CN106656610A - 电力信息系统安全性测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能电网技术领域，公开了一种电力信息系统安全性测试系统及方法。该电力信息系统安全性测试系统包括：N个控制台、电力系统仿真机以及报警装置；其中，N为正整数；各控制台均通信连接于电力系统仿真机，电力系统仿真机通信连接于报警装置；控制台用于运行操作权限保护算法，并在操作权限保护算法被攻破时向电力系统仿真机发送操作指令；电力系统仿真机用于运行电力系统的仿真模型，并用于通过仿真模型执行操作指令，并在操作指令被执行之后触发报警装置进行报警。采用本发明实施方式使得电力系统中的信息事件与物理信息得到融合，从而为电力信息系统的安全性测试提供了测试平台，有利于促进电力信息系统安全技术的研发。

Description

电力信息系统安全性测试系统及方法
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，特别涉及一种电力信息系统安全性测试系统及方法。
背景技术
作为现代社会的关键性基础设施，电力系统是网络攻击的高价值目标。科研人员将信息安全领域的访问控制、认证加密和入侵检测等技术手段与电力生产流程相结合，研究电力系统的信息安全防护实现方式。在数字化和智能化发展过程中，电力系统逐渐发展成为由信息系统和物理系统融合构成的信息物理系统(cyber physical system，CPS)。电力信息物理混合系统(Grid cyber physical system，GCPS)中，电网的调度控制和生产管理高度依赖于信息系统，发生信息安全事件可能引发严重后果。
发明人在实现本发明的过程中发现：对于电力系统的安全攻防问题，现有的电力系统仿真平台难以满足要求，原因如下：
(1)传统电力系统仿真平台的信息系统是被动地匹配物理系统，不方便实现电力攻防信息物理相互影响的互联系统。
(2)传统的电力系统仿真平台难以满足电力攻防对抗靶场信息物理混合的问题。
(3)在新能源电场攻防对抗靶场平台中，离散的计算过程与连续的物理信息过程并存在系统之中，物理信息混合仿真过程往往由许多并行/并发的物理活动或信息事件组成，计算过程与信息物理过程的融合使得系统行为与状态具有更鲜明的时空性和动态非确定性，而现有的电力系统仿真平台难以刻画二者的融合特征。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种电力信息系统安全性测试系统及方法，使得电力系统中的信息事件与物理信息得到融合，从而为电力信息系统的安全性测试提供了测试平台，有利于促进电力信息系统安全技术的研发。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电力信息系统安全性测试系统，包括：N个控制台、电力系统仿真机以及报警装置；其中，所述N为正整数；各所述控制台均通信连接于所述电力系统仿真机，所述电力系统仿真机通信连接于所述报警装置；所述控制台用于运行操作权限保护算法，并在所述操作权限保护算法被攻破时向所述电力系统仿真机发送操作指令；所述电力系统仿真机用于运行电力系统的仿真模型，并用于通过所述仿真模型执行所述操作指令，并在所述操作指令被执行之后触发所述报警装置进行报警。
本发明的实施方式还提供了一种电力信息系统安全性测试方法，包括：N个控制台运行操作权限保护算法，并在所述操作权限保护算法被攻破时，向电力系统仿真机发送操作指令；其中，所述N为正整数；所述电力系统仿真机运行电力系统的仿真模型，并通过所述仿真模型执行来自所述控制台的操作指令，且在所述操作指令被执行之后触发报警装置进行报警。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过将控制台、电力系统仿真机和报警装置连接形成电力信息物理混合测试平台，并且在控制台中运行操作权限保护算法，在操作权限保护算法被攻破时由控制台向电力系统仿真机发送操作指令，该操作指令可以为各种攻击电力系统的指令，通过仿真模型执行该操作指令，并在操作指令执行完成之后由电力系统仿真机触发报警装置进行报警，从而可以进行电力信息混合系统的安全性测试与故障诊断，有利于促进电力信息物理系统的安全性技术的研发，具有广阔的应用前景。
另外，所述仿真模型包括：N个新能源电场群、N个继电保护装置、若干个柔性直流输电装置以及若干个电网；各所述电网之间通过所述柔性直流输电装置连接；各所述新能源电场群分别通过对应的继电保护装置并联于所述电网；其中，各控制台发送的操作指令分别通过对应的继电保护装置控制所述新能源电场群，且所述新能源电场群与所述报警装置一一对应。当控制台为多个时，可以在该系统中同时运行不同的操作权限保护算法，从而便于评估操作权限保护算法的性能差异。
