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在电力系统日常运行中,SCADA/EMS/WAMS等可实现广域信息实时感知(RTU/PMU)、信息传输(电力载波/光纤网、各种规约形式)、信息处理(坏数据辨识/状态估计)、信息决策(潮流分析/安全分析/优化计算)、闭环控制(AGC/AVC)等多项功能,从空间上覆盖上千千米,从时间上涵盖毫秒到小时级,从目标上兼顾安全、优质和经济等多种要求。可以说,现代电力系统的正常运行无时无刻不依赖于一个可靠的信息系统,是一个典型的信息-能量融合系统(国内专家也将其定义为信息能源系统)。正因如此,信息系统的失效也将显著影响物理电网。当信息故障发生时,如信息传输发生中断或延时或被恶意修改,很可能诱使信息系统作出错误的决策甚至直接失效,从而影响电网的运行状态。值得注意的是,恶意的信息攻击文件可通过四通八达的信息网络进行快速而广泛地复制与扩散,这又进一步提升了信息攻击的作用范围与影响。信息故障影响电力系统运行的示意图如图2所示。
图2信息故障影响电力系统运行的示意图
据SANSICS小组对本次事故的报告,外部电脑病毒被植入乌克兰电网公司的EMS后,使底层发电机或变电站的控制服务器关机,丧失对相应物理设备的感知与控制能力(theutilitybegantodisconnectpowersubstationsfornoapparentreason),从而导致部分设备运行中断。此外,病毒利用通信网络进行了大范围的传播和感染,这使得乌克兰电网公司失去了与底层多个发电站及变电站的通信联系,从而进一步丧失了对电网的实时感知与控制能力,无法进行正确决策,进而引发大范围停电。事故发生后,乌克兰电网公司被迫停止EMS,启动人工控制以恢复供电。截至当前,即使供电已经恢复,原有的EMS/SCADA系统的部分功能因被病毒攻击依然长时间处于离线状态,本次网络攻击的影响仍在持续。
3信息能源系统的薄弱环节评估
本次的乌克兰大停电事故中,恶意信息攻击使得电力信息系统部分环节失效(控制服务器关机),从而影响物理电网的运行,造成了区域性大停电的严重后果。目前关于事件的详细报道和分析尚不多见,因此还难以判断很多内部技术细节。从最终效果来看,此次事故毫无疑问造成了重大的经济与社会影响,攻击者也达到了预期目标。然而值得注意的是,这是一次“简单粗暴”的攻击,使用的BlackEnergy恶意软件也并非为电力系统量身打造的“定制版”,攻击者是通过大面积、无差别的攻击电力信息网络中的相关设备,使其强制关机,从而影响系统安全运行。
这让笔者联想起《笑傲江湖》一书中令狐冲在破庙外奋起一剑,刺瞎十五名高手的眼睛,正类似于通过攻击“信息采集系统”最终迫使这些高手退出“物理运行”。但此时令狐冲处于剑法尚未大成的境界,随着情节进展,会逐渐修炼到专门看穿别人招数中的破绽,然后一招制胜,完美攻击。同样令人担忧的是,未来能源系统所面对的恶意攻击者会不会也通过“修炼”来使得攻击日益“完美”。相比于此次事故中的“无差别攻击”,这类直奔“命门”而去的信息攻击虽然难度更大、代价较高,但是其目的明确、攻击手段隐蔽、识别难度大,且攻击者可根据自身需求针对性地影响系统运行状态,对未来能源系统的影响更为恶劣,因而更值得大家关注。
事实上,已有研究表明,当攻击者具备一定电力系统知识时,可制定精确的攻击策略,通过针对性的坏数据注入和权限获取,能够在无法被控制中心辨识的条件下影响电力系统的运行或使自己获得不正当利益。例如,针对状态估计(stateestimation)应用,攻击者可通过修正部分量测信号,影响控制中心状态估计结果(如开关状态、量测状态、系统拓扑辨识出错),进而导致系统决策错误。又如,电力市场环境下,攻击者可通过恶意信息注入影响系统的边际电价决策结果,提升自身收益。
这次事故敲响了恶意信息攻击可以诱发电网运行风险的警钟。而实际电网运行时,信息系统除受到恶意攻击外,还可能频繁面临由于无意错误(如工作人员失误)导致的功能失效,这种信息环节的功能失效同样会诱发物理环节的运行风险。2003年美加“8•14”大停电是一个最典型的示例。其发生的一个重要原因是EMS中的状态估计功能退出运行,调度人员失去了对电网实时状态的感知能力,未能及时发现、评估和遏制故障蔓延。
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一图读懂丨电力市场运行基本规则
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