電力二次系統(tǒng)安全風險評估

電力二次系統(tǒng)安全風險評估電氣工程學術語01背景介紹二次系統(tǒng)風險評估模型和方法結論與展望二次系統(tǒng)風險來源二次系統(tǒng)風險評估面臨的問題與挑戰(zhàn)目錄03050204基本信息電力二次系統(tǒng)的安全評估是對電力網(wǎng)絡拓撲結構、重要服務器的位置、帶寬、協(xié)議、硬件、業(yè)務系統(tǒng)的網(wǎng)絡邊界接口、業(yè)務系統(tǒng)的配置、已采用安全設備的策略配置等進行全面的安全分析，并提出安全風險分析報告和改進建議書。通過風險評估可以了解電力二次系統(tǒng)的安全風險及風險級別，在此基礎之上，通過安全加固，可以達到降低信息系統(tǒng)的資源占用、增加系統(tǒng)防御的時間、延緩攻擊者攻擊速度、縮減影響范圍、增加可審計的內(nèi)容等目的，從而增強電力二次系統(tǒng)的安全性，提高抵御黑客攻擊的能力。背景介紹背景介紹隨著智能電子設備不斷增多，不同時期建立的各類信息系統(tǒng)之間的交互變得復雜，信息、設備等安全風險日益加劇，電力二次系統(tǒng)安全面臨前所未有的挑戰(zhàn)。另外，分布式能源的接入和用電側交互需求的增長，導致電網(wǎng)運行的復雜性增加，調(diào)度操作人員面臨的決策壓力也越來越大。將二次系統(tǒng)安全風險納入當前運行風險評估問題，分析二次系統(tǒng)失效安全事件的可能性和嚴重度，并進行綜合定量的評估，顯得尤為重要。電網(wǎng)安全風險評估問題早在20世紀90年代就已經(jīng)受到**，但到目前為止，相關研究還主要集中在一次系統(tǒng)。從可靠性研究開始，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對電力一次系統(tǒng)風險評估進行了比較系統(tǒng)、深入的研究，從設備到系統(tǒng)都有比較完善的分析和評估方法陣，并且運用于調(diào)度運行、檢修計劃和電網(wǎng)規(guī)劃等。二次系統(tǒng)安全風險研究大多從安全防御角度提出構想，**影響系統(tǒng)安全的各個因素，而對整體系統(tǒng)風險評估的研究尚較缺乏。已有的分析手段基本是從設備和信息分別入手，但對兩者風險融合分析和人為因素的考慮，及二次系統(tǒng)風險對一次系統(tǒng)的作用形式研究尚少

。從電力二次系統(tǒng)安全風險來源入手，總結并評述電力二次系統(tǒng)安全風險，評估國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并指出未來的研究方向，為降低電力二次系統(tǒng)安全風險整體水平提供基礎，使智能電網(wǎng)條件下電力系統(tǒng)的安全高效運行成為可能

。二次系統(tǒng)風險來源二次系統(tǒng)概念二次設備因素信息系統(tǒng)因素人為風險因素二次系統(tǒng)風險來源二次系統(tǒng)概念二次系統(tǒng)由軟件、設備和其中的交互信息共同組成，并且和控制人員直接交互，其對電力系統(tǒng)的價值在于能夠完成一次系統(tǒng)安全運行所需的數(shù)據(jù)采集、信息處理、裝置控制等功能。根據(jù)文獻的描述,可將二次系統(tǒng)風險來源分為設備、信息和人因3個部分。過去電網(wǎng)的一些事故經(jīng)驗也表明，這3者在故障產(chǎn)生、演變、擴大階段都有著重要影響

。二次設備因素電網(wǎng)二次設備是指對一次設備進行監(jiān)視、測量、控制、調(diào)節(jié)與輔助的具有行為能力的機械部件及其附屬裝置，主要包括繼電保護和自動裝置、RTU等遠端測量監(jiān)視裝置和直流電源設備等。單個二次設備包括多個組件，其正常工作的完成是組件配合的結果。如繼電保護裝置的安全風險因素主要包括二次回路絕緣老化、裸露接地故障，三相操作繼電器箱等輔助裝置失效，通信及接口裝置通信阻斷等。此外，二次設備往往處于復雜多變的外部環(huán)境之中，如大部分遠端RTU裝置往往受到溫度驟變、電磁干擾和大量灰塵污穢的影響，增加了量測不確定性，也減少了設備壽命

