智能电网安全与自主可控的分析与评测

张京京,荀 鹏,冯健飞,毕红双

(国防科技大学 计算机学院，湖南 长沙 410073)

智能电网安全与自主可控的分析与评测

张京京,荀 鹏,冯健飞,毕红双

(国防科技大学 计算机学院，湖南 长沙 410073)

随着信息化、工业化及网络融合的不断推进,使得电网的自动化、智能化水平得到了显著的提高，同时也给电网带来了更多的安全隐患。智能电网是物理网络、计算机网络与社会网络不断交互、渗透而形成的新型融合网络，其安全涉及物理、信息、网络、人员的综合管控，具有多域渗透、跨域攻击的特点。文中以智能电网安全威胁为基础，以目前我国提出的网络设备安全审查和信息基础设施自主可控性低为背景，阐述了自主可控对智能电网安全的重要性和意义；明确了影响智能电网安全与自主可控的影响指标;最后基于图论与矩阵论原理将多属性决策方法运用到智能电网安全与自主可控性评测系统中，并通过实验对影响智能电网安全与自主可控性的指标进行了分析和评测。

智能电网；自主可控；网络融合；影响指标；评测系统

0 引 言

电力是国计民生的基础行业，关系着日常生产生活的供用电稳定性与可靠性，是国家持续快速发展与社会繁荣与稳定的重要保障[1]。随着信息化、工业化及网络融合的不断推进，使得智能电网成为当前世界各国普遍关注和研究的热点[2]。关于智能电网的定义，文中参照美国能源部发布的“Grid2030”远景规划：“智能电网是一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程所有节点之间的信息和电能的双向流动。”智能电网的安全和自主可控两者相互影响、相互促进。美国“棱镜门”事件让人们警醒，只有实现自主可控才是解决智能电网安全的根本出路。

我国网络基础设施自主可控程度和安全管理水平较低，而智能电网作为国家关键基础设施，在网络融合大背景下信息、网络设备等存在大量安全隐患。因此，必须加强智能电网安全与自主可控的战略规划和体系建设，构建中国特色自主可控的技术路线，打造具有自主知识产权的软硬件产业链，确保电网等关键基础设施的安全，为国家安全做出贡献。

1 智能电网安全形势与自主可控的重要意义

1.1 智能电网的安全形势及举措

智能电网在不断实现信息化、智能化的同时，也遭受了各种信息领域的安全威胁，如传统的探测、扫描、窃听、旁路攻击、虚假认证、泛洪攻击等手段，使其安全问题变得更加突出[3]。近年来，关于智能电网的各种安全事件频发。2002年，Slammer蠕虫入侵俄亥俄州Davis-Besse核电站，从其承包商的一根T1线旁路防火墙传播给公司的网络，再传染给电厂网络，导致冷却系统、核心温度传感器以及外部辐射传感器的监控系统崩溃；2009年，黑客向美国电网注入恶意代码并远程控制其发作，最终导致美国部分地区电网瘫痪[4]；2010年，针对数据采集与监控系统(SCADA)的“Stuxnet”震网病毒攻击了全球工业领域，全球超过45 000个网络受到感染，给各国的智能电网安全带来了巨大的威胁和破坏[5]；2012年，两座美国电厂遭USB病毒攻击，感染了每个工厂的工控系统，窃取了数据；2014年7月，赛门铁克公司透露，欧美电站感染“能源之熊”病毒，黑客具有远程控制电厂的能力，既实时监控各地能源消费情况，又可通过输入指令扰乱电力系统工作，在之前的18个月已经有84个国家1 000多个发电站感染[6]，其安全形势不容乐观。

