论文学习：基于业务的电力通信网风险评价方法

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0 引言

电力通信网作为电力系统的通信专网，承载着电力生产和管理的全部业务，其系统庞大、结构复杂，发生任何故障都可能对电网的安全稳定运行构成严重威胁。有效地评估电力通信网运行风险状况，对于网络设计、维护与管理以及提高整个网络运行的可靠性等诸多方面都有着实际意义。

电力通信系统风险评估是一个多角度、多层次的复杂问题，目前，我国对电力系统输配电网的风险研究较为深入，相关的风险评估理论研究比较成熟，但针对电力通信网风险管理的研究仍然涉足不深，相关的研究和风险管理工作发展滞缓，取得的一些相关研究成果也未达到很好的效果。现有研究方法主要分为两大类：一类从宏观层面分析影响网络风险的因素，利用层次分析的思想建立风险评估指标体系，并适当结合数学工具综合计算得到风险指标值，如文献[10]，这类方法具有一定客观性，不足之处在于对数据依赖性大，结果存在不确定性；另一类从用户角度出发，分析网络对用户业务的满足能力，以业务为中心评价网络，提出提高网络运行可靠性的优化方法，如文献[13-15]，此类方法关注网络运行业务对网络风险的影响，更具有现实意义，是风险评价研究的趋势。文献[13]基于业务角度分析电力通信网风险，利用提出的风险均衡度指标对网络进行风险评价，此思路新颖可行，且具实用性，不过由于忽略网络链路重要性的区别，评价结果缺乏全面性。

基于以上分析，本文在现有风险评价研究的基础上，结合网络拓扑，提出一种基于业务的电力通信网风险评价方法。首先基于业务分析电力通信网链路的运行风险状况；其次从网络拓扑研究网络中链路的重要性，得到链路权重值；利用链路权重对链路风险值进行综合运算，从而得到网络风险评价指标值，利用所得指标对网络进行分析，可更全面地描述电力通信网络的风险，并为风险控制提供准确依据。

1 业务分析

1.1 业务分类

按照电力系统安全防护管理体系的有关规定，将业务划分为生产控制大区和管理信息大区两大类。生产控制大区可以分为控制区（又称安全区I）和非控制区（又称安全区Ⅱ）：安全区I 中的业务是电力生产的核心环节，直接实现对电力一次系统的实时监控，对电力系统的安全运行至关重要，典型业务包括线路继电保护和安稳系统等；安全区Ⅱ中的业务是电力生产的必要环节，在线运行但不具备控制功能，典型业务包括电能量计量系统、电力市场运营系统等。

管理信息大区又可以按照实时性原则分为安全区Ⅲ和安全区Ⅳ：安全区Ⅲ的业务在电力生产中起到辅助作用，实时性要求较高，典型业务包括雷电定位监测系统和变电站视频监视系统等；安全区Ⅳ包括电力企业管理类业务，实时性要求不高，如视频会议系统和行政电话等。

1.2 业务重要度

电力通信网在运行中承载着多种业务，不同业务对电力系统运行安全的影响程度不一样。业务重要度是指该业务发生中断或存在缺陷(业务通道可靠性降低)的情况下，对电网安全稳定运行的影响程度，影响程度越大，业务重要度越高。该指标可以体现业务对电网安全运行所造成风险的影响程度。

电力业务的功能各不相同，对通信通道的传输特性要求也不一样，，按照电力生产及需求特点，将业务的安全要求结合传输特性要求综合评估业务运行对网络风险的影响，利用层次分析法计算业务重要度。典型电力通信网业务重要度如表1 所示。

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2 链路分析

2.1 链路风险值

链路风险值指当链路故障时对网络风险影响程度的度量值。链路作为业务的载体，链路故障对网络风险的影响可等效于受影响的业务对对网络风险的影响。考虑到业务重要度的概念，将链路上运行业务的业务重要度作为链路故障时对网络风险影响程度的度量值。对于运行单业务的链路，链路风险值可以表示为

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其中：ri 表示该链路所运行的第i 类业务Si 的业务重要度；Pk 为链路Lk 发生故障的概率。目前电力通信网普遍采用光缆作为传输链路，光缆故障概率与敷设方式、光缆类型、运行时间、周边环境等相关，链路故障发生概率Pk 的值应考虑每条光缆的实际情况，根据统计数据确定。

