基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力通信網(wǎng)脆弱性分析研究

孫 睿

（中通服網(wǎng)盈科技有限公司淮安分公司，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

隨著電網(wǎng)向智能化和自動化方向發(fā)展，電力通信網(wǎng)絡(luò)的重要性愈加凸顯，然而由于其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和廣泛的應(yīng)用背景，電力通信網(wǎng)面臨著多種潛在的脆弱性問題。這些問題可能源于網(wǎng)絡(luò)自身的設(shè)計缺陷，也可能由外部攻擊或系統(tǒng)故障引發(fā)，因此深入分析電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和脆弱性對于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。文章研究聚焦于電力通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性及其脆弱性問題，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論作為分析工具，旨在探索電力通信網(wǎng)在面臨各種潛在威脅時的表現(xiàn)[1]。

1 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力通信網(wǎng)脆弱性評估方法

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在實際應(yīng)用中，可通過統(tǒng)計物理、圖論、動力學(xué)模型等方式，分析網(wǎng)絡(luò)變化、社群結(jié)構(gòu)、信號傳播等，有助于提高網(wǎng)絡(luò)評估及分析的有效性。電力通信網(wǎng)絡(luò)本身的通信穩(wěn)定性會受到不同因素的影響，因此在研究電力通信網(wǎng)脆弱性的過程中，可分析外界惡意攻擊行為、入侵行為所產(chǎn)生的影響。電力通信網(wǎng)的脆弱性評估可以從通信連通性和網(wǎng)絡(luò)效率等角度進行量化分析，故障節(jié)點的百分比計算為

式中：Nf、N分別為故障節(jié)點數(shù)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)。電力通信網(wǎng)被攻擊時，可從隨機節(jié)點攻擊、高度數(shù)節(jié)點攻擊兩個角度進行定量分析。通過分析電力通信網(wǎng)的連通性，從而獲得站點之間的通信能力。如果存在通信不暢的情況，則可從電力通信脆弱性的角度，分析電力通信網(wǎng)是否遭受到惡意攻擊。電力通信網(wǎng)最大連接的狀態(tài)下，節(jié)點的占比計算為

式中：N'、N分別為電力通信網(wǎng)聯(lián)通中攻擊前的有效節(jié)點數(shù)、攻擊后的有效節(jié)點數(shù)。在忽略電力通信網(wǎng)故障的前提下，需要評估與分析通信關(guān)系，并綜合分析通信傳輸過程，從而保證業(yè)務(wù)處理水平。

電力通信網(wǎng)的脆弱性評估與分析中，為制訂有效的評估機制，需要利用皮爾森相關(guān)系數(shù)對電力通信網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)量和通信介質(zhì)等進行評估與檢驗，具體的計算公式為

式中：ki為節(jié)點i的度數(shù)；Bi為節(jié)點i的介數(shù)；〈k〉為電力網(wǎng)絡(luò)的平均度數(shù)；〈B〉為網(wǎng)絡(luò)的平均介數(shù)。在對度數(shù)、介數(shù)的相關(guān)性進行檢驗與分析中，需要從數(shù)據(jù)存儲和通信傳輸穩(wěn)定性的角度，評估與分析電力通信狀態(tài)。電力通信網(wǎng)絡(luò)的脆弱性評估、檢驗與分析，需要根據(jù)電力通信的傳輸需求，檢驗電力通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

2 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力通信網(wǎng)脆弱性分析過程

2.1 隨機攻擊和蓄意攻擊下的網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析

對電力通信網(wǎng)絡(luò)的攻擊主要有隨機攻擊和蓄意攻擊，其中隨機攻擊是指起初沒有特定的攻擊對象，具體攻擊哪個節(jié)點攻擊與范圍采取隨機模式，蓄意攻擊是指針對特定節(jié)點的攻擊[2]。通過C#語言與MATLAB 語言混合編程的模式，在進行檢驗與分析中可以發(fā)現(xiàn)，隨著刪除節(jié)點的數(shù)量越多，最大聯(lián)通剩余節(jié)點的占比也會下降，由此可以推斷出網(wǎng)絡(luò)在隨機攻擊和蓄意攻擊下，剩余網(wǎng)絡(luò)的全局效率與移除節(jié)點比例之間的依賴關(guān)系。隨機攻擊和蓄意攻擊模式下最大聯(lián)通剩余節(jié)點比例與刪除節(jié)點的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 最大聯(lián)通剩余節(jié)點比例與刪除節(jié)點的關(guān)系