伴随着各种安全事件的曝光，人们开始意识到智能电网等关键基础设施安全面临着巨大威胁[7]。因此，各国纷纷出台战略、成立机构、制定法规，保护其电网等关键基础设施安全。2006年，美国发布能源行业保护控制系统路线图，2009年发布国家基础设施保护计划(NIPP)，2011年发布实施能源供应系统信息安全路线图；欧洲网络与信息安全局于2013年3月发布了“智能电网安全措施”报告，涵盖智能电网风险管理、事故响应等9个领域。我国也出台了相应的政策计划，早在2002年，原国家经贸委就已经发布第30号令《电网与电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》对电力网络安全提出要求；2005年，国家电监会也发布了第5号令《电力二次系统安全防护规定》，要求加强电力系统的安全防护；2013年1月，国家能源局信息中心电力行业信息安全等级保护测评中心成立了测评实验室；2013年8月，《面向电力行业工业控制系统的信息安全综合服务》获批列入国家高技术产业发展项目计划；2014年，“863计划”部署了“安全控制系统技术研究与开发”项目，项目要求研发具有自主知识产权的安全控制系统、安全仪表等产品，提升我国工业安全等的自主化能力。

1.2 我国智能电网自主可控的现状及其重要性

关于自主可控目前并没有明确的定义，文中研究的自主可控(Self-development&Controllability)分两个层面。其中，自主是指智能电网领域主要信息产品、设备和技术等是由我国自主设计、开发制造的，而可控是指这些产品、设备、技术具有高可靠性、安全性和稳定性。对一个产品来说，自主不一定可控，但不自主肯定不可控，自主性是可控性的基本保障。例如，已研制或拥有自主知识产权的系统未必是可控的，其可能存在严重的安全隐患。由于我国芯片、操作系统等软、硬件产品，以及通用协议和标准90%以上依赖进口，使得我国智能电网等领域工控系统的核心技术受制于国外，高端市场拥有自主知识产权的产品和系统较少[8]，我国高端PLC市场的95%以上被西门子、施耐德、罗克韦尔、ABB等国外产品占领。另一方面，智能电网等国家关键基础设施，对系统技术装备水平要求高，采购人对自主品牌的不信任，美国通过巧言计划等掌握销售到海外的软硬件技术产品的部署信息，绘制出购买国信息系统布防图；国家安全局下的定制入口组织借助后门、漏洞等，控制其他国家的信息设备、窃取核心数据、瘫痪业务系统，进行强制性技术安全认证和供应链审查[9]，核心产品自主化水平低给我国网络信息安全带来了严重威胁。

在此背景下，2014年5月22日，国家互联网信息办公室宣布[10]，中国即将推出网络安全审查制度，明确对进入中国市场的重要信息技术产品及提供者进行安全审查，重点是产品安全性和可控性，防止产品提供者借助提供产品之便，非法控制、干扰、中断用户系统，非法收集、存储、处理和利用用户有关信息，对于审查不合格的产品和服务，将不得在中国境内使用。网络安全审查制度的适时出台，为保护国家信息安全提供了新的手段。智能电网安全与自主可控研究就是要利用国家建立网络安全审查机制这个契机，积极参与到网络安全审查机制和流程的制定中，为国家网络安全审查机制的实施献策。因此研究智能电网安全与自主可控的评测方法，发掘重要影响因子对保证我国智能电网安全具有重要意义。

2 智能电网安全与自主可控系统分析

2.1 智能电网安全与自主可控域间关系分析

智能电网是社会网络、信息网络、物理网络相互交融、渗透而形成的新型大规模人机物融合网络[11]。该网络涉及了电网发电、输电、配电和用电等各个环节的众多人员和大量的物理、信息基础设施，其在整体性能和智能化水平不断提高的同时，也给智能电网的安全和自主可控带来了更大的挑战[12-13]。鉴于智能电网的这些复杂特点以及安全与自主可控之间的关系，从社会域、信息域、物理域层面对智能电网安全与自主可控的影响程度进行宏观的描述，其关系模型如图1所示。

图1 智能电网安全与自主可控域间关系模型

智能电网安全与自主可控涉及信息基础设施的自主可控、物理基础设施的自主可控以及智能电网产品生命周期闭环供应链相关人员的安全问题等。当前，智能电网的安全可控呈现出了一些新的特点：首先，智能电网领域互联的系统、设备、应用、网络以及机构等数量快速增长，很难单独找到和完全隔离某一个导致安全风险的漏洞；其次，无线网络的广泛应用，业务系统之间的交互增加，安全域的划分更加困难，基于网络边界的传统防范措施难以奏效；再次，智能电网作为人机物融合网络，很多单纯基于信息网络的安全机制不再有效，需要对这类大规模融合网络的安全重新思考对策和改进安全技术；最后，智能电网相关技术产业、服务产业、制造产业以及物流产业等装备闭环供应链中的产品和人员等安全问题，对智能电网安全以及自主可控程度评估同样具有重要的影响。因此在对智能电网安全与自主可控程度进行评价时，迫切需要提出一种跨域评测方法。