对于运行多种业务的链路，需考虑链路上所承载的所有业务的业务重要度综合值，假设链路Lk一共承载x 类业务，其中第i 类业务Si 的数量为ni，则该链路风险值Rk 为

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2.2 链路权重

网络中不同链路对网络的作用和影响力并不相同，因而各链路风险对网络风险的影响程度也不同。定义链路权重为链路在网络中的作用和影响力。链路权重反映链路在网络中的地位，是链路在网络中重要程度的体现。

文献[18]从业务角度出发，考虑链路容量，计算链路重要性。但是电力通信网作为专网，带宽并非关键指标，容量并不能衡量链路重要性。而对于既有网络，链路权重应是一个固定值，不随网络运行状态的变化而改变。因此可从拓扑角度分析链路在网络中的重要程度。

网络拓扑研究中，介数是一个可以反映相应边在整个网络中的作用和影响力的指标，其概念符合链路权重的定义，因此利用边介数计算链路权重。

边介数的定义为

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其中：dij 表示节点i 与节点 j 之间的最短路径数目；dijk 表示过链路k 的节点i 与节点j 之间的最短路径数目。电力通信网中链路普遍采用光缆，光缆长度对信息传输影响并不大，因此计算最短路径时，所有链路长度均规定为1。

对链路的边介数进行归一化，得到链路k 权重为

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其中，m 为网络中链路的总条数。

3 网络风险评价

3.1 网络风险值

网络中不同权重的链路，其风险值对网络的整体风险水平影响不同。利用链路权重对每条链路的风险值进行加权运算，得到衡量网络整体风险水平的网络风险值指标为

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3.2 网络风险均衡度

网络风险均衡度是衡量网络各链路风险分布情况的指标。统计学中的变异系数可以直观地反映某一总体各单位标志值的差异程度、集中或离散状况。结合风险均衡度概念，利用变异系数算法改进网络风险均衡度指标，得到网络风险均衡度为

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其中：Rk 为链路Lk 的风险值；RN 为网络风险值。

网络风险均衡度是一个相对值，说明各链路风险值相对于网络风险值分布的离散情况：指标值越大，网络中各链路风险值分布越离散；反之，链路风险值分布越均匀。从网络整体上分析，链路风险值分布越均匀，网络运行相对越合理，相应风险越低。因此，风险均衡度指标可清晰直观地从链路风险值分布的角度反映网络的整体运行风险状况。

4 算例分析

为验证评价方法的有效性，以一个由8 个节点、12 条链路组成的基础网络为例，构建电力通信网络模型，如图1 所示。

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4.1 网络分析

网络1 的网络链路集合为L={L1, L2, L3, L4, L5,L6, L7, L8, L9, L10, L11, L12}，链路介数集合为B={B1,B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9, B10, B11,B12}，网络图中虚线为业务通道，网络运行的业务集合为S={ S2, S4,S5, S6, S7}，各业务类别如表1 所示。定义业务矩阵S(L)表示链路集中各链路所承载的各类业务的数量，矩阵元素S(L)ij 表示链路Lj 所承载的业务Si 的数量，按照图1 的业务传输路径，建立业务矩阵S(L)为

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4.2 网络风险计算

根据表1 得到业务重要度向量：r={0.9661,0.9448, 0.8550, 0.9161, 0.6480, 0.8236, 0.4651,0.3755, 0.5490, 0.4739}，假设所有链路的故障概率PL 均为0.1%，则由式(2)得链路风险值向量为

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计算得链路风险值向量为

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根据式（3）计算得到链路权重向量为ω={0.1266, 0.0934, 0.0400, 0.0866, 0.0666, 0.0800,0.0734, 0.0400, 0.0666, 0.1266, 0.1200, 0.0800}

由式（5）得网络风险值为

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将链路风险值向量与链路权重向量代入式（8）计算得RN =0.001 35。将结果代入式（6）得到网络风险均衡度VN=0.624 2。网络的各项指标结果如表2 所示。

