CN109345151A - 一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，包括变电站通信网络拓扑分析、变电站数据传输路径分析、变电站通信网络攻击图构建和变电站节点综合风险评估四个过程。本发明在变电站电力信息物理系统环境下，建立攻击图，针对不同的入侵路径，分析变电站信息网络遭受攻击的可能性，从而能够对变电站信息物理网络中的数据传输路径的风险进行评估。

Description

一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统信息物理系统领域，具体涉及一种面向电力信息物理系统的变电 站综合风险评估方法。

背景技术

随着通信和信息技术的广泛深入应用，现代电力系统已经发展为由物理电力系统和通 信信息系统构成的复杂耦合网络系统。已有的研究表明，无论是电力系统本身，还是通信 系统中的部件发生故障或是被攻击，都可能导致整个耦合网络的瘫痪。如2003年发生的 意大利大停电，其重要诱因为通信系统故障导致网络通信阻塞、预警系统失灵，进而引发 耦合网络连锁故障。要提高耦合系统的控制性能和稳定性，消除连锁故障隐患，就必须能 够全面、准确地理解耦合系统的动态行为特性，以及其中关联故障发生和发展的机理。2007 年华东电网“11.28”事故的主要原因是通信的信号劣化和误码过高，导致保护装置连续 收到紊乱的通信数据，造成保护误动。在国外，通信的过长延时，使得系统事先设定的解列措施无法及时实施，造成美国西海岸1982年12.22事故(12，350MW负荷停电，超过 五百万人受到影响)。

信息系统在电力CPS中扮演着越来越重要的角色，其强大功能保障了电网的正常、有效运行，但同时信息系统的自身故障和网络攻击所引发的后果也将更加严重。因此，考虑信息系统与电为系统的深度耦合与交互，完成信息物理融合系统的建模、安全和风险评估，对电力系统的安全可靠运行和未来电力CPS的建设与发展都有着重要的指导。

电力CPS的脆弱性来自两个方面，一是信息系统自身的缺陷在受到攻击等状况下产 生的故障，二是信息系统与电力一次系统间复杂的賴合依赖关系所引起的故障跨空间传 播。这种由电为CPS复杂的系统结构和耦合关系产生的固有缺陷具有极强的隐蔽性，并且将新的安全隐患引入了电力系统之中。现有面向电力CPS安全评估的分析模型己经有 在考虑信息系统与电力系统之间的这种复杂的关联关系。

综上所述，对于电为CPS的分析和评估，现有的研究存在割裂的看待信息系统与电力系统的问题，且研究重点仍然集中在传统电力系统所关注的问题上，对于信息系统故障及其跨空间传播缺乏全面的考虑。

发明内容

本发明提供一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其目的是在变电 站电力信息物理系统环境下，建立攻击图，针对不同的入侵路径，分析变电站信息网络遭 受攻击的可能性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，包括变电站通 信网络拓扑分析、变电站数据传输路径分析、变电站通信网络攻击图构建和变电站节点综 合风险评估；

1)变电站通信网络拓扑分析：基于IEC61850标准变电站的“三层两网”结构，对变电站按照业务控制的主从关系进行结构拓扑分析，用于针对变电站信息设备进行层次划分、功能分析，构建各类一次设备和智能组件的连接拓扑图；

2)变电站数据传输路径分析：在1)的基础上，通过多播机制的点对点通信服务.分析采样信号SV报文和事件信号G00SE报文的传输路径，用于分析信息流向，并辅助构建 攻击图；

3)变电站通信网络攻击图构建：基于1)和2)的结果，生成攻击图，用于分析入侵数据在变电站信息设备中的传播路径及对物理层系统的影响；

4)变电站节点综合风险评估：利用3)攻击图中节点的灵敏度因子，分析变电站数据传输路径应对外界网络攻击的灵敏度，从而评估变电站整体的数据传输风险。

上述1)的具体方法是，将变电站信息设备层节点分为变电站过程层、间隔层和站控 层节点，其中过程层节点功能包括合并单元和智能终端，间隔层节点功能包括保护测控和 故障滤波等控制装置，站控层节点功能包括信息计量、保护、监视控制与自动控制等业务。