由圖1 可知，隨著刪除節(jié)點數(shù)量的增加，有效通信連接的有效性會逐漸降低，雖然兩種攻擊方式存在一定的差異性，但是對電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸穩(wěn)定性均會產(chǎn)生一定的影響。蓄意攻擊所產(chǎn)生的影響會在節(jié)點刪除一定數(shù)量后趨近于無通信的情況，而隨意攻擊對通信所產(chǎn)生的影響呈現(xiàn)逐步下降趨勢，這說明電力通信網(wǎng)絡(luò)面對不同攻擊，其脆弱性都會影響通信狀態(tài)。

2.2 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力通信網(wǎng)脆弱性評估

2.2.1 結(jié)構(gòu)性評估

通過設(shè)計程序和運行程序可知，當前電力通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不具合理性，主要的結(jié)構(gòu)形式為星型或樹形，導(dǎo)致電力通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的資源共享能力不足，其可靠性也遭遇嚴峻考驗。結(jié)構(gòu)上的不足導(dǎo)致傳輸質(zhì)量有待提高。在電力通信中，通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不完善會直接影響通信的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。許多結(jié)構(gòu)沒有采取及時優(yōu)化措施，進一步致使電力通信不能滿足傳輸時提出的要求。

2.2.2 脆弱節(jié)點評估

通過枚舉所有可能的節(jié)點攻擊評估出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論下電力通信的脆弱節(jié)點。具體地，從蓄意性攻擊、隨意性攻擊的角度進行評價與分析，隨著刪除的節(jié)點數(shù)量越多，電力通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性會降低，被攻擊的可能性會相對增加，具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同攻擊模式下脆弱節(jié)點的評估結(jié)果

2.2.3 物理脆弱性評估

物理脆弱性評估主要包括兩方面內(nèi)容。一方面，電力通信網(wǎng)絡(luò)沒有實現(xiàn)對設(shè)備及接口統(tǒng)一使用，進而造成分區(qū)調(diào)整成本過高的情況。另一方面，處于網(wǎng)絡(luò)中的陳舊設(shè)備無法以新標準進行工作，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)管理混亂，進一步為管理工作增添了許多問題[3]。

3 電力通信網(wǎng)的保護策略

3.1 高度數(shù)節(jié)點保護策略

在電力通信網(wǎng)中，高度數(shù)節(jié)點的保護至關(guān)重要。以某大型城市電網(wǎng)為例，其中的一個關(guān)鍵調(diào)度中心連接著超過60%的節(jié)點，是整個電力通信網(wǎng)的重要樞紐。為此該電網(wǎng)采取了多項措施以增強這一關(guān)鍵節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性，具體如下。一是增加該節(jié)點的冗余連接，通過建立至少兩條獨立的備用通信路徑，有效降低由于單點故障造成的風(fēng)險。二是加強調(diào)度中心的硬件和軟件系統(tǒng)，部署高級的防火墻和入侵檢測系統(tǒng)、雙路由器和多源電源供應(yīng)系統(tǒng)，確保在遭受攻擊或面臨故障時的連續(xù)運行。三是實施實時網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控和流量模式分析系統(tǒng)，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障或攻擊跡象，并快速響應(yīng)。

3.2 低度數(shù)節(jié)點加邊策略

在電力通信網(wǎng)中，低度數(shù)節(jié)點由于其較少的連接，可能成為網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，這些節(jié)點的故障雖然不會像高度數(shù)節(jié)點那樣造成廣泛的影響，但其失效可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的某些部分與主網(wǎng)絡(luò)隔離，影響網(wǎng)絡(luò)的整體運行效率，因此增強低度數(shù)節(jié)點的連通性是提高網(wǎng)絡(luò)健壯性的一個重要方面，具體的做法包括增加低度數(shù)節(jié)點之間的直接連接或?qū)⑺鼈兣c高度數(shù)節(jié)點連接。這種策略可以通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法實現(xiàn)，如使用貪婪算法在不增加過多成本的前提下，逐步增加網(wǎng)絡(luò)中的邊。增加的邊應(yīng)優(yōu)先考慮那些可以最大化網(wǎng)絡(luò)連通性的節(jié)點。例如，可以計算網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度或網(wǎng)絡(luò)效率以評估每次加邊操作的效果[4]。

