基于博弈论-VIKOR算法的电力通信网关键节点辨识.pdf

2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission590 引 言电力系统的信息传输完全依赖于电力通信网。电力通信网是由众多通信设备和链路组成的复杂网络结构，其中的关键节点失效后就会影响其他节点正常运行，甚至导致整个网络系统的崩溃。因此，准确辨识出电力通信网的关键节点，并进行备份保护，可以降低网络运行风险1-2。目前对于电力通信网节点重要性的研究有很多。文献 3通过收缩节点至网络进入稳定状态，用凝聚度作为评价指标衡量节点的重要性。文献 4 重新定义了网络凝聚度并考虑了加权网络中各边的连接关系，兼顾节点自身重要性和节点连边特性，还以节点的拓扑属性作为评价指标，如节点度、介数、聚合系数等5-6，从物理层面的不同角度评价节点重要度。但这些研究均使用单一评价指标得到节点重要度具有局限性。综上所述，本文提出了基于博弈论-VIKOR 算法的电力通信网关键节点识别方法，从节点的拓扑信息、节点承载业务信息以及节点所在电网站点的影响 3 个方面构建多指标评价体系。分别使用主观赋权的层次分析法以及客观赋权的熵权法并结合博弈论思想求解主客观权重的最优组合，再通过VIKOR 算法对各节点进行综合评价，得到节点重要度排序。1 节点重要度评价指标体系构建电力通信网节点重要度评价体系如图 1 所示。1.1 节点拓扑重要度定义 1：度中心度（Degree Centrality），节点 i 的度中心度 DCi可表示为：DCiikN=1 （1）式中：ki为节点 i 与其他节点的连边数量；N 为网络中节点数量，度中心度越大，节点重要性越高。定义 2：紧密中心度（Closeness Centrality），节点 i 的紧密中心度 CCi可表示为：CCiijjNNd=11 （2）式中，dij为节点 i 到节点 j 的最短距离，紧密中心度越大，节点重要性越高。定义 3：介数中心度（Betweenness Centrality），节点 i的介数中心度 BCi可表示为：BC()()ijk ijkj i k VN Ngg=21 （3）式中：gjk为网络中任意两节点 j 和 k 之间的最短路径总数；gjk(i)为经过节点 i 的最短路径数，介数中心度越高，节点重要性越高。图 1 电力通信网节点重要度评估体系1.2 业务重要度电力通信网负责为电力系统提供业务和数据的传输通道，每个节点都承担着大量电力通信业务。通信业务重要度不同，其中断时也会对电网产生不同的影响，通信业务种类基于博弈论-VIKOR 算法的电力通信网关键节点辨识张，赵 雷（长安大学 能源与电气工程学院，陕西 西安 710064）摘 要：基于保证电网正常运行的需求，提出了一种基于博弈论-VIKOR 的电力通信网关键节点辨识方法。首先从电力通信网的拓扑信息、节点承载的业务信息和电网站点的影响 3 个属性来量化节点的重要性；然后用层次分析法和熵权法并结合博弈论思想得到各属性的综合权重；最后采用 VIKOR 法评价节点重要程度。仿真结果表明，该算法能更好地综合电力通信网多种特性，准确地识别出网络中的关键节点。关键词：智能电网；关键节点辨识；多属性决策；电力通信网；博弈论；VIKOR 法中图分类号：TN915；TM732 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0059-05收稿日期：2022-10-02 修回日期：2022-10-31基金项目：陕西省自然科学基础研究计划（2022JM-404）DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.015物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission60及重要度见表 1 所列7。表 1 电力业务种类及重要度业务种类业务编号重要度/排序继电保护类0.99/1安稳系统类0.94/2广域测量、调度自动化、调度电话、电能计量遥测类0.62/3视频会议、变电站视频检测、保护信息管理类0.29/4雷电定位监测、行政电话、办公自动化类0.13/5节点业务重要度表示为：SI()()in bikkks i=1 （4）式中：SI(i)是节点上承载的业务重要度之和；s(i)为节点 i承载的业务种类数；nik为节点 i 中第 k 类业务的数量；bk表示第 k 类业务重要度。1.3 电网影响重要度电网站点影响因素包含站点等级、站点规模、负荷等级和负荷大小。站点等级越高节点越重要，站点规模越大节点越重要，负荷等级越高节点越重要，负荷越大节点越重要。根据影响因素进行分析并得到影响力赋值，见表 2 所列。表 2 电网各影响因素内容及影响力值因素指标因素内容/影响力值站点等级500 kV 变电站/4中调/3200 kV/2地调/1站点规模枢纽站/2区域站/1负荷等级特级重要用户/4一级重要用户/3二级重要用户/2其他用户/1负荷大小40%及以上/516%及以上 40%以下/412%及以上 16%以下/36%及以上 12%以下/22%及以上 4%以下/12 电力通信网节点重要度评价方法设电力通信网共有 n 个节点，评价准则层用 a 表示，准则层中有 m 个评估指标，其中对象 i 的第 j 个指标值表示为xij（其中 i=1,2,.,n；j=1,2,.,m），则可以得到第 a 项的评价矩阵 Xa=xijnm，表示为：Xammnnnmxxxxxxxxx=111212122212?（5）对 评 估 指 标 做 归 一 化 处 理，构 成 规 范 决 策 矩 阵 Da=dijnm。