另外，所述操作指令包括：新能源电场群切断指令；所述控制台用于向所述电力系统仿真机中对应的继电保护装置发送所述新能源电场群切断指令；所述继电保护装置用于执行所述新能源电场群切断指令；所述电力系统仿真机用于在新能源电场群被切断时触发与切断的所述新能源电场群对应的报警装置进行报警。从而便于仿真、验证接入有新能源电场的电网的安全性问题。
另外，所述操作指令包括：网络干扰指令，所述网络干扰指令用于对所述电力系统中的网络进行干扰；所述控制台用于向所述电力系统仿真机发送所述网络干扰指令；所述电力系统仿真机用于通过所述仿真模型运行所述网络干扰指令，并触发报警装置进行报警。从而便于仿真系统的网络安全性问题。
另外，所述电力信息系统安全性测试系统还包括与所述电力系统仿真机通信连接的上位机；所述上位机用于生成运行于所述电力系统仿真机中的仿真模型。
另外，所述上位机还用于监控所述电力系统仿真机。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式电力信息系统安全性测试系统的结构示意图；
图2是根据本发明第二实施方式电力信息系统安全性测试方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种电力信息系统安全性测试系统。其结构如图1所示。该电力信息系统安全性测试系统包括：N个控制台、上位机、电力系统仿真机以及N个报警装置。各控制台均通信连接于电力系统仿真机，电力系统仿真机通信连接于各报警装置，上位机亦通信连接于电力系统仿真机。
其中，控制台通过高速接口与电力系统仿真机通信连接，该高速接口可兼容IEC61850、TCP/IP等多种通讯协议。IEC61850是电力系统自动化领域的通用通信标准。控制台用于运行监控软件，从而实时监测电力系统运行状态，并控制电力系统中的相应装置。本实施方式中，控制台用于运行操作权限保护算法，操作权限保护算法用于保障控制台的操作权限的合法性。操作权限保护算法可以采用各种访问控制、认证加密以及入侵检测等的技术手段实现。控制台用于在操作权限保护算法被攻破时向电力系统仿真机发送操作指令。操作指令可以是针对电力系统的各种攻击指令。由于控制台通常不会主动攻击电力系统，所以当控制台发出操作指令时，即表明控制台被成功攻破。
上位机用于生成运行于电力系统仿真机中的仿真模型。上位机可以通过高速以太网连接于电力系统仿真机。可以在上位机中通过一些常用建模软件搭建仿真模型。在一个例子中，搭建的仿真模型可以包括：N个新能源电场群、N个继电保护装置、若干个柔性直流输电装置、若干个电网以及其他电力设备。其中，各电网之间通过柔性直流输电装置连接，各新能源电场群分别通过对应的继电保护装置并联于电网。其中，各控制台发送的操作指令分别通过对应的继电保护装置控制新能源电场群，且新能源电场群与报警装置一一对应。由于新能源(例如风能、太阳能)等在能源开发以及利用中扮演越来越重要的角色，所以一旦新能源电场群被攻击时，会对整个电网造成较大的影响。
电力系统仿真机用于运行电力系统的仿真模型，并用于通过仿真模型执行来自控制台的操作指令，并在操作指令被执行之后触发报警装置进行报警。
在一个例子中，电力系统仿真机还连接有显示装置。显示装置例如包括：两个大型的显示屏和一台显示服务器，显示服务器通过高速接口与电力系统仿真机连接，通过两个大型显示屏可以通过显示界面实时显示仿真模型的运行状态，例如显示新能源电场群的电压、电流状态以及整个电网的电压、电流状态等。
在一个例子中，报警装置包括：报警控制器以及声光报警器，其中报警控制器用于控制声光报警器，举例而言，报警控制器可以通过内置的继电器以及外围电路控制声光报警器发出声音或者报警光等。报警控制器也可以通过高速接口与电力系统仿真机相连，并可以兼容IEC61850、TCP/IP等多种通讯协议。
在实际应用中，控制台可以为多个，且控制台、仿真模型中的新能源电场群、继电保护装置以及报警装置的个数可以一一对应，即，控制台可以控制对应的继电保护装置，通过该继电保护装置控制对应的新能源电场群，而新能源电场群的状态改变则可以触发对应的报警装置进行报警，从而便于进行安全性评估。例如，可以在各控制台中运行不同的操作权限保护算法，当各控制台被同一方式攻击时，则先报警的报警装置可以指示最先被攻破的控制台，从而可以十分方便地评估不同的操作权限保护算法的性能差异。本实施方式对于N的取值不做限制。
