物聯網在智能電網中的技術應用及安全防護

張麗敏，申文棟，孟 軍

（1.華北電力大學，北京 102206；2.晉城供電公司，山西 晉城 048000；3.山西省電力公司，山西 太原 030001）

物聯網在智能電網中的技術應用及安全防護

張麗敏1，2，申文棟1，2，孟 軍3

（1.華北電力大學，北京 102206；2.晉城供電公司，山西 晉城 048000；3.山西省電力公司，山西 太原 030001）

闡述了物聯網的背景及其概念，從發電、輸電、配電、變電、電力調度、用戶等方面對物聯網技術在智能電網中的應用，結合新技術所帶來的安全風險進行了分析，并得出物聯網在智能電網中如何做好安全防護。

物聯網；智能電網；安全風險；安全防護

0 引言

國家電網公司于2009年5月首次公布了智能電網計劃，全面建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，以信息化、自動化、互動化為特征的自主創新、國際領先的堅強智能電網。在信息化、自動化、互動化的智能電網中，以物聯網、云計算等為代表的前沿技術具有廣泛的應用前景。各項前沿技術的應用也將為電力網絡和信息系統帶來新的安全風險，如物聯網傳感節點的低可賴性、數據無線傳輸的監聽竊取等都是需要解決的安全問題。如果安全防護措施不當，電力生產數據的保密性、傳輸信息的完整性和可用性、電力用戶的隱私等可能受到破壞，還可能威脅到電力調度數據網絡和企業信息網絡的安全，甚至影響電力生產安全。

1 物聯網的背景

2008年底，IBM向美國政府提出了“智慧地球”戰略，建議美國選舉后的新政府投資新一代的智慧型基礎設施。“智慧地球”的基本設想是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、公路、橋梁、大壩、隧道、供水系統、油氣管道、建筑等各種物體中，并且被普遍連接，從而形成物聯網。此概念提出后在美國各界受到高度關注。歐盟于2009年6月啟動物聯網行動計劃。日本在2009年8月在U-Japan基礎上啟動I-Japan戰略。韓國提出USN、U-Korea戰略。

自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”以來，物聯網被正式列為國家戰略新興產業之一，寫入政府工作報告，物聯網在中國受到了社會極大地關注。在國家電網公司發布的《智能電網技術》一書中展望了智能電網未來的應用，其中提到“智能城市的發展和物聯網技術的應用將給智能電網的建設帶來不可忽視的影響”，認為物聯網技術可以應用在電力設備狀態檢測、電力安全生產管理、智能用電、電力資產全壽命周期管理等方面。現代電網發展的一個新的階段將會是后信息化時代的電網，也將是物聯網技術作用下的互動智能電網。

2 物聯網的概念

1999年“物聯網”這個概念被提出。目前對物聯網仍沒有一個特別明確的定義，較為公認的認識是物聯網技術是指通過射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）、紅外感應器、激光掃描器、全球定位系統等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。從其概念上可以看出，物聯網有三個基本特征，即一是全面感知，利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時隨地采集物體的動態信息；二是可靠傳遞，通過網絡將感知的各種信息進行實時傳送；三是智能處理，利用計算機技術及時對海量的數據進行信息控制，真正達到人與物的溝通、物與物的溝通。

3 物聯網技術在智能電網中的應用

目前，我國的智能電網注重的是電力系統發電、輸電、變電、配電、用電和調度這六個環節，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、數字化、自動化、互動化的特征。與之匹配的通信技術、設備技術、量測技術、控制技術也成為了智能電網的發展核心，物聯網的加入可以全方位提高智能電網各個環節的信息感知度、敏銳度，為實現電力系統的智能化提供基礎數據支撐。物聯網技術可以有效整合通信及電力基礎設施資源，使信息通信基礎設施資源服務于電力系統運行，從而提高電力系統信息化水平，改善現有電力系統基礎設施的利用效率[1]。

