重要机场电能保障系统静态抗毁性仿真优化研究_黄帅.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20220421作者简介:黄帅(1989)，男，博士，工程师，主要从事军事电力系统抗毁性研究。通讯作者:雷永辉(1986)，男，硕士，工程师，研究方向为国防工程建筑设计及其理论研究。Email:275226476 。引用格式:黄帅，雷永辉，查吕应，等军用机场电能保障系统静态抗毁性仿真优化研究 J防护工程，2023，45(1):4852HUANG Shuai，LEI Yonghui，ZHA Lvying，et al Simulation optimization of static invulnerability of important airfield power systemJProtective Engineering，2023，45(1):4852重要机场电能保障系统静态抗毁性仿真优化研究黄帅1雷永辉1查吕应1戢华1吴坤茂2常刚3(1.军事科学院国防工程研究院，湖北 武汉 430015;2.中国人民解放军 32166 部队，西藏 拉萨 850000;3.中国人民解放军 62201 部队，青海 西宁 810001;)摘要为深入研究重要机场电能保障系统抗毁性，在拓扑结构抗毁性仿真研究的基础上，对仿真模式进行了大量优化。增加了防护、地理信息、拓扑信息、攻击精度等机制，通过改进仿真流程，丰富攻击策略，大幅提高仿真的实用价值。结合重要机场电能保障系统案例，应用优化后的仿真模式，明确拓扑信息度、攻击强度对攻击方案的影响，分析攻击波次与线路损毁、系统效能的关系，对比各种攻击策略的损毁效果。关键词重要机场电能保障系统;静态抗毁性;仿真优化;信息度;蓄意攻击策略Simulation optimization of static invulnerability of important airfield power systemHUANG Shuai1，LEI Yonghui1，ZHA Lvying1，ZHE Hua1，WU Kunmao2，CHANG Gang3(1.Defense Engineering Institute，AMS，PLA，Wuhan 430015，China;2.Unit 32166 of PLA，Lhasa 850000，China;3 Unit 62201 of PLA，Xining 810001，China)AbstractIn order to conduct indepth study of the invulnerability of important airfield power system，a lot of op-timization work has been done on the simulation mode on the basis of topology structure invulnerability simulationresearch，which includes the addition of such mechanisms as protection，geographic information，topological infor-mation and attack precision，the improvement of the simulation process，the enrichment of attack strategies，andthe great increasement of the practical value of the simulation This paper，in combination with the case of importantairfield power system，used the optimized simulation mode to identify the influence of topology information and at-tack precision on the attack plan，analyzed the relationship between the attack waves and the line damage and thesystem effectiveness，and compared the damage effects of various attack strategiesKeywordsimportant airfield power system;static invulnerability;simulation optimization;information degree;deliberate attack strategy以往针对系统抗毁性的研究15 中，仿真的基本思路是:将系统看作数学拓扑，按照某种特定的方式或攻击策略，逐个剔除拓扑中的边或节点，直至网络不再连通或系统不再满足特定需求。对于拓扑结构抗毁性而言，这种仿真模式足以评估元件重要性、验证指标合理性或分析系统特性67。然而，若以抗毁性理论指导实践，这种仿真模式设定偏理想化、考虑因素单一89，难以直接应用。笔者对以往的仿真模式进行多维度的优化，将其应用于重要机场电能保障系统静态抗毁性分析。1仿真新增设定按照文献 10 5.2 所述，常规弹头、碳纤维弹、电磁脉冲、钻地弹、特工袭击、电力信息物理系统(cyber-physical systam，CPS)攻击等各种打击手段都可等效第 45 卷 第 1 期黄帅，等:重要机场电能保障系统静态抗毁性仿真优化研究为不同情形、不同条件下的普通攻击，因而仿真验证中所有的攻击都可等同为常规弹头攻击，即普通攻击，其设定参照文献 10 5.2.1。以往仿真中的攻击都设定为 100%命中目标且必然损毁目标，文中改为普通攻击后需要考虑攻击方对同一目标的多次攻击问题。