dxxxxijijjjj=minmaxmin （6）式中：xjmin=minx1j,x2j,.,xnj；xjmax=maxx1j,x2j,.,xnj。2.1 层次分析法确定主观权重采用层次分析法将准则层指标中两两元素进行比较并采用 1 9 进行标度，构造判断矩阵，见表 3 所列。表 3 判断矩阵标度表标 度含 义1具有同样重要性3一个因素比另一个因素稍微重要5一个因素比另一个因素明显重要7一个因素比另一个因素强烈重要9一个因素比另一个因素极端重要2，4，6，8介于以上相邻判断的中值构造的判断矩阵需要进行一致性检验，相对一致性指标CR 为：CImax=qq1 （7）CRCI/RI=（8）式中：max是由判断矩阵得出的最大特征根；q 为判断矩阵的阶数；CI 为偏离一致性指标；RI 的值可通过查表 4 得到。当 CR0.1 时，判断矩阵通过一致性检验，得到准则层每项指标的主观权重 w1aj。表 4 平均随机一致性指标n12345RI000.520.891.12n678910RI1.261.361.411.61.492023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission612.2 熵权法确定客观权重熵权法是一种客观赋权法，指标 j 的熵值 ej的表达式为：ekppjijijin=ln1 （9）式中：k=1/1n n；pddi jijijijin=1,。最后得到熵权法权重w2aj为：weeajjjjm2111=()（10）2.3 博弈论确定组合权重博弈论组合赋权是在主客观权重之间寻找一个平衡点，构造综合权重向量 wa为：wwwaaa=+1122TT （11）式中，1、2为权重系数，1+2=1。根据博弈论思想优化权重系数 1和 2，使得综合权重wa和 w1a、w2a的偏差达到最小，对策模型为：min,TT112221 2wwwkaak+=（12）取上式的最优化一阶导数，转化为w ww ww ww ww ww waaaaaaaaaaaa11122122121122TTTTT=T T （13）由上式得到 1和 2，并进行归一化处理，得到综合权重 wa为：wwwaaa=+1122*T*T （14）式中：1112*=+，2212*=+。2.4 基于 VIKOR 法排序多准则妥协解排序（VIKOR）是一种折衷排序计算方 法8。具体算法实现步骤如下：（1）计算所有方案的正理想解 d+和负理想解 d-，分别为：ddddiiim+=max,max,max12 （15）ddddiiim=min,min,min12 （16）（2）计算方案的群体效用值 Si和个体遗憾值 Ri分别为：Sddddijjijjjjn=+=1 （17）Rbbbbijjijjj=+max （18）（3）计算各方案的综合评价值为：QSSSSRRRRiii=+*()1 （19）式中：SSii*min=，SSii=max；RRii*min=，RRii=max；v 表示最大群效应值的权重，1-v 表示个体遗憾值的权重，本文中 v=0.5。（4）从小到大对 Si、Qi、Ri的值进行排列，数值越小表示风险越小。3 算例分析本文选取某省电力通信网模型如图 2 所示，其中 1 号节点为省级调度中心，13 号节点为地区调度中心。网络中的业务分布参见文献 7。图 2 电力通信网拓扑结构按照上文标准对电力通信网节点进行分析得到电网站点影响力值，见表 5 所列。表 5 电网站点影响力值节点编号站点等级/影响力值站点类型/影响力值负荷等级/影响力值负荷大小/影响力值1中调/3枢纽站/2特级/440%及以上/52500 kV 变电站/4枢纽站/2二级/216%40%/43500 kV 变电站/4区域站/1二级/212%16%/34500 kV 变电站/4枢纽站/2二级/212%16%/35500 kV 变电站/4枢纽站/2其他/112%16%/36500 kV 变电站/4区域站/1其他/112%16%/37500 kV 变电站/4区域站/1一级/312%16%/38500 kV 变电站/4枢纽站/2二级/26%12%/29500 kV 变电站/4区域站/1其他/112%16%/310500 kV 变电站/4区域站/1二级/216%40%/411500 kV 变电站/4区域站/1一级/316%40%/412500 kV 变电站/4区域站/1其他/16%12%/213地调/2枢纽站/2一级/312%16%/314220 kV 变电站/1区域站/1其他/12%4%/1由上文可得各节点的拓扑指标重要度值，见表 6 所列。节点拓扑位置各指标重要性比较值见表 7 所列。电网站点各因素重要性比较值见表 8 所列。得出的层次分析法权重通过一致性检验，再计算出熵权法权重，由式（14）计算出综合权重，结果见表 9 所列。准则层各指标重要性比较值见表 10 所列。得出的层次分析法权重通过一致性检验，再计算出熵权法权重，由式（14）计算出综合权重，结果见表 11 所列。