智能電網(wǎng)電力終端安全防護(hù)策略研究

鄭麗歐

摘 ?要：目前，電力終端面臨終端種類(lèi)多、系統(tǒng)平臺(tái)復(fù)雜、功能差異大的現(xiàn)狀，由于電網(wǎng)嵌入式終端普遍缺乏對(duì)信息攻擊的安全防護(hù)，容易受到攻擊者的威脅。針對(duì)目前電力終端所面臨的這些安全問(wèn)題，本文提出了電力終端安全防護(hù)方法，對(duì)電力終端進(jìn)行全方位的安全防護(hù)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);電力終端;安全監(jiān)測(cè)

引言

本文致力于提高智能電網(wǎng)的安全性，設(shè)計(jì)全面的電力終端安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的安全防護(hù)。在為電力終端設(shè)計(jì)防護(hù)策略時(shí)，我們從電力終端設(shè)備級(jí)、電力終端網(wǎng)絡(luò)級(jí)出發(fā)，設(shè)計(jì)全方位的電力終端防護(hù)策略。

1 智能電網(wǎng)

1.1 智能電網(wǎng)介紹

智能電網(wǎng)是把信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)及直流輸電技術(shù)和原有的發(fā)電、輸電、變電、配電基礎(chǔ)架構(gòu)有機(jī)結(jié)合的新型電網(wǎng)。國(guó)家電網(wǎng)中國(guó)電力科學(xué)研究院提出，智能電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的信息電網(wǎng)智能電網(wǎng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）電網(wǎng)安全穩(wěn)定和可靠性;（2）設(shè)備利用率得到提高;（3）實(shí)現(xiàn)發(fā)電與用電的互動(dòng);（4）間歇性可再生能源的接入。

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)的智能化主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)調(diào)度與管理、雙向信息流和新能源發(fā)電等方面。在智能電網(wǎng)中，實(shí)時(shí)調(diào)度與管理是指對(duì)智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在根據(jù)其反饋實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)智能電網(wǎng)生產(chǎn)進(jìn)行管理和調(diào)控。雙向信息流是指同時(shí)對(duì)能量流和信息流進(jìn)行調(diào)控。新能源接入是指可再生能源的入網(wǎng)，可再生能源包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿取?/p>

1.2 智能電網(wǎng)的安全問(wèn)題

在如今的電力系統(tǒng)中，信息技術(shù)得到了廣泛的使用。由于電力生產(chǎn)的特點(diǎn)，發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)往往分布廣泛，電力信息報(bào)文在電力生產(chǎn)中起著信息媒介的作用，它往往傳達(dá)電力系統(tǒng)中各個(gè)站點(diǎn)的指令、請(qǐng)求，已成為電力系統(tǒng)中的重要組成部分。國(guó)家電網(wǎng)為了提升電網(wǎng)的安全性能，在對(duì)電力二次系統(tǒng)進(jìn)行全面系統(tǒng)的安全分析基礎(chǔ)上，提出了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”十六字的安全防護(hù)原則。現(xiàn)有的智能電網(wǎng)安全防護(hù)體系能抵御部分信息攻擊，但在電力系統(tǒng)智能化、互動(dòng)化發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)演進(jìn)的雙重影響下，智能電網(wǎng)安全正面臨著新的挑戰(zhàn)，越來(lái)愈多的攻擊木馬具有隱蔽性、潛伏性、高破壞性，一旦該病毒侵入智能電網(wǎng)系統(tǒng)，將對(duì)智能電網(wǎng)的正常生產(chǎn)造成巨大的影響，加強(qiáng)智能電網(wǎng)的安全性能，在電網(wǎng)的生產(chǎn)過(guò)程中顯得尤為重要。

在智能電網(wǎng)的應(yīng)用層面，越來(lái)越多的信息攻擊將會(huì)結(jié)合特定業(yè)務(wù)，能個(gè)性化的定制對(duì)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的攻擊行為，如針對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的攻擊、針對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)、繼電保護(hù)控制系統(tǒng)的攻擊。如今的信息攻擊呈現(xiàn)定制化的發(fā)展趨勢(shì)，這將使得僅僅使用傳統(tǒng)的基于信息網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)手段無(wú)法很好的對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，因此，我們不能簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)的信息網(wǎng)安全防護(hù)手段移植到智能電網(wǎng)環(huán)境中。

在網(wǎng)絡(luò)層面，隨著智能電網(wǎng)的互動(dòng)化發(fā)展，使原有相對(duì)封閉的智能電網(wǎng)逐漸采用通用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以及多種不同網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，網(wǎng)絡(luò)通道層面臨各種安全風(fēng)險(xiǎn)。攻擊者可以通過(guò)對(duì)智能電網(wǎng)的通訊協(xié)議解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力終端的中間人攻擊、竊聽(tīng)攻擊、DoS攻擊，同時(shí)攻擊者也有可能非法入侵公共通道，竊聽(tīng)或篡改電力敏感數(shù)據(jù)，如通過(guò)用戶的智能電表實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶隱私的竊取，對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)的操縱等。

2 電力終端設(shè)備的安全防護(hù)

2.1 電力終端設(shè)備介紹

2.1.1 DTU

DTU全稱為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端單元，是安裝在常規(guī)開(kāi)閉站（所）、戶外小型開(kāi)閉所等處的電力裝置。它的作用是完成對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的物理量（如電壓、電流、功率等）進(jìn)行測(cè)量，并且根據(jù)主站下達(dá)的遙控指令，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通/斷的操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制。DTU在電力行業(yè)、水利行業(yè)、石油行業(yè)等國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用，其中在能源計(jì)量系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)中均有部署。

