从复杂网络视角评述智能电网信息安全研究现状

　　0.引言

　　当前，智能电网的研究方兴未艾，一定程度上讲，智能电网代表了未来电网的主流发展趋势。

　　从近年电力系统科技发展的脉络上看，广义而言，可以认为智能电网有两大起源：文提出的数字电力系统理念，其重点在于输电网的智能调度与控制文提出的“友好电网”，其重点在于建设互动型配电网。尤其是文工作的提出，揭开了数字电网乃至智能电网研究工作序幕；2006年国家电网公司实施SG186工程，开始进行数字化电网和数字化变电站的框架研究和示范工程建设，南方电网公司委托清华大学开展数字南方电网研究;2009年，国家电网公司提出了建设我国“坚强智能电网”的宏伟蓝图。国际上，欧美等国纷纷出台了各自的智能电网发展计划。与此同时，国内外学者从各个方面对智能电网基础理论和关键技术进行了深人研究，取得了一大批重要成果，其中多指标自趋优运营能力被认为是智能电网与传统电网的最大区别。

　　毋庸置疑，智能电网的建设进程伴随着电力系统中数字化和信息化程度的不断提高，系统中的能量流和信息流的交换与互动亦日益频繁，最终使得未来智能电网在很大程度上将发展成一类由信息网和物理（电力）网构成的相互依存的二元复合网络(cyber-physicalpowergrid，CPPG)。在此背景下，研究信息网和物理网相互依存的新一代电力网络的拓扑结构特征、连锁故障传播机理、安全水平和生存能力以及相应的预防控制措施在理论和工程两方面均具有重要意义，这主要缘于以下3方面的因素。

　　（1)智能电网在规模和动态上的复杂特性对复杂网络理论本身的发展提出了更高的要求。随着智能电网建设的深人，CPPG的网络规模不断扩大、网络动态的新特性日益增多，从而导致CPPG的网络复杂性持续增强，主要体现在如下两个方面：

　　(2) CPPG是由信息网/物理网耦合而成的超大规模二元复杂网络，它对复杂网络理论研究提出了新的重大挑战。

　　1998年发表于Nature上的题为《“小世界”网络的集体动力学》（collectivedynamicsof‘small-world，networks)和1999年在Science上发表的题为《随机网络中标度的涌现Kemergenceofscal¬inginrandomnetworks)的文章分别揭示了复杂网络理论的小世界和无标度特性，开创了复杂网络理论研究的新纪元。基于统计特性与结构模型，研究者对网络性能进行了详细的分析，并在网络的社团结构、脆弱度评估和传播动力学等方面取得了较大的进展。2009年7月Scence杂志出专栏介绍复杂网络理论的新发展，例如将其用于预测种族冲突1和识别恐怖组织中的关键人物等问题。特别需要指出的是，复杂网络理论在电力系统巳得到成功应用，文基于该理论建立了电力系统自组织临界一般理论，包括电网演化机制模型、连锁故障模拟方法、电网脆弱度及风险评估方法和电力系统应急管理平台4项创新。

　　(3) 未来电网若干关键功能，如对分布式发电的接纳、需求侧管理等，无疑加大了CPPG在动态特性上的复杂度。

　　在资源和环保的压力下，以新能源发电为主体的分布式发电（distributedgeneration,DG)成为电力系统发电的一个重要方向。通常位于近负荷侧的分布式发电改变了传统电力系统中功率单向流动的特点，也使得电力系统的负荷预测、规划和运行与过去相比具有更大的不确定性;同时分布式发电的加人，必然需要增加大量通信装置以实现分布式发电的自身控制以及与传统电网的协调。

　　此外，借助于先进的测量和通讯系统，基于政策和电价激励的需求侧响应技术被认为是提高系统可靠性和实现节能环保的有效方法，如通过推广电动汽车平抑负荷峰谷差和减少系统备用，即是一种用户参与需求侧响应的有效方式。