3.3 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略

以某地區(qū)電力網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)項目為例，該項目重點是提高關(guān)鍵但脆弱節(jié)點的健壯性，這些節(jié)點連接著大量用戶和關(guān)鍵設(shè)施，但由于其位置和連接的特性，它們在面對故障時顯得格外脆弱。具體來說，該電力網(wǎng)的一個主要調(diào)度中心因其高度數(shù)和高介數(shù)成為重構(gòu)的焦點，原本這個調(diào)度中心僅依賴于單一的通信路徑與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接，而在重構(gòu)策略中增加了從該調(diào)度中心出發(fā)的備用通信路徑，同時增加的通信線路通過優(yōu)化布局減少了通信的延遲，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省４送猓瑢⒕W(wǎng)絡(luò)劃分為幾個較小的模塊，每個模塊內(nèi)部具有密集的連接，而模塊之間的連接相對較少，這種結(jié)構(gòu)調(diào)整使得即便某個模塊發(fā)生故障，也不會直接影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行。這一策略的實施顯著增強了網(wǎng)絡(luò)的抗故障能力。

4 保護策略的效果評估

4.1 網(wǎng)絡(luò)健壯性的提高率分析

網(wǎng)絡(luò)健壯性指網(wǎng)絡(luò)在面對故障或攻擊時維持功能的能力。具體來說，網(wǎng)絡(luò)健壯性的提高率可以通過比較采取保護措施前后網(wǎng)絡(luò)的連通性損失率來計算，連通性損失率定義為在網(wǎng)絡(luò)受到一定比例節(jié)點或邊的隨機或有選擇的移除后，網(wǎng)絡(luò)中不再連通的節(jié)點對占總節(jié)點對的比例。例如，如果在未采取保護措施時，移除10%的節(jié)點導(dǎo)致30%的節(jié)點對不再連通，而采取措施后同樣的節(jié)點移除只導(dǎo)致20%的節(jié)點對不再連通，則健壯性提高率約為33.3%。在進行健壯性分析時，應(yīng)考慮不同類型的故障模式，包括隨機故障和針對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點或邊的有針對性攻擊[5]。

4.2 網(wǎng)絡(luò)效率的提高率分析

分析電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)效率提高率關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)在優(yōu)化措施實施后信息傳輸效率的改善程度。網(wǎng)絡(luò)效率是衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的一個重要指標，通常定義為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點對之間最短路徑倒數(shù)之和的平均值。在電力通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)效率指網(wǎng)絡(luò)在傳輸和處理信息時的性能表現(xiàn)，直接反映網(wǎng)絡(luò)的整體性能與服務(wù)質(zhì)量。提高網(wǎng)絡(luò)效率主要是在網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊或故障時，可更快速、穩(wěn)定地恢復(fù)服務(wù)，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和丟失，從而保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在進行網(wǎng)絡(luò)效率的提高率分析時，還需考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點及鏈路的性能、流量分布等因素。制訂更加精準的優(yōu)化策略，可以提高電力通信網(wǎng)效率與穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的安全運行提供保障，為電力行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

本研究針對電力通信網(wǎng)的脆弱性問題，深入分析了網(wǎng)絡(luò)的小世界特性、無標度特性以及節(jié)點的度分布，揭示了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特點及其對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響。通過提出高度數(shù)節(jié)點保護策略和低度數(shù)節(jié)點加邊策略，為增強電力通信網(wǎng)的健壯性提供了有效的方法。同時，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略和安全監(jiān)控系統(tǒng)的實施進一步提高了網(wǎng)絡(luò)的抗故障能力與信息傳輸效率，這些策略的綜合應(yīng)用有助于提升電力通信網(wǎng)的整體性能，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和安全。