2.2 智能电网安全与自主可控模糊指标确定

由于智能电网安全与自主可控程度的相互影响、相互促进、彼此交融以及智能电网域间融合的复杂性，针对部件、设备、系统、网络等各个层次自主可控程度的评价策略都有其不同的特点，所以不易对智能电网自主可控程度进行统一的量化。因此，结合智能电网安全与自主可控的特点和当前针对多种模糊属性决策的分析方法，对智能电网安全与自主可控进行系统的模糊指标划分，并在下一部分进行研究分析。共分为7个模糊影响指标，具体总结如下：

(1)领域技术水平环境。未来智能电网安全与自主可控建设将会向技术自主化、多元化、核心化的方向发展，而先进的技术水平是智能电网安全与自主可控的重要保障[14]。因此要不断提升技术储备和整体解决方案的能力；掌握关键硬件防护元器件、大型系统防御软件、高性能安全计算、高速无线安全通信等新型核心技术；不断优化调度子系统、SCADA系统、快速诊断“自愈”子系统、在线快速仿真和建模子系统、预警专家系统、基于地理信息系统和可视化技术的资产管理与在线规划子系统、停电管理子系统等输配电领域的高级应用技术；重点开发电网基础信息网络和重要信息系统的安全保障技术，开发复杂大系统下的主动实时防护、安全存储、网络病毒防范、恶意攻击防范、网络信任体系与新密码技术等。不断提高智能电网的自主化、国产化水平。

(2)软、硬件基础设施环境。软、硬件基础设施对智能电网安全与自主可控的影响主要表现：

①软、硬件产品大部分都是国外产品，而非自主知识产权的国产产品，这就导致对软、硬件产品的了解不够清楚，容易存在后门等安全隐患大大降低了智能电网的安全可控性；

②部分操作系统和其他应用软件在安装和运行之前没有经过专业机构的安全监测，这就可能导致这些系统和软件自身存在的安全漏洞不易被发现，影响电网中的其他软件和系统的运行；

③软、硬件产品使用年限过久，不能及时更新，使电网部分环节薄弱，当存在蓄意攻击时导致整个电网变得极为脆弱；

④操作系统及应用软件在服役期间，补丁程序不能及时更新或补丁在更新时测试不足都会影响电网安全运行；

⑤软、硬件产品资产清单不够完备，关键设备物理保护措施不足，都将给智能电网的安全稳定带来影响；

⑥对软、硬件产品的供应商背景进行调查和审核，确保产品来源的安全性。

(3)运行和服务环境。智能电网安全和自主可控是一项系统工程，由管理者、使用者、建设者、管理对象、管理工具等重要因素组成。电网正常运行中人员对软、硬件等设施的操作、维护和管理对完善电网方法机制有重要的影响。因此要不断加强智能电网中人员的管理和专业队伍培养机制的建设，不断提高运行和服务水平。

(4)安全管理机制环境。完善的安全管理机制是实现智能电网安全与自主可控的关键基础和有力保障。安全管理机制环境包括：是否有专门统一的电网安全管理组织机构，是否有专门统一的电网安全管理规章制度，是否有专门统一的电网安全评测机制以及智能电网产品闭环供应链的管理和供应链相关人员的管理。

(5)网络边界和网络连接环境。智能电网的网络及安全边界定义和部署不明确、不具体，会导致电网安全防护措施的部署不正确、不完备；非自主专用网络协议的使用会增加智能电网暴露在公网中的可能性，大大提高了网络威胁的存在；网络连接的管控是否安全严格将直接影响智能电网遭受外部恶意连接的可能性[15]。

(6)安全策略环境。由于智能电网不同于传统的信息网络，有其自身的特点，在遭受攻击时是否有针对智能电网而不同于传统信息安全的专门的安全策略设置，以及电网关键信息加密算法非自主研发设计或加密强度不足、措施不够完备、技术完善造成业务操作指令被黑客截取并对网络进行监控或攻击等，都会对智能电网的安全和自主可控产生严重影响。

