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基于复杂网络理论的电力通信网脆弱性分析研究

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Telecom Power Technology

228 2024年3月10日第41卷第5期Mar. 10, 2024, Vol.41 No.5 

运营维护技术DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2024.05.072

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）

摘要：基于电力通信网在现代电力系统中的核心作用，文章深入分析了其网络拓扑结构特性及在不同攻击和故障模式下的脆弱性。研究先通过构建数学模型，分析电力通信网的小世界和无标度特性，进而探讨了网络的度分布、节点脆弱性及故障模式。在此基础上，文章提出了针对性的保护策略，如对高度数节点的保护、低度数节点的加边策略以及网络的重构策略，旨在增强网络的抗攻击能力和提升其稳定性。这些策略的有效性通过定量方法进行了评估，结果显示所提出的措施能显著提高电力通信网的健壮性和效率。本研究不仅为电力通信网络的脆弱性分析提供了理论基础，也为网络的优化和保护提供了实践指导，对于保障电力系统的稳定运行具有重要意义。关键词：复杂网络理论；电力通信网；脆弱性分析；网络拓扑

Research on Vulnerability Analysis of Power Communication Network Based on Complex

Network Theory

SUN Rui(Zhongtong Service Wangying Technology Co., Ltd., Huai’an Branch, Huai’an 223001, China)

Abstract: Based on the central role of power communication network in modern power system, this paper deeply analyzes its network topology and vulnerability under different attack and failure modes. Firstly, the paper analyzes the small-world and scale-free characteristics of power communication network by constructing a mathematical model, and then discusses the degree distribution, node vulnerability and failure modes of the network. On this basis, this paper puts forward targeted protection strategies, such as protection for high-degree nodes, edge-adding strategy for low-degree nodes and network reconfiguration strategy, aiming at enhancing the network’s anti-attack ability and improving its stability. The effectiveness of these strategies is evaluated quantitatively, and the results show that the proposed measures can significantly improve the robustness and efficiency of power communication network. This study not only provides a theoretical basis for vulnerability analysis of power communication network, but also provides practical guidance for network optimization and protection, which is of great significance for ensuring the stable operation of power system.Keywords: complex network theory; electric power communication network; vulnerability analysis; network topology

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

fn100%NfN=× （1）

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

G=N'/N （2）

式中：N'、N分别为电力通信网联通中攻击前的有效收稿日期：2024-01-21作者简介：孙󰀁睿（1991—），男，江苏淮安人，本科，工程师，主要研究方向为通信工程。

 2024年3月10日第41卷第5期

229 Telecom Power TechnologyMar. 10, 2024, Vol.41 No.5 孙 睿：基于复杂网络理论的 电力通信网脆弱性分析研究

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

ii1D-B22ii11N

iNN

iikkBB

kkBBρ=

==−−=

−−∑

∑∑ （3）

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。

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0012345删除节点数量/个最大联通剩余节点比例蓄意攻击随意攻击

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。

0.300.350.490.520.550.560.780.80

0.400.500.550.620.700.750.800.85

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

024681012141618被攻击的发生概率/%

删除节点数量/个蓄意性攻击随意性攻击

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

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电力通信网脆弱性分析研究

电力通信网脆弱性分析研究

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电力通信网脆弱性分析研究

作者：王海滨 黄晶晶 王伟 吕婧

来源：《世界家苑·学术》2018年第06期

摘 要：随着我国电力线路建设突飞猛进的发展，对于电力通信网络的发展来说既是机遇，同时也是挑战，如果在实际投入运行过程中，电力通信网络发生故障，就会造成大规模的电力通信的瘫痪，对人们的生活造成了很大的影响，所以提高电力通信网络运行的安全，可以保障电力通信网络处在良好的运行状态。