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4.3 网络风险分析

根据表2，基础网络中除链路L1 与L5 外，其余链路的风险值均小于0.001 500，风险评价指标网络风险值为0.001 350，接近大部分链路的风险值大小，符合网络实际风险情况，能合理地衡量网络整体风险水平。

网络风险均衡度指标的值为0.630 1，网络各链路风险值分布离散程度偏大，可能是由于网络中某些重要的链路风险过大，或个别链路承载的业务量过大，因而网络存在一定程度的运行风险。根据表2，链路L1 与L5 的风险值相对网络风险值而言严重偏大，结合图1 的业务分布来看，链路L1 权重最大，且承载的业务较多，因而风险值较高，为0.002 684；链路L5 虽然权重并非很大，但其承载业务最多，风险值高达0.003 425。这两条链路风险值相对偏高，导致网络风险均衡度值偏大。

综合分析，网络风险值可以衡量网络整体风险水平，是体现网络平均风险水平的指标；网络风险均衡度描述网络中各链路风险分布的离散程度，利用网络风险值和网络风险均衡度值两项风险指标从不同角度对网络进行评价，能更全面性地反映网络实际运行的风险情况，并可为降低网络风险采取针对性的网络风险控制措施。

4.4 网络风险控制

根据风险评价指标分析网络风险状况，当网络运行风险将会对网络稳定运行造成影响时，应针对网络的风险状况采取相应风险控制措施，对网络进行适当优化以降低风险。利用风险评价指标对风险控制前后的网络进行对比分析，可评价网络风险控制效果。

对于图1 的基础网络而言，网络风险值较为接近网络大部分链路风险值，基本能够体现网络风险水平；而网络风险均衡度指标偏大，网络各链路风险值分布不合理，网络运行存在不稳定性，需进行风险控制。

根据分析，可知基础网络风险存在的主要原因为业务运行集中于某些链路，链路风险值分布不均，对此可考虑对网络相应的业务重新进行传输路径规划，如将风险值偏大的链路所承载的业务进行传输路径优化，提高网络链路风险值分布均匀程度，以达到降低网络风险的目的。

结合业务路径的链路风险值，对业务传输路径进行优化，在基础网络中，将由节点N3 到N4 的业务S4 的传输路径由L2-L1-L5 改为L2-L4-L7，如图2所示。

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优化业务传输路径后，对此网络进行风险计算，得到网络风险水平RN=0.001 326，风险均衡度VN=0.387 6。网络风险水平有所降低，由0.001 35 降为0.001 32，网络风险均衡度由0.630 1 降为0.387 6，降幅明显，网络各链路的风险分布情况变得更合理。相对于原网络，优化业务路径后的网络风险相对变得小。

因此业务传输路径优化的措施是可行有效的，可达到降低风险的目的。本方法能应用于业务路径规划，将链路风险值与风险均衡度增加为最优路径的选择依据，可降低网络的运行风险。

除了优化业务传输路径，还可考虑对网络拓扑结构进行优化，如增加或删除链路和节点，以适应业务传输的要求并降低网络运行风险。

基础网络中，到达节点N4 的业务较多，为降低链路L1 与L5 的风险值，应适当减少这些链路的业务承载量，可考虑在节点N1 和N4 之间增加链路，并相应优化网络结构，优化后的网络如图3 所示。

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计算优化后的网络风险指标值，得到网络风险值RN=0.001 202，风险均衡度VN=0.445 0。相对原基础网络，优化结构后网络的风险值与风险均衡度值均明显减小，网络风险降低，各链路风险值分布相对更合理，网络整体运行风险降低。

因此利用网络风险值与风险均衡度两项指标，可以有效地量化评价网络风险，并为网络风险控制提供参考依据。

5 结语

基于业务分析链路风险，结合从拓扑角度研究得到的链路权重，计算风险评价指标，并对电力通信网进行评价。链路作为业务传输的载体，两者风险相互联系、相互影响，以链路为纽带，将网络运行业务与网络拓扑结构两个方面相结合，对网络运行风险状况进行分析，从而得到更加全面客观的风险评价结果。仿真结果表明，利用所提评价方法得到的网络风险值与网络风险均衡度两项风险评价指标能全面评估网络运行风险情况，并可为风险控制提供参考。本风险评价方法具备有效性与准确性，对提高电力通信网可靠性具有实际意义。

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