(7)实时监控与审计环境。智能电网中SCADA系统对电网的实时监控和审计不足，会造成安全威胁出现时不能及时发现、审计并处理。目前智能电网的实时监控和审计环境主要是指针对智能电网关键业务操作、业务用户行为和整体网络的实时监控和审计是否充足完备；对电网操作指令的输入数据是否实行实时的安全性和正确性监测和审计。

智能电网安全与自主可控的影响指标的总结如表1所示。

表1 智能电网安全与自主可控性分析

3 系统指标评测方法的设计、验证及分析

该部分将对智能电网安全与自主可控评测系统的影响指标进行评测方法的设计、实验验证和分析。由前文分析可知，智能电网的安全与可控的一级影响指标包括：(Ⅰ-1)领域技术水平环境；(Ⅰ-2)软、硬件基础设施环境；(Ⅰ-3)运行和服务环境；(Ⅰ-4)安全管理机制环境；(Ⅰ-5)网络边界和网络连接环境；(Ⅰ-6)安全策略环境；(Ⅰ-7)实时监控与审计环境。这些指标之间不完全满足独立性，存在着相互影响的关系，属于模糊指标的评判和决策。

通过对复杂系统影响指标间的交互影响进行研究分析，设计关系影响指标的评判算法对结果指标进行剥离实现影响指标的缩减。主要分为三部分：首先进行评测方法的确定，然后对算法进行实验验证，最后进行实验结果分析。

3.1 评测方法确定

文中所研究的智能电网安全与自主可控指标分析方法，是一种运用图论和矩阵论原理进行系统影响指标模糊属性分析的多属性决策方法[16-17]。多属性决策方法已成功运用在设备选型、社会评估等领域，并收到了很好的效果。文中所运用方法的核心算法是通过系统中各指标之间的逻辑关系构建直接影响矩阵，计算各指标对其他指标的影响度和被影响度，从而计算各指标的中心度和原因度，并根据指标所对应的中心度和原因度，得出该指标所属种类(原因指标或结果指标)，还可根据中心度和原因度的取值调整整个分析系统的结构图，使得系统结构更加合理。该方法主要分为以下几步：

(1)确定系统影响指标。

根据对系统整体的分析确定系统影响指标，由于系统影响指标有级别区分，将一级指标表示为Ⅰ-i(i=1,2,…,n),则系统一级指标影响集合为{Ⅰ-1，Ⅰ-2，…,Ⅰ-n}。

(2)构建系统影响指标间的直接影响矩阵。

考察系统不同影响指标间的影响关系，并设定相应的标度。该算法通过专家打分的方法确定系统不同影响指标间的直接影响程度，并在此基础上构建系统影响指标间的直接影响矩阵。

(1)

其中，aij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n;i≠j)表示影响指标Ⅰ-i对影响指标Ⅰ-j的直接影响程度，且i=j时，有aij=0。

(3)计算系统影响指标间的综合影响矩阵。

首先将直接影响矩阵(1)进行规范化，得规范化直接影响矩阵：

(2)

然后根据规范化后的直接影响矩阵(2)计算系统影响指标间的综合影响矩阵：

Z=T(I-T)-1

(3)

其中，I为单位矩阵。

(4)计算各因素的影响度、被影响度、中心度和原因度。其中，因素Ii∈I的影响度xi、被影响度yi、中心度ki和原因度ji的计算公式分别为：

(4)

(5)

ki=xi+yi,i=1,2,…,n

(6)

ji=xi-yi,i=1,2,…,n

(7)

其中，zij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n;i≠j)表示影响指标Ⅰ-i对影响指标Ⅰ-j的直接影响程度。

(5)依据系统各影响指标的中心度和原因度绘制影响指标的原因结果图，分析得到的原因指标和结果指标，并依据原因指标对结果指标有决定性的影响作用特点，来精简系统的各级测评指标，最后根据精简后的测评指标对系统进行更具有针对性的测评。

(6)根据评测后得到的多个原因指标Ⅰ-i，以及Ⅰ-i所对应的影响度xi，计算原因指标的权重wi，最后根据具体情况计算影响智能电网及其相关物理设施的自主可控性程度SC。计算公式具体如下：