在一个例子中，操作指令可以为新能源电场群切断指令。当操作权限保护算法被攻破时，控制台用于向电力系统仿真机中对应的继电保护装置发送新能源电场群切断指令，继电保护装置用于执行新能源电场群切断指令，并切断继电保护装置对应的新能源电场群，电力系统仿真机用于在新能源电场群被切断时触发与切断的新能源电场群对应的报警装置进行报警。
下面通过举例对本实施方式电力信息系统安全性测试系统的工作流程进行说明。各控制台中分别安装监控软件，监控软件采用操作权限保护算法以对监控软件的操作权限进行保护，操作权限保护例如采用特殊密码保护。当攻击者(黑客)获得了某一控制台的操作权限并通过其他方式获得该特殊密码后，就可以运行该控制台中的监控软件，输入该特殊密码，从而获得对应新能源电场群的控制权限。当攻击者意图切断新能源电场群时，电力系统仿真机运行的仿真模型中，就可以通过与控制台对应的继电保护装置切断对应的新能源电场群，当新能源电场群被切断时，电力系统仿真机则可以触发对应的报警装置进行报警。此时，新能源电场群的电压、电流状态立刻变为零，并造成整个电网的电压、电流波动。还可以将被切断的新能源电场群变为红色，从而可以一目了然观察到新能源电场群的状态。在一个例子中，不同的声光报警器可以发出不同的报警声音或者报警光，从而便于判断报警位置及报警原因。
采用本实施方式的电力信息系统安全性测试系统，通过将控制台、电力系统仿真机以及报警装置进行连接形成适用于新能源等的电场攻防安全测试平台，从而为仿真分析电场安全性问题提供了基础。同时通过在控制台中运行操作权限保护算法，并在操作权限保护算法被攻破时通过控制台向电力系统仿真机发送操作指令，由电力系统仿真机中的仿真模型执行该操作指令，并在操作指令执行完成之后自动触发报警装置进行报警。由于控制台不会主动发送电力系统的攻击指令，所以当操作指令被执行时，即可以认为控制台的保护措施被攻破，电力系统存在安全漏洞。因此，本实施方式有利于对现有安全问题进行诊断，还可以对未来新能源电力系统的安全状态进行仿真和预测，加速电力系统信息物理安全领域的科研和产品研发，具有广阔的应用前景。
本发明的第二实施方式涉及一种电力信息系统安全性测试系统。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，操作指令为新能源电场群切断指令，而在本发明第二实施方式中，操作指令为网络干扰指令。
其中，电力信息系统为一种复杂的离散信息事件与连续物理活动的交融信息系统，当系统中的通信出现异常时，会直接影响到电力系统中的物理活动造成故障报警，因此，电力信息系统中的网络安全至关重要。因此，本实施方式的电力信息系统安全性测试系统还可以作为网络安全测试的攻防对抗仿真平台。具体而言，当控制台中的权限保护算法被攻破时，控制台发送的操作指令为网络干扰指令，该网络干扰指令用于对电力系统中的网络进行干扰。电力系统仿真机用于通过仿真模型运行该网络干扰指令，并触发报警装置进行报警。
采用本实施方式的电力信息系统安全性测试系统，通过融合信息事件和物理活动，可以对网络物理故障和安全、网络信息安全等一系列大规模复杂模型的电力系统安全问题实现有效的仿真模拟与验证试验。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本发明第三实施方式涉及一种电力信息系统安全性测试方法，其流程如图2所示。本实施方式的电力信息系统安全性测试方法包括：
步骤201：N个控制台运行操作权限保护算法，并在操作权限保护算法被攻破时，向电力系统仿真机发送操作指令。其中，N为正整数，本实施方式对N的具体取值不做限制。
步骤202：电力系统仿真机运行电力系统的仿真模型，并通过仿真模型执行来自控制台的操作指令，且在操作指令被执行之后触发报警装置进行报警。
其中，仿真模型包括：N个新能源电场群、N个继电保护装置、若干个柔性直流输电装置以及若干个电网，各电网之间通过柔性直流输电装置连接。各新能源电场群分别通过对应的继电保护装置并联于电网。其中，各控制台发送的操作指令分别通过对应的继电保护装置控制新能源电场群，且新能源电场群与报警装置一一对应。
在一个例子中，操作指令为新能源电场群切断指令。步骤201中，控制台向电力系统仿真机中对应的继电保护装置发送新能源电场群切断指令。步骤202中，继电保护装置执行新能源电场群切断指令，电力系统仿真机在新能源电场群被切断时触发与切断的新能源电场群对应的报警装置进行报警。
在另一个例子中，操作指令还可以为网络干扰指令。其中，网络干扰指令用于对电力系统中的网络进行干扰。步骤201中，控制台向电力系统仿真机发送网络干扰指令，步骤202中，电力系统仿真机通过仿真模型运行网络干扰指令，并触发报警装置进行报警。
