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国际大电网组织CIGRE(法语International Council for Large Electric Systems缩写)曾对历史上70次大停电原因进行统计,其中火灾、暴风雨等占比35%,一次设备故障占比29%,保护误动占比18%,其它故障包括人为错误占比18%。总体来看,网络安全或者通信设备故障导致大停电事故的情况较少。
网络安全事故
网络安全是利用网络的安全漏洞对电网进行攻击,最有名的电网网络安全事故有两起,一个是乌克兰电网黑客攻击事件,另一个是伊朗核电站震网(Stuxnet)事件。
乌克兰电网黑客攻击发生在2015年12月23日。乌克兰一个区域配电公司的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)信息采集和控制系统被黑客控制,导致7个110KV变电站和23个35KV变电站关闭,造成22.5万用户停电3小时。黑客对这次攻击进行了精心准备,在攻击前6个月就通过钓鱼邮件将蠕虫病毒软件植入乌克兰电力公司的IT办公系统,再通过仿造操作帐号和密码、结合VPN等进入电力运营网络获得电力系统控制权限,同时修改了一些PLC(Programmable Logic Control)可编程逻辑设备的编码阻止设备自动恢复,还攻击了电力电话系统,影响客户报障和电话通信,延缓运维人员获得事故信息手动恢复。
伊朗核电站震网事件发生在2006年至2010年。伊朗生产浓缩铀的离心机经常出现异常加速导致极高故障率,最终发现是遭遇了恶意软件攻击。由于伊朗核设施网络与互联网物理隔离,所以传统远程植入病毒方式无法攻击,目前推测是美国和以色列特工利用U盘植入病毒到控制系统电脑。情报专家利用了windows操作系统的2个漏洞和西门子核电站设备控制系统软件的7个漏洞编写了震网攻击软件,通过修改程序命令,让生产浓缩铀的离心机异常加速,超越设计极限导致离心机报废,而在运维告警系统中又一切显示正常,致使该软件攻击持续多年未被发现。
从上述事件可以看出,电网需要有严格的网络安全防护措施。否则就会被网络软件攻击带来电网安全问题。因此,电网标准组织发布了系列标准来保证电网安全和网络安全。
电网安全与网络安全相关标准
电网安全的标准主要有IEC 61508和IEC 61511,他们的目的是保障相关系统的安全运行以及其他降低风险的措施,如安全仪表系统、报警系统和基本过程控制系统。IEC 61508的名称是《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》,其目的是建立一个可应用于工业领域的基本功能安全标准。IEC 61511是过程工业领域安全仪表系统的功能安全标准,关注过程控制,涵盖整个安全生命周期中安全仪表系统的设计和管理要求。IEC 61508和IEC 61511对应中国的国标分别为GB/T 20438和GB/T 21109。
目前这两个标准对通信设备的要求有两种方式,一种是全部通信通道按照IEC 61508和IEC 61784-3或IEC 62280标准要求进行设计实现的,被称为“白色通道”。另一种是部分通信通道未按照IEC 61508要求进行设计或确认,被称为“黑色通道”。在这种情况下,需要在安全相关子系统或组件中实施必要措施。
通信设备在多数场景下属于“黑色通道”,需要与两端的设备一起保证功能安全。比如继电保护设备通过IEC 60834-1标准在通信报文上加时间戳、限制最大信息传输时间,以及应对通信误码、抖动、延时等采取相应可靠性处理措施。而IEC 62351标准定义了“电力系统管理和相关信息交换 - 数据和通信安全”,并考虑智能电网的通信安全,包括安全访问控制、密钥管理和安全体系结构。通过对通信报文进行加密,可以规避通信设备从中间截获报文,即使通信设备被网络攻击,两端的设备在应用层仍能保障通信控制信息不会被篡改,从而保障电网安全。
多种通信技术保障电网安全
目前通信技术在电网应用中与安全相关的主要有继电保护(Teleprotection)、电网SCADA信息采集和控制系统、数字电表AMI(Advanced Metering Infrastructure)等。
过去输电系统使用较多的是SDH传输设备,通过满足IEC 61850要求的各种接口如C37.94、E1、X.21、RS232/485等与继电保护装置相连,中间对相关的信号进行透传。随着数据量的增大,现在越来越多地使用波分设备,即在同一根光纤里传输多个波长,能够传送更多的数据,这些原则上都属于管道设备,即按照OSI协议分层原理,设备只能做管道交换,将数据流送到不同的接口。设备没有处理器去识别和终截管道中的数据,不具有数据处理能力,即使设备被黑客攻击,也无法修改数据内容或者植入命令,操控远端设备带来安全隐患,因此这些通信管道的网络安全影响相对要低。
随着大量视频监控的应用以及多业务融合通信的部署,IP设备的应用越来越多,而IP设备据有一定的数据报文处理能力,同时也会带来报文的乱序、丢包、时延不一致等问题,因此安全标准也根据IP特点不断改进和提升。不管是用传输还是IP,两端设备都会基于不可信的“黑色管道”在其上构建通信层和应用层的安全保护机制来保障网络安全。
在配电网络,也有用PON(Passive Optical Network)设备通过手拉手保护来实现主机与远端模块RTU(Remote Terminal Unit)的通信。在没有光纤或者部署光纤困难的情况下,可以采用微波或者eLTE无线方式进行通信。微波适合长距离点对点的传输,而eLTE更适合点对多点或者构建一个局域网络通信系统。
继电保护和SCADA的数据传输遵循IEC 60870通信标准,通过部署工业网关实现访问控制、数据加密、入侵检测等防护功能,并通过制定白名单策略,对传输数据进行过滤与管控,阻止互联网非法访问和恶意攻击,防止数据在传输过程中被恶意篡改、破坏或窃取。
在AMI数字电表中,涉及电表数据的防篡改和用户隐私的保护,目前的通信技术有基于电力载波PLC-IoT的有线通信和基于eLTE-IoT的无线通信等。数据传输和管理遵循IEC 62056通信标准,通过采用互联网安全协议(IPSec)、安全套接字层(SSL)、虚拟专网(VPN)、安全外壳(SSH)等安全协议,保障数据传输的安全。
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