(8)

(9)

其中，fi为给定一个具体的网络或设备所得到的各指标的实际指标水平值。

该部分(原因指标确定后的这一部分)要指定一个具体的网络或设备，并根据其原因指标具体的水平值按自主可控性评测方法进行综合评测。由于具体的网络或设备没有确定，所以文中仅对综合评测部分进行简单的阐述。

3.2 实 验

实验具体如下：

(1)获得实验数据并确定直接影响矩阵。

由于智能电网自主可控性所涉及的影响指标间的影响程度数据无法从相关部门或网上直接获取，因此该部分采用专家打分的方法构建对上述7个一级影响指标的直接影响矩阵。该调研采用1～9标度进行测评，其中1表示对应影响指标间的直接影响程度最弱，9表示对应影响指标间的直接影响程度最强。对调研结果进行分析并取其均值作为对应指标的直接影响矩阵，得到该智能电网安全与自主可控指标测评系统的一级指标间的直接影响矩阵A，见表2。

(2)实验确定指标间的综合影响矩阵。

根据2.2中的算法和表2的数据，计算得到智能电网安全与自主可控评测系统一级测评指标间的综合影响矩阵Z，见表3。

表2 智能电网安全与自主可控测评指标的直接影响矩阵A

表3 智能电网安全与自主可控测评指标的综合影响矩阵Z

(3)实验确定影响指标的中心度和原因度。

依据表3，首先计算各一级影响指标的影响度xi和被影响度yi。由式(4)可知，影响度xi为综合影响矩阵Z的对应行的行和，被影响度yi为综合影响矩阵对应列的列和。然后计算出各一级影响指标的中心度ki和原因度ji。其中影响指标Ⅰ-i的中心度ki为影响度xi和被影响度yi的和，原因度ji为影响度xi和被影响度yi之差。实验计算可得各个一级影响指标对应的中心度ki和原因度ji，其结果见表4。

表4 智能电网安全与自主可控测评指标的ki和ji

(4)根据实验结果绘制原因-结果图。

依据上述实验所得一级影响指标的中心度ki和原因度ji，分析并绘制智能电网安全与自主可控一级影响指标的原因-结果离散数据点图，见图2。

图2 智能电网安全与自主可控

由图2分析可知，智能电网安全与自主可控测评系统的原因指标为：(Ⅰ-1)领域技术水平环境、(Ⅰ-2)软、硬件基础设施环境、(Ⅰ-4)安全管理机制环境；结果指标为：(Ⅰ-3)运行和服务环境、(Ⅰ-5)网络边界和网络连接环境、(Ⅰ-6)安全策略环境、(Ⅰ-7)实时监控与审计环境。

3.3 实验结果分析

由实验结果分析可知，在影响智能电网安全与自主可控的7个一级影响指标中共有3个原因指标和4个结果指标。原因指标对其他指标产生影响，而结果指标受到其他指标的影响，也即Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-4影响着Ⅰ-3、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅰ-7；而后者受前者的影响。由于原因指标对智能电网安全与自主可控有着决定性的作用，故可依据原因指标对智能电网安全与自主可控程度进行评价，即用(Ⅰ-1)领域技术水平环境，(Ⅰ-2)软、硬件基础设施环境，(Ⅰ-4)安全管理机制环境代替原有的7个一级影响指标，对智能电网安全与自主可控程度进行评价。这样就起到了精简系统的各级测评指标的作用，使测评指标更有针对性。

