电力系统通信网络的信息安全与防护机制研究

高利达，张 颖，张钦雪

（聊城市光明电力服务有限责任公司阳谷分公司，山东 阳谷 252300）

0 引 言

电力系统通信网络在现代电力系统中发挥着关键的作用，其稳定性与安全性直接影响着电力供应的可靠性。然而，随着信息技术的不断发展，电力系统通信网络面临着日益复杂和严峻的安全威胁。为应对这一挑战，文章深入探讨电力系统通信网络的信息安全与防护机制，旨在提升网络的抗攻击能力和数据保密性。通过对网络结构、通信协议及性能要求的深入剖析，全面分析恶意攻击类型及其潜在威胁路径[1]。

1 电力系统通信网络概述

1.1 结构与拓扑

电力系统通信网络的结构多样，通常包括边缘网络、核心网络以及传输网络。其中，边缘网络负责连接终端设备，核心网络用于连接边缘网络，而传输网络则负责长距离的数据传输。这些网络形成一个复杂的拓扑结构，以确保电力信息能够高效、可靠地传输。各级网络之间的连接关系需要在网络设计中得到精心规划，以提升网络的整体性能和稳定性。

1.2 通信协议与标准

为确保电力系统通信网络的互操作性和稳定性，采用标准的通信协议至关重要。常见的通信协议包括IEC 61850、DNP3 和Modbus 等。这些协议不仅规范了通信的数据格式和传输方式，还考虑电力系统的实际需求，从而提供高效的通信机制。同时，遵循这些标准有助于降低系统集成的复杂性，提升设备之间的兼容性。

1.3 网络性能要求

电力系统通信网络的性能要求直接关系电力系统的运行稳定性和实时性，在实时监控和控制方面，网络的低延迟至关重要。网络的可靠性和可用性对于确保数据传输的稳定性与连续性同样重要。随着电力系统的数字化程度不断提高，网络的带宽需求也日益增长，从而传输更多的实时数据[2]。电力系统通信网络的结构和协议概览如表1 所示。

表1 电力系统通信网络的结构和协议概览

2 信息安全威胁分析

2.1 恶意攻击类型

恶意攻击类型包括网络入侵、恶意软件、泄露信息等。网络入侵可能会导致敏感数据泄露或服务中断，原因是未经授权访问进入系统。恶意软件，如病毒、木马及蠕虫病毒等可以通过网络传播来感染重点系统。未经授权的访问或内部人员的蓄意行为也可能威胁电力系统的数据机密性。

2.2 攻击手段与路径分析

攻击者使用各种各样的手段和路径渗透电力系统通信网络，其中网络扫描是常用手段。网络扫描可主动探测网络漏洞，从而对系统的拓扑结构和漏洞信息有较全面的了解[3]。拒绝服务攻击的目标是使目标系统无法提供正常服务，从而影响电力系统的运行；而中间人攻击通过截取并篡改网络通信，将威胁数据的完整性和机密性。

3 电力系统通信网络安全机制

3.1 认证与授权

在电力系统通信网络中，信息安全与防护机制的关键是建立有效的认证与授权机制。采用基于公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）的认证方案来确保通信的安全性。具体而言，认证数据包的生成采用哈希消息认证码（Hash-based Message Authentication Code，HMAC）算法，数学表达式为

式中：IDuser表示唯一标识符，用于识别通信中的各个参与方；T表示时间戳；t表示当前时间。通过这些机制，能够有效地验证通信方的身份，并授予相应的权限，从而保障电力系统通信网络的安全性与可靠性[4]。

3.2 加密与解密算法

为确保电力系统通信网络中敏感数据的保密性，选择先进的加密算法，其中以高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）为主。对称密钥加密算法广泛应用于数据传输的加密过程，AES 作为主要的对称密钥加密算法，其数学表达式为

式中：M表示明文；C表示密文；K表示密钥；E表示加密函数。该算法通过高效的数据加密和解密过程，为电力系统通信网络提供可靠的数据保护机制。

3.3 安全协议应用

在电力系统通信网络中，安全协议的应用至关重要，以确保通信的安全性和可靠性。其中，基于传输层安全协议（Transport Layer Security，TLS）的加密通信广泛应用于数据传输过程，保障通信内容的保密性和完整性。公钥加密、数字签名以及密钥交换等技术的结合，实现通信过程中的安全保护。此外，为防范中间人攻击和窃听等安全威胁，还采用身份验证协议，如基于令牌的访问控制和多因素身份验证等机制[5]。这些协议和机制确保通信中各个参与方的身份合法性与权限控制，有效提升电力系统通信网络的安全性。

3.4 网络入侵检测与防御

在电力系统通信网络中，网络入侵检测与防御是确保系统安全的重要环节。采用基于行为分析和特征检测的入侵检测系统，通过监控网络流量和系统日志，识别异常行为和潜在的攻击。这些方法包括但不限于基于签名的检测、异常行为分析及机器学习技术。另外，为加强对潜在威胁的防御，采用网络防火墙、入侵防御系统（Intrusion Prevention System，IPS）以及安全信息与事件管理（Security Information and Event Management，SIEM）等技术。这些技术不仅可以防止恶意流量的进入，还能及时响应并阻止正在进行的攻击，从而提升电力系统通信网络的安全性和稳定性。

4 防护机制的实施与优化

4.1 安全策略制定

基于风险评估的安全策略制定方法是电力系统通信网络安全的基础。安全策略的制定需要充分考虑网络的特性和潜在威胁，确保网络在面临不同威胁时能够灵活地做出反应，如制定访问控制策略、数据加密策略以及网络审计策略等，以确保整个系统形成有效的安全防线。

4.2 安全设备配置

安全设备的配置是电力系统通信网络中至关重要的一环，包括根据实际网络结构和威胁情况合理规划配置防火墙、入侵检测与防御系统以及反病毒软件等。针对装备的配置优化，注重根据实际需要进行细微粒度的访问控制，合理设置网络隔离和安全域，最大限度地减少攻击面[6]。通过对网络设备的精细配置，使遭受各种攻击的危险降低，从而提升网络的整体安全性。

4.3 网络监控与日志记录

引入高效的网络监控和日志记录机制，及时发现潜在威胁。通过对网络流量、设备状态及用户行为的实时监控，异常活动可以被迅速察觉。同时，针对重点事件、网络行为等建立详细记录日志制度，为后续安全分析排查工作提供有力支撑。通过合理设置监控规则和日志存储策略，网络管理人员可以更高效地进行网络维护和安全分析。网络监控和日志记录的优化是保障网络安全的关键手段。

4.4 攻击应对与应急响应

在电力系统通信网络中，防护机制的最后一道防线为攻击应对与应急响应。紧急应变小组已经成立，并制定包括攻击侦测、隔离受灾系统、快速修复漏洞等步骤在内的详细应急预案。通过对突发事件应急预案的定期演练，不断优化应对流程，确保网络运行在面临未知威胁的情况下能够快速恢复[7]。

5 结 论

对电力系统通信网络的信息安全与防护机制进行深入的研究后，提出一系列具有创新性的解决方案，不仅增强了电力系统的抗攻击能力，而且有效保证了电力系统运行的稳定性和可靠性。此外，在结合实际案例和数学模型的实际应用中，对安全机制所起到的实际效果进行有效的展示。