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申请/专利权人：上海大学

摘要：本发明提供一种抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，可避免由网络攻击引起的大范围连锁故障，实现的主要步骤包括：（1）增长一个新的节点，通过两条边和通信网络两个节点相连；（2）通过随机攻击和蓄意攻击此通信网络节点，去掉对应电力网络的故障节点，计算潮流分布并剔除越限线路，再将电力网络故障信息返回通信网络寻找故障节点，重复此过程至连锁故障停止；（3）计算电力网络最大连通子图数和通信网络特征路径变换量对应的适应度函数值并记录，找出最好的连边方式。重复（1）、（2）过程至节点增长结束。该方法的主要功能在于规划中将通信网络中的边进行分配优化，防止黑客攻击电力通信网络引起的大停电事故。

主权项：1.一种抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其特征在于：依据通信网络和电力网络之间的动耦合关系，建立网络攻击下智能配电网络中的通信网络规划模型，并通过无标度网络构造方法来解决此模型；在模型中通信网络每条边的确定，依据通信网络受到攻击，通信-电力网络发生连锁故障后，通信网络特征路径长度和物理网络最大连通子图数进行判别，并在物理网络中，通过潮流计算来判断电力网络的隐形故障。

全文数据：抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法技术领域本发明涉及一种智能配电网通信网络规划方法，尤其是一种抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法。背景技术随着世界各国电力公司对智能电网的大力投入和研究，智能电网得到了蓬勃发展，作为智能电网重要组成部分与电力网络一次网架相协调配合的通信信息系统在此背景下得到了极大的提升，其网络安全问题在智能电网极速发展的前提下依然十分严峻。电力通信网络不可避免接入外部网络中，其与电力物理网络耦合密切，由单一通信网络引发的故障会演化为“通信-物理”级联故障，加大了故障的破坏性和传播性。因此，某些黑客为了破坏当地电力网络，往往针对其通信网络的脆弱性进行网络攻击来使得电力网络瘫痪。现有的配电网通信网络的规划研究，主要集中在通信站点选扯、链路部署等问题上。如以光缆投资成本和运营成本总成本最小为目标函数，以光缆的数量以及每根光缆的带宽容量为约束，用混合整数规划的方法进行求解，给出最优的光缆结构方案。或对广域测量系统中传感器进行选址规划，以部署传感器的总花费最小为优化目标函数，传感器覆盖范围作为约束条件，求解出了经济性最优的传感器部署方案。方案中均未考虑网络抵抗网络攻击的能力，使得通信网络的网络安全具有极大的安全隐患。已有的对物理-通信网络协同规划研究中大致可分为两类，一类属于基于供电可靠性要求的配网通信网方式规划。不同通信方式传输信息的可靠信、传输速率不同，而配电网的供电可靠性又与通信系统可靠性紧密相连，在供电可靠性要求高的地区，为了保证信息迅速准确的传输，应该选择光纤作为主要通信方式，同时设置冗余的通信通道，在可靠性要求不高的地区加大无线通信的比率。另一类基于一次网架的配网通信网络组网规划，通信系统的建设应该以配电网一次网架结构和配电网地理信息为依据，最大限度的节省投资并提高通信系统的运行效率。例如，在人口密集的城市，配电网要求可靠性高，应尽可能选择光纤通信保证通信的可靠性，同时光缆铺设应与地下电缆的铺设相协调。两类协同规划研究中都未考虑通信网络与物理网络的故障传播范围，在规划后的网络中一个小的故障很容易演化为一个大范围的故障。综上所述，当前尚无一种配电网规划方法在智能配电网通信网络规划中，很好的防御随机攻击和蓄意网络攻击造成的大范围的停电事故，从而导致实际电网面临潜在的安全风险。发明内容针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其主要目的是为了在电力通信网络中防止来自互联网黑客对电力通信网络的恶意攻击引起大范围连锁故障，提高电力网络安全性。本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，依据通信网络和电力网络之间的动耦合关系，建立网络攻击下智能配电网络中的通信网络规划模型，并通过无标度网络构造方法来解决此模型；在模型中通信网络每条边的确定，依据通信网络受到攻击，通信-电力网络发生连锁故障后，通信网络特征路径长度和物理网络最大连通子图数进行判别，并在物理网络中，通过潮流计算来判断电力网络的隐形故障。本方法包括以下步骤：步骤一，给定由IEEE-14节点生成的初始物理网络和3节点的初始通信网络；步骤二，根据BA无标度网络模型的生成方法，每次增加两个节点到通信网络中；步骤三，增加的节点依次选择两条边进行连接，共有种连接方式，然后通过随机攻击和蓄意攻击两种方式，攻击通信网络中的节点；步骤四，通信网络将故障节点传递到对应的电力网络，根据Buldyrev提出的双网交互模型判断电力网络中的故障节点；步骤五，在电力网络对应的导纳矩阵中去除故障节点信息，然后通过潮流计算来计算线路的潮流分布；步骤六，判断电力网络中线路是否有越限，如有越限在电力网络中去掉故障线路，然后改变物理网络结构；步骤七，将电力网络故障节点信息传递给通信网络，去掉通信网络中对应的故障节点，判断是否有孤立节点如果有执行步骤四，否则执行步骤八；步骤八，计算此时网络的适应度函数并记录，判断该两条边的连接方式是否为如果是执行步骤九，否则执行步骤三；步骤九，选择目标函数最小的两条边，连接新增加的节点上；步骤十，判断增加的节点数是否为11，如果是执行步骤十一，否则执行步骤二；步骤十一，输出最终规划后的通信网络和物理网络映射图。优选地，所述步骤八中的适应度函数为物理网络的连通子图数和通信网络特征路径大小变化量，并对其进行归一化处理，其计算式如式1：其中a，b分别为物理网络连通子图数和通信网络特征路径长度的权重系数；Llast、Li,j、Nphysical、Gi,j分别为规划前的特征路径大小，规划后的特征路径大小，物理网络总节点数，以及发生连锁故障后正常工作的节点数。