力業務在網絡邊上傳輸產生時延時，與時延閾值越接近，網絡承受攻擊的能力越弱，脆弱性越高，此時網絡處于危險狀態。本文將該閾值定義為臨毀度，表明網絡受到攻擊瀕臨毀滅的程度，公式如下：

式中，Pij為通信網信息臨毀度指標；tij為第i個業務在j邊上的時延范圍；Ti為第i類業務的業務臨毀度值。

通信網中存在多條通信支路，表現出的脆弱值不同，最終的評估結果相應不同［5］。根據Pij的變化情況，累積增加通信網在鏈路上表現的脆弱性分量，從而保證評估效果［6］。脆弱性分量的累加值就是通信支路的脆弱度，公式如下：

式中，CP［Ep（i，j）］為通信支路的脆弱度；Ep（i，j）為第i條通信支路到第j條通信支路的脆弱值；δt為通信傳輸的實際時延；Vi為通信支路中包含的業務量；Vj為第j類業務在通信支路上的傳輸速率。

通信支路上的因素直接影響到電力節點的脆弱值，本文將通信因素對通信支路網絡節點的影響簡化為電力節點，通過臨毀度指標，判斷通信網絡受到攻擊的威脅程度。

1.2 基于臨毀度構建電力通信網絡脆弱性評估模型

本文在進行通信網脆弱性評估的過程中，根據臨毀度指標，構建了評估模型?？紤]到靜態脆弱與動態脆弱對評估結果的影響，從通信網的不同層次抽取一個節點作為評估模型的評估節點，該節點根據源節點所在層次與等級，被賦予不同的受攻擊程度［7］。各個節點之間的通信支路是電力通信網絡的保護邊，在正常通信的過程中采用雙向通信的方式，因此，本文將所有邊看做無，避免模型中出現自環現象。假設在電力通信網抽取了M個節點，其中M＝｛m1，m2，m3，…，mn｝，若節點mi與節點mj之間存在光纜，則系數kij＝1；若節點mi與節點mj之間不存在光纜，則系數kij＝0［8］。本文將靜態脆弱性評估指標定義為：

式中，N（Mi）為靜態脆弱性評估指標；ε1、ε2為節點介數與節點壓力兩個靜態因素的權重；Pij（mi）為第mi個節點的臨毀度指標；N（mi）為業務層的壓力指標。

N（Mi）為不隨時間變化的常數，動態脆弱性評估指標定義為：

式中，Nvi（Mi）為動態脆弱性評估指標。

根據N（Mi）與Nvi（Mi），構建脆弱性評估模型，表達式如下：

2 仿真實驗

為了驗證本文設計的評估方法是否能夠應用于實際生活中，搭建了一個仿真實驗平臺，對上述方法進行了仿真驗證。分別使用文獻［1］基于復雜網絡和暫態能量函數的評估方法、文獻［2］基于服務傳輸的評估方法以及本文設計的基于臨毀度的評估方法，對電力通信網絡的脆弱性進行評估。

2.1 實驗過程

本文在仿真實驗平臺中對電力通信網絡進行仿真，將電力系統保護網絡拓撲進行模擬，將網絡中不同層面的站點，抽象成不同重要程度的節點，將各個節點依次相連，形成了不同重要程度的邊。本次實驗共仿真了17個節點，25條邊，表示為n＝17，m＝25，將拓撲圖稱為電力通信網絡A。仿真通信網絡拓撲如圖1所示。

圖1 仿真通信網絡拓撲圖

如圖1所示，協控主站設定為X，共6個；控制主站設定為K，共8個；負控主站設定為F，共3個。其中，X的網絡連通強度（EI）值設定為2.22，K的EI值設定為1.86，F的EI值設定為1.35。一級線路的EI值設定為1.25，二級線路的EI值設定為0.80。在此仿真網絡下，模擬出電力負荷控制、交直流協調控制、連鎖故障控制等業務，在該電力通信網絡下運行。每個業務對應的網絡攻擊不同，隨機性攻擊選擇6、13、16、7、8、15等節點，高介數攻擊選擇17、2、4、11、9、12等節點，高壓力攻擊選擇10、1、3、14、5等節點。根據各個節點的攻擊情況，得出通信網絡的網絡性能情況，如圖2所示。

圖2 通信網絡性能變化曲線

如圖2所示，在隨機性攻擊、高介數攻擊和高壓力攻擊模式中，網絡流量（GNP）值均隨著被攻擊節點數的增加而減少，可知攻擊對網絡性能的影響較大。在被攻擊的節點數增加到10時，GNP值最低，此時網絡節點的失效可能性較大，本文對其進行脆弱性計算，由此評估電力通信網的脆弱性。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，隨機選取出8個通信網絡節點，將其按照脆弱值排序為1～8，在不同的脆弱值下，脆弱性評估狀態不同。將文獻［1］基于復雜網絡和暫態能量函數評估方法的脆弱性、文獻［2］基于服務傳輸評估方法的脆弱性以及本文設計的基于臨毀度評估方法的脆弱性進行對比，并以脆弱值與狀態評估的形式呈現，實驗結果見表。

表 實驗結果

如表所示，脆弱值是判定通信網絡脆弱性的關鍵指標，本文將通信網絡節點的脆弱值排序為1～8。脆弱值普遍不超過0.5，超過0.5之后，通信節點處于危險狀態；脆弱值在0.4～0.5時，通信節點處于警告狀態；低于0.4的節點均為良好狀態。其中，通信網絡節點1為危險狀態，2、3為警告狀態，4～8為良好狀態。使用文獻［1］基于復雜網絡和暫態能量函數評估方法的脆弱值相對較高，在通信網絡節點2、3、4、5處，脆弱性評估結果存在誤差，影響電力通信網絡的后續運行與維護。使用文獻［2］基于服務傳輸評估方法的脆弱值在節點2處存在誤差，與通信節點的脆弱性狀態不同，同樣影響電力通信網絡的后續運行與維護。使用本文設計的基于臨毀度評估方法的脆弱性評估狀態與實際狀態保持一致，可以保證電力通信網絡的后續運行與維護，符合本文研究目的。

3 結束語

近些年來，電力網絡建設逐漸完整，通過智能化技術、網絡技術、自動化技術等應用，電力網絡成為了具有高可靠性的現代通信技術。電力系統對網絡的依賴程度逐漸增加，網絡信息存在的安全隱患也逐漸凸顯。網絡在受到攻擊時，網絡節點會出現失效或不正常運行的狀態，影響電力通信網絡的繼續運行，導致通信網變得脆弱。因此，本文在臨毀度理論下，設計了電力通信網絡脆弱性評估方法，通過確定臨毀度指標與評估模型的方式，判斷電力通信網的運行狀態，最大限度地保證電力系統的有效運行。