在攻击方的总攻击次数不变的情况下，攻击方需要根据目标的重要程度对目标分配合适的攻击次数，即需要考虑攻击方的攻击聚集度。攻击聚集度越高，攻击方对重要性高的目标就会分配更多的攻击次数。假定攻击方的总攻击次数为 At_num，防御方的线路数为 De_num，则攻击方对各线路攻击次数 At 的分配遵循式(1)。At N(At_numDe_num，)(1)式中:At 0，+)且为整数，如出现 At 为负数的分配结果，则分配结果置 0 且差值由其他分配结果为正的攻击次数平均补偿。在对实际案例的仿真分析中，考虑到地理位置、负荷设施规模和单机容量大小等因素，规模较大的负荷节点又分为若干个子负荷点，负荷容量上则进行了平均分配。因此，在进行负荷系统效能评估时，该负荷的运行效率取决于其对应的子负荷点的平均供电情况。2改进仿真流程以往的复杂网络抗毁性仿真方法可参考文献 11 的描述，考虑实际攻击情形，改进的仿真验证流程为:(1)根据攻击方的攻击策略，制订重要机场各线路的重要性排序方案 Seq_1，称为初始攻击方案表。Seq_1 内各元素对应各线路编号，各负荷按照攻击策略决定的重要性大小由大到小排列。(2)考虑攻击方拓扑信息掌握度eTopology_enemy和防御方拓扑信息保密度 eTopology_we，Seq_1 按照文献 10 中的改进的拓扑信息度机制发生相应变化，得到考虑信息度的攻击方案表 Seq_2。(3)考虑攻击方的总攻击次数和攻击聚集度，得到最终的攻击方案表 Seq_3，该表的元素数不再为重要机场的线路数量，而是攻击方的攻击次数，Seq_3 中的元素为线路编号，每个元素代表着对相应线路的一次攻击。(4)攻击方发起攻击时，由 Seq_3 按照从前至后的顺序实施攻击。本文涉及的抗毁性为静态抗毁性的范畴，本不存在攻击波次的区分，但考虑到需要对电能保障系统被摧毁的过程和可承受的攻击次数进行分析，仍设定每个攻击波次打击线路数 attstep。(5)对每一次攻击，按照文献 10 5.1 对地理信息度和武器精度影响机制的描述，确定实际弹着点地理坐标(hit_x，hit_y)，对损毁半径 hit_range 内正在运行的线路进行削减一次防护层数的操作，若线路防护层数为 0 则将线路状态变更为“已损毁”。(6)每个攻击波次后根据重要机场负荷实际供电情况，计算负荷系统效能评估结果 T，T 0，1。重要机场的负荷系统效能关系和效能评估方式参照文献 10 3.13.2。将 T 与设定的负荷系统运行最低效能标准 Tp进行对比，若 T Tp，则认为重要机场电能保障系统仍然维持负荷系统最低限度的有效运行;若 T Tp，则认为重要机场电能保障系统不能满足负荷系统运行的最低标准。(7)反复执行(4)(6)的操作直至攻击方预定的总攻击次数为 0，得到初始和各波次攻击后的重要机场负荷系统效能情况和电能保障系统线路状态情况，记录负荷系统效能中 T Tp的攻击波次数，作为该重要机场电能保障系统对该攻击策略及相关参数设定下可承受的攻击波次数 Tol。(8)重复执行(1)(7)的操作，计算对应情形下可承受的攻击波次数的平均数Tol。3攻击策略优化攻击策略通常分为随机攻击和蓄意攻击，蓄意攻击策略可按拓扑结构重要度或动态、静态细分 12。这里选取3 种结构性指标的静态、动态攻击综合考虑，统一归类。考虑到重要机场关键负荷容易被列为袭击方优先攻击对象，新增针对关键负荷的攻击策略。笔者将这种策略与按线路在拓扑结构中的重要性进行攻击的策略统称为蓄意攻击策略。3 类攻击策略为:(1)随机攻击策略。随机攻击策略 an 是指攻击方制订初始攻击方案表 Seq_1 时就不对线路的重要性进行评估，而是在每次攻击时随机选择一个线路进行攻击。(2)拓扑结构重要度攻击策略。在以拓扑结构重要度为衡量指标的仿真1316 中，选取常用的度、介数和集聚系数指标。按照对网络的计量方式不同，每种指标又对应静态型攻击和动态型攻击。进行静态型攻击时，先计算初始网络中的指标值并由大到小排序，根据该排序直接制订对应的初始攻击方案表 Seq_1;进行动态型攻击时，先计算初始网络中的指标值，将指标值最大的线路编号加入 Seq_194防护工程2023 年排第 1 位，并从网络中去除该线路，重新计算剩余网络中的指标值，再将指标值最大的线路编号加入Seq_1 排第 2 位，直至最后一条线路加入Seq_1 的末尾。(3)针对关键负荷的攻击策略。针对关键负荷的攻击策略 zyd 是基于攻击方对重要机场各负荷的重要性判断。首先预估攻击方对各关键负荷的重要等级的评估，再由关键负荷重要等级结果计算与关键负荷直接相连的线路的重要等级，最后按线路的重要等级由高至低排序得到初始攻击方案表Seq_1。其中，未与任何关键负荷直接相连的线路在随机排序后排在 Seq_1 的后半段。4重要机场电能保障系统静态综合抗毁性案例分析4.1案例设定设定某重要机场的负荷总量为2 497 kW，其中的负荷只计关键负荷，不计普通的生活、办公、警卫负荷。电能保障系统共有线路 200 条，节点 201 个，其中，负荷节点 116 个，变压器、电源、连接性节点 85个。案例设 5 个电源点，总容量3 500 kW。节点8 为原机场主变压器节点，节点 74 为原助航变压器节点，这 2 个接入点预留了大容量柴油发电机组的位置，这里设定接入 1 000 kW 电源;其他电源接入点为 43、59、141，各接入 500 kW 电源。为便于抗毁性的研究，在现有的纯辐射状的重要机场电能保障系统的基础上，结合实际情况，增添 30%左右的线路和一定量的备用电源，使网络有一定程度冗余，作为重要机场的基准案例进行研究。新增线路的布局考虑了重要机场的实际情况，包括地形地貌的限制，以及尽量避开存放易燃易爆品等危险区域的布线原则。该案例的负荷分布和电能保障系统拓扑如图 1 所示，电源点以红色点显示，负荷点以绿色点显示。相关要素设定为:攻击方对线路的地理信息