优选地，所述规划模型中物理网络约束主要有为了避免电压越限，线路功率越限的电压约束和线路功率约束；以及器件本身的约束，主要有发电机出力的约束；通信网络约束主要有连通性约束、成环率约束以及为了维持通信网络特性的无标度网络约束。优选地，所述连锁故障采用Buldyrev提出的双网交互模型，攻击通信网络节点的方式为随机攻击和蓄意攻击，蓄意攻击方式为按度数进行攻击网络中节点。与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：本发明可以在通信网络受到蓄意或随机攻击后，能够最低限度的缩小连锁故障的范围以及物理网络中的停电范围，同时提高了通信网络的信息传递效率。附图说明图1是可抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划模型示意图。图2是可抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法的流程图。图3是按度数攻击下通信网络增加4号节点第一种选边方式图。图4是按度数攻击下通信网络增加4号节点第二种选边方式图。图5是按度数攻击下第一种选边方式攻击C3节点的图。图6是按度数攻击下第二种选边方式攻击C3节点的图。图7是按度数攻击下通信网络规划后双网映射图。图8是按度数攻击下规划后的通信网络节点度概率分布图。图9按按度数攻击下规划后的通信网络节点度的大小。图10是随机攻击下通信网络增加9号节点未考虑电力网络潮流越限图。图11是随机攻击下通信网络增加9号节点考虑电力网络潮流越限图。图12是随机攻击下通信网络规划后双网映射图。图13是随机攻击下规划后的通信网络节点度概率分布图。图14按随机攻击下规划后的通信网络节点度的大小。图15是随机攻击下规划后的通信网络节点拟合曲线图。具体实施方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。如图1所示：本发明可抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法的模型如下：所述的可抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法的模型分为两个部分：第一部分为规划电力网络，在通信网络受到网络攻击发生连锁故障后，使得电力网络中的故障节点数最少，第二部分为规划通信网络，使得通信网络特征路径长度最小。并对通信网络目标值特征路径长度和电力网络损失的节点数进行归一化处理，如式2、式3所示：将故障节点数除以对应的电力网络总节点数，特征路径长度与初始通信网络的差值然后除以通信网路的特征路径长度进行比较，并给予他们权重系数来满足不同需求。所述规划电力网络时约束主要包括两个方面，一是安全性方面，主要有为了避免电压越限，线路功率越限，分别加入了电压约束0.95UN＜U＜1.05UN和线路功率约束L＜Lmax；二器件本身约束，如发电机出力约束Pmin＜P＜Pmax。规划通信网络时约束主要包括网络的连通性约束、成环率约束P≥0.7以及为了维持通信网络特性的无标度网络约束。如图2所示：本发明可抵御随机网络攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法包括以下步骤：步骤一，给定由IEEE-14节点生成的初始物理网络和3节点的初始通信网络；步骤二，根据BA无标度网络模型的生成方法，每次增加两个节点到通信网络中；步骤三，增加的节点依次选择两条边进行连接，共有种连接方式，然后通过随机攻击和蓄意攻击两种方式，攻击通信网络中的节点；步骤四，通信网络将故障节点传递到对应的电力网络，根据Buldyrev提出的双网交互模型判断电力网络中的故障节点；步骤五，在电力网络对应的导纳矩阵中去除故障节点信息，然后通过潮流计算来计算线路的潮流分布；步骤六，判断电力网络中线路是否有越限，如有越限在电力网络中去掉故障线路，然后改变物理网络结构；步骤七，将电力网络故障节点信息传递给通信网络，去掉通信网络中对应的故障节点，判断是否有孤立节点如果有执行步骤四，否则执行步骤八；步骤八，计算此时网络的适应度函数并记录，判断该两条边的连接方式是否为如果是执行步骤九，否则执行步骤三；步骤九，选择目标函数最小的两条边，连接新增加的节点上；步骤十，判断增加的节点数是否为11，如果是执行步骤十一，否则执行步骤二；步骤十一，输出最终规划后的通信网络和物理网络映射图。如图3-7所示：蓄意攻击按度数攻击下的配电网通信网络规划。图3，图4中所示为通信网络规划过程中增加四号节点两种边的选择方式。分析图3可知，在通信网络中，如C4号节点选择C1，C3节点进行连接第一种边的连接方式，则依据度最大的原则进行攻击C3号节点，其连锁故障后的图如图5所示。如选择图4中C1，C2连接第二种边的连接方式故障后的双网图如图6所示，然后通过对潮流进行判断分析，对适应度函数进行求解可知选择图3的连接。通过此方式最终得到的通信网路规划图如图7所示。分析图8通信网络节点度概率分布和图9通信网络络点度大小分布知：节点度的分布较为平均，因为是按度最大的攻击方式攻击网络节点，节点度数平均分布就有利于抵抗此种攻击方式，同时也从侧面证明了我们规划效果是可行的、是合理的。图10-15所示：随机攻击下的配电网通信网络规划。图10、图11为随机攻击下，通信网络增加10号节点时，未考虑电力潮流拓扑图和考虑电力潮流拓扑图，通过此说明电力网络中越限边的去除，从而降低了目标函数值，来进行通信网络边的筛选从而得到图12最后规划后饿通信网络拓扑。图13、图14为规划后通信网络节点度概率分布图和节点度大小分布图，看出整个网络呈现出具有少数高度数节点以及大量低度数节点，典型的无标度网络特性，因为针对随机攻击，无标度网络特性对随机攻击具有较强“鲁棒性”，图15为规划后通信网络节点度不同坐标下拟合曲线图，由其可知规划后的网络具有幂律特性，且在双对数坐标下拟合曲线近似为直线，证明其符合无标度网络特性，也证明了我们规划网络的合理性、可靠性。