物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission62表 6 各节点拓扑指标重要度值节点编号度中心度紧密中心度介数中心度10.230 80.433 30.435 920.307 70.419 40.758 230.153 80.406 30.366 340.230 80.433 30.531 150.230 80.393 90.476 260.153 80.302 30.073 370.153 80.270 80.033 080.230 80.342 10.289 490.153 80.351 40.205 1100.153 80.382 40.260 1110.153 80.393 90.087 9120.076 90.302 30130.153 80.317 10.263 7140.076 90.245 30表 7 节点拓扑位置各指标重要性比较值指 标DCCCBCDC11/21/3CC211/2BC321表 8 电网站点各因素重要性比较值指 标站点等级站点规模负荷等级负荷大小站点等级121/31/2站点规模1/211/31/2负荷等级3312负荷大小221/21表 9 电网站点各指标权重指 标层次分析法权重熵权法权重综合权重DC0.163 40.301 10.126 4CC0.297 00.228 20.315 4BC0.539 60.470 60.558 2站点等级0.168 90.062 40.102 1站点规模0.119 00.523 20.372 8负荷等级0.451 20.328 80.374 3负荷大小0.260 90.085 60.150 8表 10 准则层各指标重要性比较值指 标拓扑重要度业务重要度电网影响重要度拓扑重要度15/62/3业务重要度6/515/6电网影响重要度3/25/61表 11 准则层各指标权重指 标层次分析法权重熵权法权重综合权重拓扑重要度0.282 50.275 40.253 4业务重要度0.343 30.606 10.610 0电网影响重要度0.374 30.118 50.136 6电力通信网各节点指标重要度值计算结果见表 12 所列。表 12 节点各指标重要度值节点编号拓扑重要度业务重要度电网影响重要度10.720 60.944 0120.976 60.502 70.737 830.581 80.050 40.312 940.790 70.031 60.698 850.684 20.225 00.569 760.191 70.023 00.183 770.109 30.132 50.442 080.459 70.635 70.659 890.371 10.762 20.183 7100.463 510.351 9110.356 20.123 90.481 1120.095 700.144 7130.356 70.109 70.757 61400.033 10根据节点各指标重要度及各指标权重值，通过 VIKOR方法计算出各节点综合评价值。与文献 9 和文献 10 对比，节点重要度计算结果见表 13 所列。由表 13 的节点重要度排序可知，节点 1 在 3 种算法中均显示出重要性程度最高，符合其为省级调度中心、影响力大的实际情形；节点 14 在 3 种算法中节点重要度是最低的，符合其为 220 kV 变电站的实际情况。在文献 9-10 中节点 2 的重要度稍大于节点 9，本文中由于节点 9 承担的电力业务量大于节点 2，得到节点 9 的重要度要大于节点 2。在文 献 9-10 中节点 4 的重要度大于节点 11，但由于节点 11 承担的电力业务量大于节点 4，由本文算法得到节点 11 的重要度要大于节点 4。本文提出方法是从电力通信网的拓扑信息、业务通信以及电网站点的影响 3 个方面进行综合考虑的，合理分配属性的权重，准确识别出关键节点。2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission63表 13 节点重要度计算结果节 点文献 9/排序文献 10/排序本文算法/排序10.555 5/10.864 7/10/120.555 0/20.658 6/30.354 5/530.463 8/80.153 8/110.852 7/1140.529 5/30.240 9/70.796 2/850.459 4/90.331 2/60.656 1/660.383 2/120.090 8/120.943 4/1270.356 6/130.187 4/90.828 2/1080.477 0/60.582 0/50.315 6/490.471 5/70.584 2/40.308 8/3100.501 1/50.761 8/20.166 9/2110.506 0/40.225 5/80.798 4/9120.402 0/110.041 2/130.980 9/13130.409 9/100.172 2/100.778 4/7140.325 8/140.020 9/140.981 4/144 结 语本文从电力通信网的业务特性和行业特性考虑，引入博弈论思想，结合主客观权重得到更可靠的综合权重，再采用VIKOR 算法得到节点的综合重要度，能更准确地识别出关键节点，提高了节点重要性评价的准确性。参考文献1 龚钢军，张哲宁，张心语，等.分布式信息能源系统的耦合模型、网络架构与节点重要度评估 J.中国电机工程学报，2020，40（17）：5412-5426.2 李昌超，康忠健，于洪国，等.考虑电力业务重要性的电力通信网关键节点识别 J.电工技术学报，2019，34（11）：2384-2394.3 王涛，孙聪，顾雪平，等.电力通信耦合网络建模及其脆弱性分析 J.中国电机工程学报，2018，38（12）：3556-3567.4 王汪兵，王先培，尤泽樟，等.电力通信网关键节点辨识方法研究 J.电力系统保护与控制，2018，46（1）：44-49.5 谭跃进，吴俊，邓宏钟.复杂网络中节点重要度评估的节点收缩方法 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