ارزیابی شبکه به‌هم‌پیوسته سیستم قدرت و شبکه مخابراتی با استفاده از نظریه تراوش

غفارپور, رضا; جلالی, غلامرضا

ارزیابی شبکه به‌هم‌پیوسته سیستم قدرت و شبکه مخابراتی با استفاده از نظریه تراوش

نوع مقاله : قدرت- انتقال و توزیع

نویسندگان

¹ استادیار دانشگاه جامع امام حسین (ع)

² استادیار دانشگاه عالی دفاع ملی

چکیده

پیشرفت‌های اخیر در حوزه فناوری اطلاعات و ارتباطات، بهره‌برداران سیستم قدرت را بر آن داشت تا برای تداوم کارکرد عادی این زیرساخت حیاتی از شبکه مخابراتی مدد بجوید. اتصال شبکه مخابراتی به سیستم قدرت گرچه موجب تسهیل در بهره‌برداری از آن شد، ولی بااین‌حال، مسائلی را سبب شد که پیش‌تر متصور نبود. یکی از این مسائل سرایت یک آسیب از زیرساختی به زیرساخت دیگر است. گاه این آسیب تا آنجا پیش می‌رود که دیگر اتصالی میان زیرساخت‌ها باقی نمی‌ماند. در این مقاله، از نظریه تراوش برای یافتن آستانه انفصال زیرساخت‌های به‌هم‌پیوسته از یکدیگر استفاده شده است. دو زیرساخت حیاتی به‌صورت شبکه‌ای به‌هم‌پیوسته مدل شده و سپس به سه گراف مجزا تفکیک شده است. با استفاده از ماتریس‌های مجاورت این سه گراف و بدون شبیه‌سازی واقعی هیچ فرآیند تراوشی، دیاگرام تغییر فاز شبکه به‌هم‌پیوسته رسم می‌گردد. همچنین حیاتی‌ترین اتصالات میان دو زیرساخت و آسیب‌پذیر‌ترین نقاط هر زیرساخت از نتایج حاصل از تحلیل مدل حاضر شناسایی می‌گردد. این نتایج می‌تواند در تدوین دستورالعمل اتصال شبکه مخابراتی به سیستم قدرت به‌کار رود.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26762935.1399.11.3.9.2

موضوعات

قدرت- شبکه های قدرت

عنوان مقاله [English]

Assessment of Interconnected Power System and Communication Network Using the Percolation Theory

نویسندگان [English]

R. Ghaffarpour ¹
Gh. R. Jalali ²

¹ Imam Hossein University

² ADMU

چکیده [English]

Recent advances in the field of information and communication technology (ICT) have led power system's operators to seek assistance from communication network for the continuity of normal operation of this critical infrastructure. However, connecting the communication network to the power system facilitated its operation, but nevertheless caused issues that were not previously apparent. One of these issues is the infection of damage from one infrastructure to another. Sometimes this damage goes so far as not to leave any connection between the infrastructures. In this paper, percolation theory has been used to find the threshold of disconnection of interconnected infrastructures. Two critical infrastructures are modeled as an interconnected network and then it is decomposed into three distinct graphs. By using the adjacency matrices of these three graphs, without actually simulating of any percolation process, the phase change diagram of interconnected network is drawn. Also, the most vital connections between the two infrastructures and the most vulnerable nodes of each infrastructure are identified from the consequences of the present model analysis. These results can be used in code regulation for connection of communication network to the power system.