　　综上所述，现有工作的研究对象无论其规模和结构多么复杂，大多针对单一复杂网络，或者信息网，或者物理（电力）网，而对于CPPG这类二元网络的复杂网络特性研究则鲜有先例可循，因此，迫切需要发展现有的复杂网络理论，以满足未来智能电网发展的需要。

　　（4)智能电网主要目标的实现需要信息技术的发展来提供保障。

　　信息化在实现智能电网主要目标（灵活、高效、可持续、节能环保、高可靠性和高安全性等）的过程中起着举足轻重的作用。然而，目前大多数的研究和实践更加侧重于信息化引人新功能的实现和挖掘，而对信息化背景下智能电网的安全性问题则缺乏足够的重视。信息化程度的提高给电网带来诸多安全隐患，如信息采集环节、传输环节、智能控制和电网与用户互动环境下均存在不同程度的安全风险。

　　信息化带来的种种安全隐患或危害，均可视为对信息网的有意或无意攻击，其影响一般表现为信息网的相继故障从而可能引发信息网瘫痪，严重时故障可能穿越信息网边界波及物理网，进而导致物理网连锁故障。极端情况下，相继或连锁故障在信息网和物理网之间交替传播，严重威胁电力系统安全运行。

　　（5)对信息安全问题的关注应贯穿智能电网重大工程实践的全过程。

　　在智能电网重大工程建设过程中，评估系统运行风险、辨识系统薄弱环节并制定相应的预防控制措施贯穿全程，需要充分考虑CPPG中信息网与物理（电力）网紧密融合后带来的新变化。

　　(1) 信息网比物理（电力）网的运行风险更高。

　　文中指出，广义电力系统是由电力系统(EPS)、信息通信系统（ICS)和监测控制系统（MCS)融合而成的3S系统：这里的ICS/MCS即为本文所指的信息网，它是安全供电不可或缺的工具；由于ICS/MCS存在的潜在漏洞、缺陷和故障，使其成为3S系统安全风险的主要来源。如果信息网遭到攻击，则可能给物理（电力）网造成严重的故障，使得电力系统出现大面积停电事故或重要电力设备损坏。例如，2010年9月，伊朗布什尔核电站的计算机系统遭Stuxnet蠕虫病毒攻击，大大延迟了伊朗的核进程[27]。由此可见，智能电网的安全性不容忽视，而信息网的安全性则是重中之重，主要原因有：从网络本身受攻击的容易程度来看，信息网更容易受到攻击从网络的相互依赖程度来看，物理网对信息网的依赖程度更大从网络故障影响的范围来看，信息网故障的可影响范围更广。

　　(2) 保障CPPG中的信息网安全是全面建设智能电网的前提和必要环节。

　　建立信息/物理网一体化的新一代电力系统是未来电网发展的一个重要趋势，而保障其中的信息网安全则是全面建设智能电网的前提和必要环节，主要体现在两个方面：一方面，在建设CPPG之前考虑系统的安全问题，有利于清晰认识系统建成后可能面临的各种风险;一方面，在认知系统安全水平以及可能面临的各种攻击的基础上，从制定系统安全标准和政策法规等方面做好事先的安全预防，以保证系统的安全运行。

　　综上，可以得出以下结论：

　　信息化在提升电力自动化水平、提高社会生产效率和改善用户体验的同时也给智能电网的安全性带来了诸多隐患。一方面，信息网本身存在许多尚未解决的安全性问题，当电力系统高度信息化后，将在电力系统中埋下许多安全隐患[28—31]•’另一方面，信息网和物理网作为未来智能电网的两大主要组成网络，其相互影响和相互作用机理尚不明确，该复合网络的脆弱性有可能被攻击者加以利用从而造成更大的危害。因此，有必要对智能电网中存在的信息安全隐患及其对全系统存活性的影响加以讨论并思考相应的解决方案。