上述2)的具体方法是，根据在智能变电站中，合并单元采样信号以SAV报文的形式传播，保护控制装置数据的传输以GOOSE报文的形式进行。它们都不是一对一的传输，而 是采用＂发布者/巧阅者＂的模式多播方式进行传输，因此通过层级间的多播对象分析， 能够得到信息系统的数据传输路径。

上述3)构建攻击图的具体方法是，基于变电站信息设备与基于多播方式的数据传递 配置方案，以电力物理层运行故障为目标，建立4层攻击图模型G＝<N,E,S>，其中N表示所 有节点的集合，E表示所有有向线路的集合,S表示节点对外界接触的灵敏度；包括：

L1：过程层信息设备，包括合并单元、智能断路器；

L2：间隔层信息设备，包括保护与控制装置，故障录波器；

L3：站控层信息业务类别，包括信息计量、保护功能、监视与控制、自动控制；

L4：物理层系统故障，包括各类一次系统故障。

所述变电站通信网络攻击图构建中，从底层L1到上层L4，节点特征分别为信息设备故障、信息业务失效和电力系统扰动三类，攻击图节点代表系统的状态，边代表由外来故障行为引起的状态转换，被执行后将会引起全局状态的变迁，攻击图包含所有攻击过程的攻击路径，只包含与攻击过程有关的状态，反映所有的攻击轨迹。

所述变电站节点灵敏度的计算，基于攻击图针对节点的外在可达程度进行分析：

其中d_in(i)和d_out(i)表示节点i的入度和出度,T_in(i)和T_out(i)该节点底层L1和上层L4的 线路数量，因此S_i表示节点的灵敏度。

所述的变电站数据传输路径灵敏度为路径上各节点的灵敏度之积：

M_a＝∏_i∈aS_i

其中a表示某条攻击路径，攻击路径的灵敏度体现了该路径遭受外来信息层攻击并最 终影响到物理层功能的可能性，从而能够对变电站信息物理网络中的数据传输路径的风险 进行评估。

本发明的优点及效果：针对现有技术存在割裂的看待信息系统与电力系统的问题，且 研究重点仍然集中在传统电力系统所关注的问题上，对于信息系统故障及其跨空间传播缺 乏全面的考虑。本发明在变电站电力信息物理系统环境下，建立攻击图，针对不同的入侵 路径，分析变电站信息网络遭受攻击的可能性。

附图说明

图1是本发明网络攻击流程示意图；

图2是本发明实施例中变电站通信网络的架构图；

图3是本发明实施例中攻击图结构；

图4是本发明实施例中攻击图节点灵敏度计算值；

图5是本发明实施例中攻击路径及其灵敏度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中 的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，首先在变电 站电力信息物理系统环境下，分析网络攻击在信息层与物理层中的跨空间传播过程，如图 1所示，网络攻击通过信息设备故障使相应信息业务失效，从而导致电力物理系统的扰动 与故障。

依据层次分析法，对变电站信息设备功能进行划分，如图2所示，其中A1-A7属于变电站过程层节点，是攻击图的最底层；B1-B5属于变电站间隔层节点，是攻击图的第二层。第3层L3是变电站业务，包括信息计量、保护功能、监控、自动控制等功能。此外，三 层信息网络与第4层L4物理层电力系统相连。