通过实验得到了3个精简后的一级评测指标，对这3个一级评测指标进行分析细化又可得到其对应的二级评测指标。其中，(Ⅰ-1)领域技术水平环境包含5个二级影响指标，分别是：(Ⅱ-1)技术储备与整体解决方案水平、(Ⅱ-2)二次智能化设备技术水平、(Ⅱ-3)智能输配电设备技术水平、(Ⅱ-4)智能电网SCADA系统技术水平、(Ⅱ-5)电网防护领域技术水平；(Ⅰ-2)软、硬件基础设施环境包含7个二级影响指标，分别是：(Ⅱ-6)软、硬件国产化比例，(Ⅱ-7)软、硬件知识产权掌控程度，(Ⅱ-8)操作系统及应用软件安检情况，(Ⅱ-9)软、硬件产品使用年限及更新情况，(Ⅱ-10)操作系统及应用软件补丁的安检情况，(Ⅱ-11)设备资产清单和关键设备保护情况，(Ⅱ-12)软、硬件供应商背景情况；(Ⅰ-4)安全管理机制环境包含5个二级影响指标，分别是：(Ⅱ-13)是否有专门统一的电网安全管理组织机构、(Ⅱ-14)是否有专门统一的电网安全管理规章制度、(Ⅱ-15)是否有专门统一的电网安全评测机制、(Ⅱ-16)智能电网产品闭环供应链管理情况、(Ⅱ-17)智能电网产品供应链相关人员的安全管理情况。

由此可见，虽然一级影响指标得到了精简，但二级指标仍然较为庞大。

为了进一步简化智能电网安全与自主可控评测系统，消除评测指标间的交互影响关系，可以运用该实验中一级指标的精化算法进行二级评测指标的精简。需要指出的是，由于不同一级影响指标间的二级指标相互影响程度的离散度较高，因此可对3个一级影响指标所属的二级指标分别运用实验中的算法进行二级指标精简。最后汇总得到智能电网安全与自主可控评测系统的关键原因指标，再运用模糊测度建模方法对某一个具体的智能电网进行安全与自主可控进行测评。

4 结束语

智能电网作为国家关键基础设施，其安全关系到国际民生和社会稳定，而解决智能电网安全的根本出路是实现我国智能电网的自主可控的关键。文中通过对智能电网安全与自主可控的系统分析，并设计方法实现了智能电网安全与自主可控相关模糊指标的精简，最后得到了对安全与自主可控评测起关键作用的(Ⅰ-1)领域技术水平环境，(Ⅰ-2)软、硬件基础设施环境，(Ⅰ-4)安全管理机制环境3个原因指标，从而在对智能电网及其相关技术和产品进行安全与自主可控程度评测时，可重点对这三个关键指标运用模糊测度建模方法进行测评。自主是安全的基础，可控是安全的目的，实现自主可控是保证智能电网安全的必然选择。在对智能电网相关新技术及产品应用时，应做到“先审后用、能控则放、用中管控、安全审计”，通过不断优化和完善测评方法确保我国智能电网的安全与可控,也为我国的安全审查事业建言献策。

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AnalysisandEvaluationofSmartGridSecurityandSelf-developmentControllability

ZHANGJing-jing,XUNPeng,FENGJian-fei,BIHong-shuang

(SchoolofComputer,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Withthedevelopmentofinformatization,industrializationandtheintegrationofthenetwork,theautomaticlevelandtheintelligentlevelofthepowergridhavebeenimprovedsignificantly.However,securitythreatshavealsobeenbroughttothepowergrideither.Thesmartgridisanewtypeofconvergednetworkformedbytheinteractionandpenetrationamongphysical,informationandsocialnetworks,whichsecurityinvolvesinphysical,information,network,andpersonalcomprehensivecontrol.Ithasthefeaturesthatthethreatsandattacksinsmartgridcancrossdomains.TakingintoaccountthesmartgridsecuritythreatsandChinesenetworkequipmentsecurityreviewandthelowlevelofinformationinfrastructureself-developmentcontrollability,thesignificanceofself-developmentcontrollabilitytothesmartgridsecurityhasbeendescribed.Impactfactorsarepresentedforsmartgridsecurityandself-developmentcontrollability.Finally,basedonthegraphandmatrixtheories,multi-attributedecisionmakingmethodisappliedtotheevaluationsystemofsmartgridsecurityandself-developmentcontrollability.Experimentsareperformedtoanalyzeandevaluatetheimpactfactorsofsmartgridsecurityandself-developmentcontrollability.

smartgrid;self-developmentcontrollability;networkintegration;impactfactors;evaluationsystem

2015-06-29

2015-10-12

时间：2016-05-05

国家自然科学基金资助项目(61170285)

张京京(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为网络分析、数据挖掘。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0815.040.html

TP

A

1673-629X(2016)05-0079-07

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.05.017