　　1国内外研究现状

　　目前国内外对CPPG的研究尚处于起步阶段，主要集中在电力系统信息安全标准的制定、CPPG基本框架的建立以及可靠性等几个方面，详述如下：

　　(1) 电力系统信息安全标准制定

　　国外在电力系统信息安全标准的制定方面起步较早：2006年，北美电力可靠性委员会(NERC)为保证电力系统中所有实体均对北美大电网的可靠性承担部分职责，同时保护可能影响到大电网可靠性的重要信息资产，制订了信息安全标准CIP-002-1〜CIP-009-1;国际电工委员会针对数字和通讯安全提出了IEC62351标准。

　　国内目前尚未明确制定信息安全的相关标准，只是为保障信息安全提供了一系列原则。文[5]提出智能电网信息安全工作一定要坚持安全分区、网络专用、横向隔离和纵向认证的原则；同时对大量分散用户的信息介人，也要采取类似方法，将其影响范围局限在变电站甚至更低的等级，以防止对整个电网产生灾难性的后果。文[36-38]强调在智能电网的研究中，应特别关注建立电网信息支撑平台的必要性，这是因为开放的信息系统和共享的信息模式是智能电网的基础，开发与建造一个能够覆盖电网全域的、统一的信息系统是智能电网发展的关键所在，而要消除信息共享障碍就必须对信息进行标准化和规范化。

　　(2) 信息/物理网安全性研究框架

　　文中将智能电网的信息安全相关问题分解为如何保障智能电表(AMI)和无线网络的安全，以及如何制定政策奖励维护网络安全的电力生产运营商等。

　　文中提出采用由安全管理、安全策略和安全技术组成的电力信息系统安全防护总体框架，其中安全管理包括组织保证体系、安全管理制度及安全培训机制；安全策略分为分区防护和强化隔离；安全技术则涵盖身份认证、访问控制、内容安全、审计和跟踪及响应和恢复等。

　　文[1]提出统一信息系统必须包括以下4个独立存在又相互依赖的信息处理子系统：用于存储和管理电网中的所有信息数据的分布和分层的数据库群子系统；分布和分层的用于电网控制与管理的任务处理应用子系统；分布和分层的电网状态检查和监视应用子系统；分布和分层的电网全域可达的人机信息交互子系统。

　　基于信息物理系统（cyberphysicalsystem，CPS)的概念和电力系统的特点，文[42]构建了电力CPS的思路和框架并提出建设电力CPS面临的挑战，认为电力CPS主要由大量的计算设备（服务器、计算机、嵌人式计算设备等）、数据采集设备（传感器、PMU、嵌人式数据采集设备等）和物理设备（大型发电机组、分布式电源、负荷等）组成，其中前者通过信息网络互联，后者则构成物理的电力网络。具体地，电力CPS包括控制中心、分布式计算设备、通信网络、输配电网络、电源和负荷。同时，电力CPS可以与其他的CPS子系统通过网络连接协同工作。该文进一步提出发展电力CPS的关键技术涉及全局优化与局部控制的协同技术、大规模分布式计算技术、CPS通信协议、动态网络和延迟/终端容忍网络、集群智能和虚实空间的自动映射一致性等。

　　(3)信息/物理网安全性建模分析

　　在一般信息-物理二元网络的建模方面，采用如下的两个步骤进行建模：首先通过物理和信息的输人输出信号、内部动态和局部传感信息等要素对各个(或组）元件建立状态空间模块；进一步在网络拓扑的基础上将各模块整合在一'起以建立系统的信息,理二元复合网络模型。

　　在网络攻击对电力系统系统的可靠性影响方面，目前巳有初步进展。文章构建了系统性评估信息物理依存网络脆弱度的基本框架，进一步该文研究了网络攻击对电力系统的数据采集和监控(SCADA)系统的影响。文章通过信息-物理的连接桥建立信息攻击与物理元件之间的通道，以此表征由于某处信息攻击所导致的电力设备的意外故障，进而在巳知信息攻击概率的基础上，评估系统遭受信息攻击时的可靠性。