关键词：电力通信网；脆弱性；分析

1 确定电力通信网络脆弱性测量指标及其评估

根据电力通信网络的当前基本特点，有必要准确定位其指标的脆弱性。电力通信网络评估中存在许多漏洞，例如最短路径、程度、程度分布、集群系数、模块数量等，因此电力通信网络漏洞必须全面，详细分析。其中：聚类系数，节点度分布，聚类系数，节点数分布均为测量电力通信网络的重要指标。通过对这些参数的有效分析和保修，再加上电力通信网络结构的结构，然后根据对电力通信网络的脆弱性分析，计算性能函数的相应变化。在业务连通性之后，便可更全面，更准确地分析了电力通信网络的脆弱性。

2 电力通信网络脆弱性仿真

要求电力企业了解电力通信网络的基本特征，根据以前确定的电力通信网络漏洞测量指标，建立电力通信网络业务层漏洞模型，设计单元故障模型，脆弱性分析需求网络模型，并在不同的情况下对电力通信网络的脆弱性进行描述和分析。之后，可以根据网络仿真对电力通信网络的脆弱性进行分析。例如，您可以选择节点，线路，然后从电力通信网络传输节点或线路，以降低网络的性能。然后，根据网络性能的程度，选择节点的脆弱性，最后通过对系统的分析来识别故障，并最终找到有针对性的策略。此外，电力网络的脆弱性也可以模拟仿真分析，在故意攻击和随机攻击模式下，这些攻击节点将丢失，最终导致网络瓦解。实验表明，随机攻击和故意攻击比较，发现故意攻击电力通信网络的脆弱性使网络性能的影响更加明显。

基于复杂网络理论的电网脆弱性评估

基于复杂网络理论的电网脆弱性评估

Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．５　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｃｔ．２０１１　

基于复杂网络理论的电网脆弱性评估　

汤荡之　

（长春供电公司，吉林长春１３００００）　

摘要：近年来频繁发生的大停电事件引起人们对电网可靠性的广泛关注。基于复杂网络理论，提出一种电网结构　脆弱性分析方法，依据线路电抗和电压作为介数值指标来衡量电网的脆弱线路。通过分析ＩＥＥＥ３９节点系统，证实　了该方法的有效性和实用性。　关键词：复杂网络理论；脆弱性评估；介数　中图分类号：ＴＭ７１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１６６３（２０１１）０５—０３６８—０２　

Ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈｅｏｒｙ　

ＴＡＮＧ　Ｄａｎｇｚｈｉ　

（Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕａｎ　１３００００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ａｒｏｕｓｅ　ｐｅｏｐｌｅ￣ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　

Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｒｕｃ—　

ｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｗｅｉｇｈｔ　ｔｈｅ　ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ　ｌｉｎｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅ　ｒｅａｃｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｌｉｎｋ　ｈｕｍ　ｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ３９　ｎｏｄｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈｅｏｒｙ；ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｌｉｎｋ　ｈｕｍ　

网络技术在电力信息通信中的应用分析

网络技术在电力信息通信中的应用分析

网络技术在电力信息通信中的应用分析

现阶段随着我国的经济迅速发展，这也促进了电力行业的进步，使得过去传统的有线通讯改变成现在的无线技术与光纤，这个时候智能电网时代开始到来。目前对智能电网的建设依旧在实施着，一直在作出改进与优化。电力信息通讯技术在建设智能电网的过程中占据了十分重要的地位。

标签：网络技术;电力信息通信;应用

引言

电力行业的发展呈现出繁荣态势，有利于促进国民经济水平的提升，为现代化建设注入新的活力。在新形势下，社会各领域对电力信息的通信质量提出了更高要求。传统通信方式难以满足人们的实际需求，必须对其进行改革和创新，建立一个完善的电力信息通信体系，促进电力系统的安全、高效运行。当前，互联网已经成为社会中不可或缺的重要工具。随着网络技术水平的提升，传统行业发展了翻天覆地的变化。在电力信息通信中，应该加快网络技术的融合，使通信质量能够满足人们的实际需求。然而，相较于西方发达国家，我国在网络技术的应用上仍旧存在诸多问题。在工作实践中，应该根据当前实际情况制定合理的技术应用方案。