2.1.2 RTU

RTU全稱為遠(yuǎn)程終端單元，是電力自動(dòng)化系統(tǒng)的基本單元，在電力系統(tǒng)中，RTU有著廣泛的應(yīng)用。主站通過(guò)與RTU設(shè)備的通信，下達(dá)對(duì)電力設(shè)備的控制指令和策略，RTU響應(yīng)主站的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力生產(chǎn)的調(diào)控。RTU設(shè)備由通信主控模塊和信號(hào)測(cè)控模塊兩個(gè)模塊構(gòu)成，其中信號(hào)測(cè)控模塊監(jiān)測(cè)電力終端設(shè)備的電量信息（如電流、電壓）和功耗信息（如有功、無(wú)功補(bǔ)償?shù)龋⑵涓鶕?jù)電力傳輸規(guī)約進(jìn)行編碼，將數(shù)據(jù)傳輸給主站;主控模塊響應(yīng)由主站下達(dá)的控制指令，通過(guò)對(duì)主站下達(dá)的電力通訊規(guī)約解碼，控制被測(cè)設(shè)備的通/斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備的遙控、遙調(diào)等功能。

2.1.3 FTU

FTU全稱是饋線開(kāi)關(guān)監(jiān)控終端單元，其主要在斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)設(shè)備上部署，并對(duì)這些電力終端設(shè)備監(jiān)控。FTU的主要作用是采集開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)量，并與主站系統(tǒng)通信，將設(shè)備狀態(tài)量傳輸給主站系統(tǒng)。此外，F(xiàn)TU設(shè)備還對(duì)當(dāng)前所在饋線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)線路故障時(shí)，F(xiàn)TU將故障信息上傳給主站，然后等待主站的請(qǐng)求指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力終端的調(diào)控。

2.2 電力終端設(shè)備的安全問(wèn)題

在智能電網(wǎng)中，電力終端設(shè)備被大量地投入使用，如RTU、DTU、FTU、智能電表等，在電力生產(chǎn)的“發(fā)電”“變電”“輸電”“配電”的過(guò)程中，電力終端設(shè)備起著至關(guān)重要的作用。如在電力調(diào)度的過(guò)程中，電力終端監(jiān)測(cè)當(dāng)前饋線的電量變化，響應(yīng)主站發(fā)出的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前線路的通/斷的控制。在用戶用電過(guò)程中，攻擊者可以通過(guò)攻擊智能電表獲取用戶的隱私信息，或者攻擊能源計(jì)量系統(tǒng)，干擾破壞能量計(jì)量系統(tǒng)的正常運(yùn)作。目前的智能電網(wǎng)中的電力終端都是基于單片機(jī)或嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)備，支持網(wǎng)絡(luò)接入和訪問(wèn)，這給對(duì)電力終端的防護(hù)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。一方面對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)成的電力終端設(shè)備，嵌入式操作系統(tǒng)的固件漏洞容易被攻擊者利用，攻擊者可以將電力終端設(shè)備作為跳板，攻擊在用戶側(cè)的電力終端設(shè)備，進(jìn)而通過(guò)電力終端設(shè)備滲透到工作站和主站中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其他電力終端設(shè)備的控制，從而破壞電力的正常生產(chǎn)。另一方面由于電力終端設(shè)備使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，導(dǎo)致攻擊者可以在網(wǎng)絡(luò)層面上對(duì)電力終端發(fā)起攻擊，在傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)中的攻擊手段也能對(duì)電力終端造成破壞，如對(duì)電力終端進(jìn)行DDoS攻擊，使得電力終端設(shè)備無(wú)法及時(shí)的響應(yīng)主站發(fā)起的請(qǐng)求，如控制饋線通斷的命令無(wú)法及時(shí)的被執(zhí)行，這將對(duì)電力的生產(chǎn)和運(yùn)行造成破壞。

2.3 電力終端設(shè)備的防護(hù)

基于電力終端存在的題，提出了一種在設(shè)備級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)的電力終端全面安全防護(hù)方法，該方法能在電力終端設(shè)備級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)分別對(duì)電力終端進(jìn)行安全防護(hù)，具體防護(hù)策略如下。

2.3.1 設(shè)備級(jí)安全防護(hù)

由于電力終端搭載的業(yè)務(wù)單一，設(shè)備運(yùn)行的程序簡(jiǎn)單，因此可以挖掘電力終端設(shè)備的邊信道信息來(lái)對(duì)電力終端進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，從而對(duì)電力終端進(jìn)行防護(hù)。本文提出通過(guò)邊信道信息監(jiān)測(cè)電力終端的運(yùn)行狀態(tài)的策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力終端的設(shè)備級(jí)安全防護(hù)。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)級(jí)安全防護(hù)

由于電力終端通常采用無(wú)線傳輸方式進(jìn)行通信，因此本文提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的電力終端安全監(jiān)測(cè)方法，其具體方式如下：收集電力終端網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文;對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析處理、挖掘電力終端的安全攻擊行為的內(nèi)在模式;訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型對(duì)電力終端的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行分類(lèi)，識(shí)別信息網(wǎng)絡(luò)攻擊。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的設(shè)備級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)電力終端安全防護(hù)策略，初步實(shí)現(xiàn)了電力終端設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)。然而，文中提出的安全防護(hù)策略仍存在不足與改進(jìn)的空間，筆者會(huì)在以后的工作中繼續(xù)該領(lǐng)域的深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] ?姜政偉，王棟，王懷宇，等.電力智能終端安全評(píng)估模型[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35（1）：6-10.