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1 引言
随着能源互联网的大力推进,电力信息系统与物联网技术联系愈发紧密,
发展电力系统通过部署大量现场采集部件、智能终端、感知设备等将电力方面
用户及其设备以不同的方式连接起来,形成智能防御、安全互动、可信互联的
电力物联网(electric internet of things,EIoT),通过对电力系统设备进行控
制感知,实现电网的智能化、互动化和信息化,对能源互联网的快速发展起到
重要作用
[1]
。
2014 年中国提出了能源生产与消费革命的长期战略,并以电力系统为核心
试图主导全球能源互联网的布局。至 2017 年,全国首批能源互联网示范项目已
陆续开展。电力物联网作为“新基建”信息支撑设施,更加侧重于突出产业转型升
级的新方向,将与坚强智能电网相互协同并进、相辅相成、融合发展,包含智
慧化、多元化、生态化特征的“另一张网”
[2, 3]
,并不断向用户侧、应用侧、服务侧
延伸。但是,电力物联网具有泛在、开放、互联等特点,使本来相对封锁、专
业和安全的能源安全系统始终保持开通,网络安全漏洞存在于系统各业务环节 。
同时,管理网和控制网的相互间信息交互成为“新常态”,控制权限不停增加,加
大了攻击点、受攻击面和安全的网络边界。黑客可以利用边缘计算网络节点进
行一系列攻击操作,如信息窃听、增添虚假信息、注入木马病毒等攻击,使得
安全威胁向电力系统广泛蔓延,所以电力设备及相关网络的安全也应受到相应
的重视。能源互联网电力信息系统关系到国民生计,若受到入侵或遭到破坏,
会严重威胁到国家的安全及广大人民的利益
[2]
。
2015 年乌克兰国家电网因“暗黑力量”的恶意代码遭受攻击,造成大面积的
停电事故
[4]
。2016 年他国黑客通过非法途径,入侵了美国网络,进而控制大量
物联网终端设备使其发动 DDoS 攻击,致使近一半的美国网络发生异常;2017
年在多个国家发现针对变电站智能终端的恶意软件,可对全球近百个变电站的
智能终端进行控制。2019 年,委内瑞拉发生了有史以来从未有过的大规模停电,
全国仅少部分地区未受到波及。以上事件的攻击者大多以使用错误代码为主要
攻击工具,发送恶意代码直接攻击,暴露出漏洞,通过网络操控令其停电,以
达到摧毁破坏电力系统致其迟滞、致盲的目的
[5,6,7,8, 9,1 0]
。
在电力物联网发展过程中,行业保护范围日益扩大,安全边界逐渐模糊,
将会暴露出更多的攻击面,传统安全体系不能适应新的要求,安全风险日益加
剧。因此,面向能源互联网的电力物联网安全问题,成为研究热点。参考文献
[11-12]对电力网络中数据漏洞挖掘技术提出相应的技术。参考文献[13]介绍电
力入侵检测技术的基本原理,以 BP 神经网络为例进行介绍。参考文献[14-15]
介绍拟态防御技术原理,并说明 IPO 模型。参考文献[16]说明电力行业当前作用
及相关保障。参考文献[17]隔离交换技术原理和主要特性。参考文献[18-19]介
绍身份认证技术和 VPN 技术在电力行业的主要应用和基本原理。参考文献[20-
22]介绍量子通信技术在电力物联网中的特性,且说明其主要特点。参考文献
[23,24,25,26]对电力物联网应用层及数据层中数据隐私防护技术、加/解密技术
和区块链技术等技术原理及相应特点进行说明。
电力物联网的智能终端将成为攻击电网的主要目标和跳板,直接影响能源
互联网的安全稳定运行。如何保护能源互联网及其设备不受网络侵害和干扰,
是当前刻不容缓的任务。本文面向能源互联网,根据电力物联网的基本特征,
探讨了其安全需求和特点,并提出了相应的安全架构和防护思路,介绍了电力
物联网的安全关键方法及技术,并对电力物联网将来的发展提出建议。
2 电力物联网的安全需求和特点
2.1 电力物联网安全需求
(1)可靠感知的需求
在能源互联网的运行和维护过程中,电力物联网感知层中的传感器感知并