智能電網的本質是能源替代和兼容利用，它需要在開放的系統和共享信息模式的基礎上，整合系統中的數據，優化電網的運行和管理。開放式整體網絡系統將徹底改變今天的電網結構，實現從發電、輸電、變電、配電、用電及調度，乃至用戶側的全過程控制。物聯網技術處處能夠體現在未來的智能電網中。

在發電方面，物聯網技術可以對發電機、電動機等進行狀態監測，對風力、太陽能發電等進行發電預測。智能電網可以更迅速、更方便地讓可再生能源發電等新型電力入網，比如分布式發電的入網。

在輸電方面，通過物聯網技術的應用，對輸電線全長進行監測。輸電線路狀態監測主要包括對導線溫度、絕緣端子污穢、桿塔傾斜、覆冰、線路舞動、微氣象等進行監測，獲取設備狀態信息，對設備狀態進行評估和診斷。智能電網具有“自愈”功能，就是把電網中有問題的元件從系統中隔離出來，并在很少或不用人為干預的情況下使系統迅速恢復到正常運行狀態，幾乎不需要中斷對用戶的供電服務。智能電網在黑啟動中，能夠自動配置啟動方案，進行網絡重構，供調度人員參考，從而提高設備可靠性和運行效率[2]。

在變電方面，通過物聯網技術對電氣設備狀態進行監測，對變電站的周界安全進行防護。基于站內網絡實現信息融合交互，通過電力專用數據網絡將信息傳送至設備監測中心，實現輸變電設備運行狀態檢修管理，提升輸變電專業生產運行管理精益化水平。

在配電方面，物聯網技術用在配電網現場作業管理、配電網設備的安全防護方面，提高電能利用效率，實現節能減排，降低生產成本。

在用電方面，通過物聯網技術的應用，智能電網可以對用電信息采集進行管理，從而對需求進行更準確地預測。智能電網可以在智能電表的協助下，對供電量進行調配，制定動態計費方案，以反映不同時刻的發電、輸電成本，鼓勵消費者在可再生能源發出大量電力時增加用電，這有助于舒緩用電峰谷，使電網保持供需平衡。

在電力調度方面，通過物聯網技術的應用，進行監控與數據采集。通過遍布電網的傳感器及時感知電網內部的運行情況，反饋給調度系統全局電能的損耗情況，并能夠輔助調度人員控制系統的運行方式，在保證安全運行的前提下優化網絡的運行，節省能源消耗，推動低碳經濟。

在用戶側用電的過程中，物聯網技術的應用可以實現智能家居。目前常用的有情境控制、門禁系統、防盜監控系統、防災系統等，新一代的研究將著重于通信、信息及生活增值平臺的整合與應用，從而根據各自運行特性達到優化運行。

總之，應用物聯網技術，智能電網將會形成一個以電網為依托，覆蓋城鄉各用戶及用電設備的龐大的物聯網，成為“感知中國”的最重要基礎設施之一。智能電網與物聯網的相互滲透、深度融合和廣泛應用，能有效整合通信基礎設施資源和電力系統基礎資源，進一步實現節能減排，提升電網信息化、自動化、互動化水平，提升電網服務質量。

4 物聯網所面臨的安全風險

物聯網技術的應用給人們帶來很多便利之處，但伴隨著的還有網絡信息安全的防護問題。如果網絡信息安全得不到保障，那么許多個人隱私都隨時被他人惡意竊取而泄露，尤其是在信息化迅猛發展的今天，網絡竊密與反竊密技術在迅速發展。考慮到物聯網的特殊性及其迅猛發展的趨勢，物聯網所面臨的安全風險包括對無線物聯網絡的攻擊和對物聯網軟件、系統、協議棧的攻擊[3]。

4.1 傳感器本體安全問題

物聯網在感知層采集數據時，其信息傳輸方式基本是無線網絡傳輸，因此，與傳統無線網絡一樣，使用無線通信方式的物聯網消息通信如果缺乏有效保護措施很容易受到非法監聽、篡改、偽造、阻斷攻擊等。