1电力信息通信网络技术概述

电力企业是国家的基础性事业。随着科技的不断发展，各种网络技术在电力系统中的应用也逐渐广泛起来，这有效保障了我国电力系统安全可靠的运行。电力信息通信技术，也就是将网络技术与电力通信系统结合，并利用网络的智能化，以实现人与电力系统之间的对话和沟通。以机器代替人脑，不论是检查工作、监督工作，其工作效率都远远高于人。由此我们可以看出，将网络技术与电力通信系统巧妙结合，对于电力企业未来的发展具有现实的积极意义。①信息覆盖面积广。电力网络通信技术可以说是在以其他技术为基础发展起来的，在整个系统运行的过程中都需要依赖一些先进的设备，所以这就对于工作人是就提出了更高的要求。要求工作人员必须能够对电力系统专业知识有一定的了解，以便于更好的利用操作电力网络信息通信系统，以此提高信息传输速率及其利用率，从而能够更好地为电力系统服务。②具有明显的地域特征。各个国家机器地区的电力运营和管理方法都存有不同的运营方式和管理方法，例举电压电网来说，就各不相同。所以在这种情况下，电力信息网络技术就很难实现标准化，因此，由于受到国家政策的一定保护，在我们日常的工作过程中仍然还是需要走国产化的一个方针。由此，我们可以看出电力信息通信技术具有明显的地域性特征。

复杂网络的动力学特性及应用研究

复杂网络的动力学特性及应用研究

复杂网络的动力学特性及应用研究

随着互联网的发展，人们之间的联系已经超越了地域和时间的限制。然而，在这个物质流动非常便利的时代里，人们之间的信息流动似乎还有着很多瓶颈。为了更好地了解网络中信息的流动规律，提高网络传播的效率，科学家们开始研究复杂网络的动力学特性和应用。

一、复杂网络的概念与特征

复杂网络是由大量的节点和连接构成的网络结构，它在生物系统、社交系统、交通系统、通信系统等各个领域中都有广泛应用。复杂网络的性质因应用场景而异，但它们都有以下三个基本特征：复杂度、自组织性和小世界性。

1. 复杂度

复杂网络中的节点数目非常大，且它们之间的联系非常复杂，数据的传输和处理都需要高度的复杂性和优化策略。例如，互联网就是一个全球性的复杂网络，它的节点数目可能达到数十亿，而且这些节点之间存在着极为复杂的联系和交互。

2. 自组织性

复杂网络中的每一个节点都有着自己的行为规律，但是它们之间的联系却是非常自然地形成的，而这种联系通常有自己的优化机制，使得网络的结构很好地适应了不同应用场景。例如，社交网络中的“朋友圈”就是通过节点间的自发联系而形成的，它不需要特别的设计或规划。

3. 小世界性

复杂网络中的节点之间的联系非常复杂，但是他们之间的距离也非常短。也就是说，一个任何两个随机节点之间的路径长度是非常短的，甚至只需要经过少量的中间节点就能够到达。例如，六度分隔理论就是基于这一特性而提出的。

二、复杂网络的动力学模型

在复杂网络中，节点的状态和节点之间的连接关系都会不断地变化，因此必须建立动力学模型来描述网络的发展规律。其中著名的动力学模型有ER模型和BA模型。

1. ER模型

ER模型是最早的随机网络模型，它是由Erdős和Rényi在1959年提出的。该模型假设节点之间是随机互联的，每个节点间的连边是等概率的。这种简单模型可以用来产生随机网络，但是它缺乏现实的应用背景。

2. BA模型 BA模型是由Barabási和Albert在1999年提出的，它放弃了ER模型的随机互联假设，而提出了“富人愈富”的思想。该模型假设一个新的节点更愿意连接到已经连接度比较高的节点上，这样就会形成一个高度集中的网络结构。该模型已经被广泛地应用于生物学、社交网络、互联网等领域。