权利要求：1.一种抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其特征在于：依据通信网络和电力网络之间的动耦合关系，建立网络攻击下智能配电网络中的通信网络规划模型，并通过无标度网络构造方法来解决此模型；在模型中通信网络每条边的确定，依据通信网络受到攻击，通信-电力网络发生连锁故障后，通信网络特征路径长度和物理网络最大连通子图数进行判别，并在物理网络中，通过潮流计算来判断电力网络的隐形故障。2.根据权利要求1所述的抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一，给定由IEEE-14节点生成的初始物理网络和3节点的初始通信网络；步骤二，根据BA无标度网络模型的生成方法，每次增加两个节点到通信网络中；步骤三，增加的节点依次选择两条边进行连接，共有种连接方式，然后通过随机攻击和蓄意攻击两种方式，攻击通信网络中的节点；步骤四，通信网络将故障节点传递到对应的电力网络，根据Buldyrev提出的双网交互模型判断电力网络中的故障节点；步骤五，在电力网络对应的导纳矩阵中去除故障节点信息，然后通过潮流计算来计算线路的潮流分布；步骤六，判断电力网络中线路是否有越限，如有越限在电力网络中去掉故障线路，然后改变物理网络结构；步骤七，将电力网络故障节点信息传递给通信网络，去掉通信网络中对应的故障节点，判断是否有孤立节点如果有执行步骤四，否则执行步骤八；步骤八，计算此时网络的适应度函数并记录，判断该两条边的连接方式是否为如果是执行步骤九，否则执行步骤三；步骤九，选择目标函数最小的两条边，连接新增加的节点上；步骤十，判断增加的节点数是否为11，如果是执行步骤十一，否则执行步骤二；步骤十一，输出最终规划后的通信网络和物理网络映射图。3.根据权利要求2所述的抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其特征在于，所述步骤八中的适应度函数为物理网络的连通子图数和通信网络特征路径大小变化量，并对其进行归一化处理，其计算式如式1：其中a，b分别为物理网络连通子图数和通信网络特征路径长度的权重系数；Llast、Li,j、Nphysical、Gi,j分别为规划前的特征路径大小，规划后的特征路径大小，物理网络总节点数，以及发生连锁故障后正常工作的节点数。4.根据权利要求1所述的抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其特征在于，所述规划模型中物理网络约束主要有为了避免电压越限，线路功率越限的电压约束和线路功率约束；以及器件本身的约束，主要有发电机出力的约束；通信网络约束主要有连通性约束、成环率约束以及为了维持通信网络特性的无标度网络约束。5.根据权利要求1所述的抵御随机攻击和蓄意网络攻击的智能配电网通信网络规划方法，其特征在于，所述连锁故障采用Buldyrev提出的双网交互模型，攻击通信网络节点的方式为随机攻击和蓄意攻击，蓄意攻击方式为按度数进行攻击网络中节点。

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