进一步的，本发明实施例中，如图3所示，基于变电站通信网络结构图，可以生成相应的攻击图分析方法，步骤分别为，首先构建节点和有向边集合，建立4层攻击图模型， 包括：

L1：过程层信息设备(A1-A7)，包括合并单元、智能断路器；

L2：间隔层信息设备(B1-B5)，包括保护与控制装置，故障录波器；

L3：站控层信息业务类别(C1-C4)，包括信息计量、保护功能、监视与控制、自 动控制；

L4：物理层系统故障(D1)，包括各类一次系统故障。

进一步的，本发明实施例中，如图4所示，根据灵敏度计算公式：

计算各节点的灵敏度，其中，C3灵敏度最高，A1、A3、A6、A7灵敏度最低。基于 此，计算所有攻击路径的灵敏度。如图5所示，在攻击深度为4的攻击路径中，<A2 B2 C3 D1>和<A4B2 C3 D1>两条路径灵敏度最高，为0.34，代表这两条路径遭受攻击的风险性 最高。<A3 B3C1 D1>路径的灵敏度最低，为0.01，代表这两条路径的风险性最低。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产 品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程 序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图 和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流 程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方 式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装 置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个 方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机 或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他 可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个 方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管 参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可 以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修 改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，包括变电站通信网络拓扑分析、变电站数据传输路径分析、变电站通信网络攻击图构建和变电站节点综合风险评估；

1)变电站通信网络拓扑分析：基于IEC61850标准变电站的“三层两网”结构，对变电站按照业务控制的主从关系进行结构拓扑分析，用于针对变电站信息设备进行层次划分、功能分析，构建各类一次设备和智能组件的连接拓扑图；

2)变电站数据传输路径分析：在1)的基础上，通过多播机制的点对点通信服务.分析采样信号SV报文和事件信号G00SE报文的传输路径，用于分析信息流向，并辅助构建攻击图；

3)变电站通信网络攻击图构建：基于1)和2)的结果，生成攻击图，用于分析入侵数据在变电站信息设备中的传播路径及对物理层系统的影响；

4)变电站节点综合风险评估：利用3)攻击图中节点的灵敏度因子，分析变电站数据传输路径应对外界网络攻击的灵敏度，从而评估变电站整体的数据传输风险。

2.根据权利要求1所述的面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，所述1)的具体方法是，将变电站信息设备层节点分为变电站过程层、间隔层和站控层节点，其中过程层节点功能包括合并单元和智能终端，间隔层节点功能包括保护测控和故障滤波控制装置，站控层节点功能包括信息计量、保护、监视控制与自动控制业务。

3.根据权利要求1所述的面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，所述2)的具体方法是，根据在智能变电站中，合并单元采样信号以SAV报文的形式传播，保护控制装置数据的传输以GOOSE报文的形式进行。它们都不是一对一的传输，而是采用＂发布者/巧阅者＂的模式多播方式进行传输，因此通过层级间的多播对象分析，能够得到信息系统的数据传输路径。

4.根据权利要求1所述的面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，所述3)构建攻击图的具体方法是，基于变电站信息设备与基于多播方式的数据传递配置方案，以电力物理层运行故障为目标，建立4层攻击图模型G＝<N,E,S>，其中N表示所有节点的集合，E表示所有有向线路的集合,S表示节点对外界接触的灵敏度；包括：

L1：过程层信息设备，包括合并单元、智能断路器；

L2：间隔层信息设备，包括保护与控制装置，故障录波器；

L3：站控层信息业务类别，包括信息计量、保护功能、监视与控制、自动控制；

L4：物理层系统故障，包括各类一次系统故障。

5.根据权利要求4所述的面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，所述变电站通信网络攻击图构建中，从底层L1到上层L4，节点特征分别为信息设备故障、信息业务失效和电力系统扰动三类，攻击图节点代表系统的状态，边代表由外来故障行为引起的状态转换，被执行后将会引起全局状态的变迁，攻击图包含所有攻击过程的攻击路径，只包含与攻击过程有关的状态，反映所有的攻击轨迹。

6.根据权利要求4或5所述的面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，所述变电站节点灵敏度的计算，基于攻击图针对节点的外在可达程度进行分析：

其中d_in(i)和d_out(i)表示节点i的入度和出度,T_in(i)和T_out(i)该节点底层L1和上层L4的线路数量，因此S_i表示节点的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的面向电力信息物理系统的变电站综合风险评估方法，其特征在于，所述的变电站数据传输路径灵敏度为路径上各节点的灵敏度之积：

M_a＝∏_i∈aS_i

其中a表示某条攻击路径，攻击路径的灵敏度体现了该路径遭受外来信息层攻击并最终影响到物理层功能的可能性，从而能够对变电站信息物理网络中的数据传输路径的风险进行评估。