采用本实施方式的电力信息系统安全性测试方法，通过在控制台中运行操作权限保护算法，并在操作权限保护算法被攻破时通过控制台向电力系统仿真机发送操作指令，由电力系统仿真机中的仿真模型执行该操作指令，并在操作指令执行完成之后自动触发报警装置进行报警。由于控制台不会主动发送电力系统的攻击指令，所以当操作指令被执行时，即可以认为控制台的保护措施被攻破，电力系统存在安全漏洞。因此，本实施方式有利于对现有安全问题进行诊断，还可以对未来新能源电力系统的安全状态进行仿真和预测，加速电力系统信息物理安全领域的科研和产品研发，具有广阔的应用前景。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电力信息系统安全性测试系统，其特征在于，包括：N个控制台、电力系统仿真机以及报警装置；其中，所述N为正整数；
各所述控制台均通信连接于所述电力系统仿真机，所述电力系统仿真机通信连接于所述报警装置；
所述控制台用于运行操作权限保护算法，并在所述操作权限保护算法被攻破时向所述电力系统仿真机发送操作指令；
所述电力系统仿真机用于运行电力系统的仿真模型，并用于通过所述仿真模型执行所述操作指令，并在所述操作指令被执行之后触发所述报警装置进行报警。
2.根据权利要求1所述的电力信息系统安全性测试系统，其特征在于，所述仿真模型包括：N个新能源电场群、N个继电保护装置、若干个柔性直流输电装置以及若干个电网；
各所述电网之间通过所述柔性直流输电装置连接；
各所述新能源电场群分别通过对应的继电保护装置并联于所述电网；
其中，各控制台发送的操作指令分别通过对应的继电保护装置控制所述新能源电场群，且所述新能源电场群与所述报警装置一一对应。
3.根据权利要求2所述的电力信息系统安全性测试系统，其特征在于，所述操作指令包括：新能源电场群切断指令；
所述控制台用于向所述电力系统仿真机中对应的继电保护装置发送所述新能源电场群切断指令；
所述继电保护装置用于执行所述新能源电场群切断指令；
所述电力系统仿真机用于在新能源电场群被切断时触发与切断的所述新能源电场群对应的报警装置进行报警。
4.根据权利要求1所述的电力信息系统安全性测试系统，其特征在于，所述操作指令包括：网络干扰指令，所述网络干扰指令用于对所述电力系统中的网络进行干扰；
所述控制台用于向所述电力系统仿真机发送所述网络干扰指令；
所述电力系统仿真机用于通过所述仿真模型运行所述网络干扰指令，并触发报警装置进行报警。
5.根据权利要求1所述的电力信息系统安全性测试系统，其特征在于，所述电力信息系统安全性测试系统还包括与所述电力系统仿真机通信连接的上位机；
所述上位机用于生成运行于所述电力系统仿真机中的仿真模型。
6.根据权利要求5所述的电力信息系统安全性测试系统，其特征在于，所述上位机还用于监控所述电力系统仿真机。
7.一种电力信息系统安全性测试方法，其特征在于，包括：
N个控制台运行操作权限保护算法，并在所述操作权限保护算法被攻破时，向电力系统仿真机发送操作指令；其中，所述N为正整数；
所述电力系统仿真机运行电力系统的仿真模型，并通过所述仿真模型执行来自所述控制台的操作指令，且在所述操作指令被执行之后触发报警装置进行报警。
8.根据权利要求7所述的电力信息系统安全性测试方法，其特征在于，
所述仿真模型包括：N个新能源电场群、N个继电保护装置、若干个柔性直流输电装置以及若干个电网；
各所述电网之间通过所述柔性直流输电装置连接；
各所述新能源电场群分别通过对应的继电保护装置并联于所述电网；
其中，各控制台发送的操作指令分别通过对应的继电保护装置控制所述新能源电场群；且所述新能源电场群与所述报警装置一一对应。
9.根据权利要求8所述的电力信息系统安全性测试方法，其特征在于，
所述操作指令包括：新能源电场群切断指令；
所述控制台向所述电力系统仿真机中对应的所述继电保护装置发送所述新能源电场群切断指令；
所述继电保护装置执行所述新能源电场群切断指令；
所述电力系统仿真机在新能源电场群被切断时触发与切断的所述新能源电场群对应的报警装置进行报警。
10.根据权利要求7所述的电力信息系统安全性测试方法，其特征在于，
所述操作指令包括：网络干扰指令，所述网络干扰指令用于对所述电力系统中的网络进行干扰；
所述控制台向所述电力系统仿真机发送所述网络干扰指令；
所述电力系统仿真机通过所述仿真模型运行所述网络干扰指令，并触发报警装置进行报警。
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