4.2 核心網絡安全問題

物聯網在采集信息的過程中形成大量的信息節點，進行信息監控、感知和搜集，但由于這些節點容易導致大量的數據同時接收和發送，使網絡擁塞，產生拒絕服務攻擊。由于物聯網中節點布置的自組性、隨機性、能量的限制和通信的不可靠性，導致物聯網不具備基礎的網絡架構、拓撲結構動態變化，這就為入侵者插入虛假路由信息、通過虛擬節點對物聯網發起攻擊提供了可能性。因此，要實現對物聯網中各物品設備的日志等信息進行安全有效地管理，物聯網的核心網絡需要一個強大而統一的安全管理平臺。

4.3 物聯網應用的安全問題

物聯網的核心在于通過識別解決實際問題，而物聯網的部署和連接是交叉進行的，運行時物聯網的拓撲結構也不斷發生變化，從而導致應用終端的輸入、輸出控制困難，存在著應用終端與感知節點的遠程簽約識別問題，黑客、惡意軟件以及病毒的攻擊和對3G終端的不法利用等問題。

5 智能電網中物聯網安全防護研究

要做好智能電網中物聯網的安全防護，必須解決智能電網各環節安全應用物聯網的需求，降低電網應用物聯網技術的安全風險，為構建智能電網主動防御體系提供保障和支撐[4]。根據對物聯網技術及其應用的深入研究，在信息感知、信息傳輸、信息處理三個層面采取安全機制，解決傳感器本體、核心網絡及應用層面的安全問題，從而提高物聯網的安全性，保障系統及其上傳輸信息的機密性、完整性、可用性。充分考慮智能電網各環節中物聯網業務信息安全風險及物聯網安全終端、安全芯片、安全操作系統、網絡傳輸與信息安全體系、遠程安全運維關鍵技術的安全問題，確保信息內外網安全，避免攻擊者通過物聯網滲入網絡。

物聯網作為未來信息領域發展的新方向將在人們的日常生活和社會生產的各個方面產生廣泛而深入的影響，交通、電力、建筑、運輸、鐵路、水力等各大產業都將逐漸開始物聯網技術的推廣和應用。在物聯網顯著提高社會運行效率和經濟效益的同時，也要看到其對國家秘密、公民隱私保護和信息安全等安全問題提出了嚴峻挑戰。目前，我國物聯網的發展還處于起步階段，關于物聯網在智能電網中的技術應用和安全防護問題的研究任重而道遠。

［1］ 錢彬，莫日宏.物聯網技術在智能電網中的應用［J］.新材料產業，2010（12）:51-53.

［2］ 高宇.物聯網與智能電網［J］.華北電業，2010（2）:54-56.

［3］ 劉件，侯毅.物聯網時代的信息安全防護研究［J］.微計算機應用，2011（1）:15-19.

［4］ 吳同.淺析物聯網的安全問題［J］.網絡安全技術與應用，2010（8）:7-8轉27.

The App lication of Internet of Things in Smart Grid and Its Security Protection Measures

ZHANG Li-m in1,2，SHENWen-dong1,2，MENG Jun3
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Jincheng Power Supply Company，Jincheng，Shanxi 048000，China；3.Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

This paper briefly introduces the background and concept of Internet of Things.The application of the Internet of Things in Smart Grid is illustrated from the aspects of power generation,transmission，distribution，transformation and dispatching.The new technique is analyzed in terms of security risks and the security protectionmeasures are discussed correspondingly.

Internet of Things；SmartGrid；security risk；security protection

TM73；TM76

A

1671-0320（2012）04-0036-03

2012-03-28，

2012-06-21

張麗敏（1980-），女，山西晉城人，2009級華北電力大學項目管理在讀工程碩士，工程師，從事信息系統管理工作；

申文棟（1978-），男，山西晉城人，2009級華北電力大學項目管理在讀工程碩士，工程師，從事信息系統管理工作；

孟 軍（1963-），男，北京人，1997年畢業于長沙電力學院財務會計專業，從事工程經營管理工作。