采集相关多种数据,而大量传感器、智能设备终端及其不同的接入方式,给能
源互联网安全系统带来新的、未知的安全隐患。因此边缘可靠感知、防御跨空
间(信息-物理)的联动攻击成为电力物联网安全运行的前提和保障,是极具挑
战性的难题。
(2)可信互联的需求
能源互联网立足于网络互联,覆盖了电力物联网网络层各个环节,包括短
距离无线通信网络、无线公网/专网、EPON、主站与通信网络层边界和主站局
域网等。在其连接过程中,需要根据电力物联网不同应用方向,选择不同连接
技术。通过安全身份认证、密码服务等,建立可信互联环境,保障资源、服务
的安全互动,实现全域安全互联互通,是实现网络共享的有效支撑
[9,10]
。
(3)智能防御的需求
能源互联网架构复杂、应用繁复,且拥有高频动态、海量数据,因此需要
电力物联网在应用层及数据层实现安全、全面集中管控,促成多能协调利用和
能效管理,建立需求感知、智能共享和主动防御机制,结合大数据技术、拟态
防御技术、人工智能技术等,实现业务安全审计、数据安全防护、风险智能处
理。
2.2 电力物联网安全特点
鉴于能源互联网具有高效智能、开放互联、平级互补和开源节流等特点,
对比传统安全,电力物联网具有以下特点。
(1)边缘计算安全
能源互联网部署了海量各异的终端设备,在电网边缘侧形成边缘计算网络 ,
负责将网络中传感设备节点和数据统一接入骨干网中,具有用户控制、业务提
供、业务监测等重要业务功能。不同于传统的计算机终端,边缘计算网络中接
入的电力物联网传感设备节点种类繁多、网络异构、协议不同、数量庞大;同
时,由于边缘计算终端所汇聚接入的电力物联网传感设备节点计算资源受限、
长期运行,传统“补丁”安全加固机制无法适用于物联网传感设备节点,非受控环
境下传感设备节点被恶意利用的风险极高,导致边缘计算终端极容易成为攻击
目标或跳板。因此,如何有效进行网络的主动防御,提前检测防御来自电力物
联网传感设备节点的远程渗透攻击行为,建立实时安全防御体系是需要重点研
究的课题之一。
(2)跨空间复杂联动攻击防御
泛在计算业务系统伴随计算能力下沉后,在边缘侧形成了全时域空域互联
的边缘分布式计算系统,与电网控制网跨“信息 -物理”空间实时互联,结构比较
复杂,表现出混杂多尺度的动态特性与复杂网络特性。有别于传统电网“N-1”或
“N-2”等故障性质,其安全威胁可能会引起连锁性反应,针对边缘计算网络攻击
会影响终端设备执行监测功能的能力,增加了系统的脆弱性,造成两网的相互
穿透,甚至可能危及物理网,产生大扰动,从而威胁电力系统安全。
3 电力物联网的安全架构和防护
3.1 电力物联网安全架构
从技术视角看,基于能源互联网思想的电力物联网可分为感知层、网络层 、
平台层、应用层和安全防护 5 个部分,如图 1 所示,其中感知层实现泛在互联及
可靠感知;网络层实现全时空覆盖;平台层实现开放共享、安全互动;应用层
加大业务创新、智能防御;网络安全防护保障其可信互动及安全互动。
感知层主要实现以智能传感设备为基础的泛在互联,将电力物联网的末端
信息进行采集并上传。采集对象包括电网基础设施、运行环境、运行状态以及
电网接入应用侧状态等。随着电力物联网业务的不断深入发展,感知层逐渐延
伸到用户侧,配用端神经末梢是其根本基础。网络层是电力物联网业务输送通
道,电力物联网建设网络层的重点任务是全时空覆盖构建“空天地”协同一体化的
电力泛在通信网,加大网络覆盖范围,增强网络的带宽,提升系统调配能力。
图 1
图 1电力物联网安全架构
平台层的关键技术是开放共享,例如,国家电网公司提出的“国网云”一体化
平台根据云基础设施、云平台组件、云服务中心和云安全软件合成,能够实现
设施、数据、应用等 IT 资源的一体化管理,进一步加大信息的存储、传输等服
务水平,有力促进业务集成融合,缩短应用的上线时间,快速响应业务变化,
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