　　更有意义的是，文章提出研究相互依存网络灾变的重要性，并基于意大利的电力网和信息网的网络关系图（如图1所示）模拟了该网络上由于一个变电站故障退出运行后，故障在物理（电力）网络与信息网络之间的交替传播及整个网络的崩溃过程。其基本思路是某个网络中一个节点的故障可能会造成与其耦合的网络中相关联节点的故障，通过建立连锁故障传播模型，分析指出某个网络中小部分节点的故障可能导致整个耦合系统的崩溃。

　　(4)其他方面

　　文章指出新一代电力系统的SCADA采用越来越多的无线通信可能面临的信息安全方面的6个障碍和挑战，涵盖量测的机密性、测量环境的模糊化、数据的安全聚集、拓扑模糊化、可扩展的信任管理以及数据聚集的隐私性等。文[1]指出目前电力系统的信息系统存在信息难以综合和深化利用、信息处理及控制管理设备和系统上的重叠以及开发基于信息综合的高级控制管理功能（如自适应性、自组织和智能决策等）受限等问题。

　　2 CPPG信息安全性研究关键课题

　　CPPG作为一类信息/物理网高度依存的二元复合网络，分析其连锁故障机理及脆弱度评估方法是保障CPPG信息安全乃至全系统安全的重要前提。为此，本节从复杂网络视角提出以下4个前瞻性课题。

　　2.1 CPPG中信息网和物理网异构特性及相互依存关系分析、一体化网络模型建立及拓扑结构特征提取

　　一般而言，CPPG中信息、物理两个网络往往呈现截然不同的结构特性，如有研究表明，信息网呈现无标度特性，而很多实际电网具有小世界特性。在此背景下，CPPG将是由信息/物理网相互依存演化成的二元异构网络(如无标度信息网与小世界物理网），如图2所示。

　　对该网络的拓扑结构特征提取有助于从本质上揭示其功能特性，具体可以开展如下研究：

　　(1) 分析并揭示CPPG中信息网与物理网的异构特性，建立连接信息/物理网的联络线网络化数学表述模型，研究不同类型信息网与物理网（如无标度网与小世界网）中信息流和能量流的输送特性。基于电力系统动态特性（如潮流）建立物理网功能有效性模型，基于信息系统静态特性（如网络拓扑结构和元件级联失效等）建立信息网功能有效性模型。这里的功能有效性是指网络节点和边的动态均受到一定的容量限制，在限制值之内称为有效。

　　(2) 深人分析CPPG中信息网和物理网的耦合

　　机理，研究信息过程和物理过程的相互影响。

　　(3) 研究信息网和物理网内部以及二者之间的拓扑连接或者信号传送关系，进一步将上述信息/物理功能有效性模型集成，以建立能够反映CPPG中信息网和物理网交互过程的一体化网络模型。

　　(4) 基于复杂网络理论中网络结构影响网络功能的基本思路，选用适当的指标，提取并分析CPPG拓扑结构特征，即从统计的角度考察CPPG中大规模节点及其连接之间的性质，这些性质的不同意味着网络内部结构的不同，进而将导致系统功能有所差异。因此，对CPPG拓扑结构特征的描述和分析是进行CPPG研究的必要步骤。

　　2.2CPPG的连锁故障研究

　　到目前为止，巳有较多针对信息网或物理网连锁故障建模分析的研究成果[16—17]，尽管人们对单一网络（信息网或物理网）的连锁故障过程有了一定程度的认识，但连锁故障在CPPG上的发生和传播过程可能与单一信息网或物理网情形大不相同。研究

　　CPPG的连锁故障发生过程需要根据信息网和物理网的依存关系，将两个网络中的故障传播过程进行合理的对接。

　　在上述CPPG—体化网络模型的基础上，同时考虑物理设备和数据采集计算设备等对系统连锁故障发生、发展过程的影响，分析CPPG的连锁故障特性，具体包括以下几个方面：

　　(1) 构建CPPG连锁故障模型。具体地，根据信息流的传输特性，建立CPPG中信息网连锁故障模型，同时提出适当的指标分析其连锁故障影响后果;考虑未来智能电网中高渗透率的分布式发电以及广泛的用户侧响应，分析CPPG中物理网的连锁故障发生、发展过程，并采用适当的指标（如负荷损失量)表征其连锁故障规模;在信息网与物理网耦合机理分析的基础上，将信息网与物理网连锁故障模型进行合理对接，构建CPPG连锁故障模型并模拟其连锁故障传播过程。