کلیدواژه‌ها [English]

Communication network
interconnected critical infrastructures
percolation theory
power system

مراجع

[1] Ouyang, M. “Review on Modeling and Simulation of Interdependent Critical Infrastructure Systems”; Relib. Eng. Syst. Safe. 2014, 121, 43-60.##

[2] Rinaldi, S. M.; Peerenboom, J. P.; Kelly, T. K. “Identifying, Understanding, and Analyzing Critical Infrastructure Interdependencies”; IEEE Contr. Syst. Mag. 2001, 21, 11-25.##

[3] de Carvalho, R. S.; Mohagheghi, S. “Analyzing Impact of Communication Network Topologies on Reconfiguration of Networked Microgrids, Impact of Communication System on Smart Grid Reliability, Security and Operation”; North American Power Symposium , Denver, CO, 2016, 1-6.##

[4] Zhu, Y.; Yan, J.; Sun, Y. L.; He, H. “Revealing Cascading Failure Vulnerability in Power Grids Using Risk-Graph”; IEEE Trans. Parall. Distr. 2014, 25, 3274-3284.##

[5] Milanovic, J. V.; Zhu, W. “Modelling of Interconnected Critical Infrastructure Systems Using Complex Network Theory”; IEEE Trans. Smart Grid 2017, 9, 4637-4648.##

[6] Fan, Y.; Li, J.; Zhang, D. “A Method for Identifying Critical Elements of a Cyber-Physical System Under Data Attack”; IEEE Access 2018, 6, 16972-16984.##

[7] Chen, T. M.; Sanchez-Aarnoutse, J. C.; Buford, J. “Petri Net Modeling of Cyber-Physical Attacks on Smart Grid”; IEEE Trans. Smart Grid 2011, 2, 741-749.##

[8] Ismail, Z.; Leneutre, J.; Bateman, D.; Chen, L. “Managing Security Risks Interdependencies between ICT and Electric Infrastructures: A Game Theoretical Analysis”; Game Theory for Security and Risk Management, Springer, 2018, 223-250.##

[9] Yan, Y.; Qian, Y.; Sharif, H.; Tipper, D. “A Survey on Smart Grid Communication Infrastructures: Motivations, Requirements and Challenges”; IEEE Commun. Surv. Tut. 2012, 15, 5-20.##

[10] Shi, L.; Dai, Q.; Ni, Y. “Cyber–Physical Interactions in Power Systems: A Review of Models, Methods, and Applications”; Electr. Power Syst. Res. 2018, 163, 396-412.##

[11] Sayydipour, S.; Ghaffarpour, R.; Ranjbar, A. M. “A Review on Vulnerability Analysis of Electric Grid: Approaches, Models, and Solution Methods”; Adv. Defence Sci. Technol. 2018, 9, 11-28. [In Persian]##

[12] Newman, M. “Networks: an Introduction”; Oxford University Press, 2010.##

[13] Radicchi, F. “Percolation in Real Interdependent Networks”; Nat. Phys. 2015, 11, 597-602.##

[14] Xiao, H.; Yeh, E. M. “Cascading Link Failure in The Power Grid: A Percolation-Based Analysis”; 2011 IEEE Int. Conf. Communications Workshops, Kyoto, 2011, 1-6.##

[15] Yuqi, H.; Chuangxin, G.; Shiying, M.; Dunwen, S. “Modeling Cascading Failures and Mitigation Strategies in PMU based cyberCyber-Physical Power Systems”; J. Mod. Power Syst. Cle. 2018, 6, 944-957.##

[16] Huang, Z.; Wang, C.; Ruj, S.; Stojmenovic, M.; Nayak, A. “Modeling Cascading Failures in Smart Power Grid Using Interdependent Complex Networks and Percolation Theory”; IEEE 8th Conf. Industrial Electronics and Applications, Melbourne, VIC, 2013, 1023-1028.##

[17] Huang, Z.; Wang, C.; Stojmenovic, M.; Nayak, A. “Characterization of Cascading Failures in Interdependent Cyber-Physical Systems”; IEEE Trans. Comput. 2015, 64, 2158-2168.##

[18] Cho, J. H.; Moore, T. J. “Percolation-based Network Adaptability under Correlated Failures”; IEEE Conf. Computer Communications, Honolulu, HI, 2018, 2186-2194.##

[19] Moore, T. J.; Cho, J. H. “Applying Percolation Theory”; Cyber Resilience of Systems and Networks, Springer, 2019, 107-133.##