　　(2) 辨识影响连锁故障发生的关键因素，既要包含物理网上的关键发电和输电设备，又需计及信息网上的关键计算机和信号传输单元。

　　(3) 定量分析CPPG上发生的连锁故障，借鉴风险价值和条件风险价值指标[16—17]，分析其灾变风险；对比CPPG和传统物理电力系统连锁故障的异同，重点分析信息网对CPPG连锁故障的影响。

　　2.3 CPPG的脆弱度评估研究

　　CPPG的脆弱度水平指其遭受攻击时造成的性能下降程度，下降程度越大则系统越脆弱。此处CPPG遭受的攻击既可能来自物理网，又可能来自信息网（如图3)，而对物理网的攻击可以等效为设备故障（包括退出运行），而对信息网的攻击形式多种多样（常见信息攻击和防守形式见图4)，包括信息的窃取、篡改等。

　　在综合评估CPPG脆弱度水平的同时，可寻找对其脆弱度水平影响较大的攻击模式和最坏干扰信息激励。具体研究内容如下：

　　(1) 建立CPPG的脆弱度评估指标体系，同时从结构和状态角度评价CPPG的性能水平。这里，所提脆弱度指标应兼顾物理网的安全、可靠和经济性以及信息网对数据机密性、完整性、可用性、可控性和可审查性的要求。

　　(2) 基于连锁故障模型，模拟CPPG遭受随机攻击和蓄意攻击后可能引发的连锁故障发生、发展过程，评估不同攻击模式下系统性能的变化，同时辨识出严重恶化CPPG性能的攻击模式以及系统脆弱环节。

　　此外，信息攻击形式需要考虑如下因素：

　　图4信息网安全的攻击与防守

　　①信息攻击的影响范围；

　　②信息攻击源与受影响位置的距离；

　　③信息攻击带来的后果多样性，例如有些攻击损害信息的机密性，而有些攻击损害信息的完整性和可用性，可以等效为相关服务的中断。

　　(3)通过对比CPPG和传统物理电力系统面临节点或者线路攻击时的脆弱度水平异同，明晰信息网对CPPG脆弱度的影响。

　　2.4灵活协调的优化控制方法

　　在脆弱度评估的基础上，针对系统的薄弱环节，可以从物理和信息网两方面设计有针对性的灵活协调优化控制方法，具体可以研究：

　　(1) 根据脆弱度评估辨识出的物理网薄弱环节，如关键发电机、线路和负载节点信息，采取适当的措施，例如建设新的电厂或者输电线路，以保证CPPG在面临攻击时依然能够运行在满意的状态。

　　(2) 根据脆弱度评估辨识出的信息网薄弱环节，如关键信号传输通道和网络设备等信息，有针对性地增强其安全保密水平，保证信息攻击“进不来、拿不走、看不懂、改不了、跑不了”48]，提高CPPG在故障下的安全稳定能力。此外，还应在连锁故障模拟结果的基础上，针对高风险故障制定相应的预防控制与应急预案。

　　3 结语

　　本文的核心思想是在分析目前电力系统信息安全现状的基础上，提出从复杂网络理论角度研究未来智能电网的信息/物理网安全问题，该研究属于复杂网络、电力系统和信息安全等多学科交叉领域，其重要意义主要体现在以下3个方面：）有望在电力系统和信息安全等多学科交叉领域产生一个新的学科增长点——信息/物理网相互依存的复杂网络安全理论；）指导我国新一代高信息化智能电力系统的建设，提高电力系统的安全可靠水平，提供多样化的供电服务；）为CPPG的安全运行提供高效的预防与控制策略，从而通过尽可能小的控制代价，规避大的系统灾变风险。