。電網(wǎng)正常運行時，二次設備故障會造成量測丟失或錯誤，影響調(diào)度人員對電網(wǎng)的準確感知;一次系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于繼電保護裝置等二次設備的拒動或誤動，會發(fā)生連鎖故障，增加停電范圍。信息系統(tǒng)因素電力信息系統(tǒng)按照應用劃分，可以分為生產(chǎn)控制系統(tǒng)、行政管理系統(tǒng)和市場營銷系統(tǒng)3類。其中生產(chǎn)控制系統(tǒng)直接服務于電力系統(tǒng)運行，主要包括SCADA/EMS、變電站自動化系統(tǒng)、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的可靠性和實時性要求很高，采用電力調(diào)度通信專網(wǎng)，是信息風險因素的主要來源。電力信息系統(tǒng)的風險因素主要有:硬件遭破壞造成信道阻斷、信息遭竊取和篡改;利用軟件的漏洞造成拒絕服務、遠程控制、非法入侵等；以及變電站或網(wǎng)絡通信協(xié)議功能完備性、可靠性和可控性等方面的安全隱患。這些風險因素會嚴重影響到電力生產(chǎn)信息的機密性、完整性和可用性，進而威脅電力系統(tǒng)安全。人為風險因素電網(wǎng)運行的日前計劃安排、調(diào)度控制命令下達以及故障定位排除等工作需要調(diào)度員參與完成的。而調(diào)度員由于受自身知識水平限制以及外部環(huán)境壓力的影響，極有可能無法快速、準確地完成既定操作，造成設備損壞、故障擴大等嚴重后果；在故障情況下，控制人員的作用尤為重要。人為風險因素主要可以分為以下2部分:1)誤操作、發(fā)送錯誤調(diào)度命令導致系統(tǒng)故障，主要是人對系統(tǒng)中繼電保護誤操作導致;2)無法識別或誤判當前系統(tǒng)狀態(tài)，延后或無法切除設備故障，導致電網(wǎng)故障范圍擴大，造成額外損失。二次系統(tǒng)風險評估模型和方法二次設備領域信息安全領域人為風險領域綜合比較二次系統(tǒng)風險評估模型和方法二次設備領域二次設備是二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)的關聯(lián)點，也是測量與控制的直接執(zhí)行設備，一直是電力系統(tǒng)設備可靠性研究的重要組成部分。與一次設備類似，二次設備的安全風險相關研究也是從可靠性領域發(fā)展而來的。隨著馬爾科夫狀態(tài)模型的應用推廣，通過建立相關的模型計算可靠性指標變得可能。有文獻將影響繼電保護系統(tǒng)可靠性的因素分為3類，并建立軟件數(shù)學模型、硬件數(shù)學模型和人員可靠性分析模型，得到數(shù)字保護系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖，應用馬爾柯夫過程求解系統(tǒng)在無備用和有備用情況下的綜合失效率及可用度。但可靠性的結果只涉及到設備層次，對于設備故障對系統(tǒng)故障發(fā)展的影響則無法判斷。事件樹法可以對設備故障導致系統(tǒng)故障的因果關系進行分析，進而分析二次設備對一次系統(tǒng)風險的影響。也有文獻將其用于模擬保護和開關動作行為，建立了保護和自動裝置等二次設備功能模型，然后模擬N-1的原發(fā)性故障引發(fā)的連鎖故障，通過建立并分析故障事件樹，評估故障發(fā)生后二次設備的拒/誤動引起的系統(tǒng)風險增量。該方法可以通過控制事件樹的規(guī)模來很好地協(xié)調(diào)計算效率和精度，以滿足在線分析的計算要求。該學者的后續(xù)研究則**于繼電保護隱患的2方面原因為不合理保護定值和繼電保護系統(tǒng)硬件缺陷，分別采用事件樹分析法建模分析，以綜合考慮靜態(tài)安全約束、靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束、暫態(tài)電壓穩(wěn)定約束的主要傳輸斷面的傳輸裕度為風險指標，標識運行風險。該方法可以定量評估這2方面原因?qū)﹄娋W(wǎng)安全的影響，并確定其中的薄弱環(huán)節(jié)

。信息安全領域信息安全風險評估規(guī)范指出，信息安全風險評估是對信息系統(tǒng)及由其處理、傳輸和存儲的信息的機密性、完整性和可用性等安全屬性進行評價的過程。對于電力信息系統(tǒng)而言，需識別電力信息安全面臨的威脅和存在的脆弱性，并分析兩者相互作用后導致一次系統(tǒng)非正常運行的可能性及后果的嚴重度。電力信息系統(tǒng)種類繁多，現(xiàn)有的安全風險評估主要從資產(chǎn)安全策略列表出發(fā)，從資產(chǎn)受攻擊的角度評價其脆弱性，分析現(xiàn)有安全策略的有效性，并指出需要補充或加強的安全措施。有文獻**于繼電保護系統(tǒng)的信息安全問題，指出繼電保護系統(tǒng)網(wǎng)絡安全風險因素的來源是數(shù)據(jù)訪問需求的多樣性。在分析繼電保護信息通信特點的基礎上，提出在OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層采取虛擬局域網(wǎng)等措施提高繼保系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全性。隨著相關研究的增加，也有文獻從電力信息系統(tǒng)的共性出發(fā)，期望可以得到一個通用模型或系統(tǒng)模塊風險評估方法。通過確定信息系統(tǒng)的安全風險因素集、指標集以及因素的權重系數(shù)集，建立安全風險模糊綜合評估矩陣，根據(jù)專家的專業(yè)知識和經(jīng)驗確定權重系數(shù)，定量評估系統(tǒng)組件的安全風險值。此外，還有不少學者做了基礎性和安全框架的相關研究。有研究基于CIGRE聯(lián)合工作組的實踐經(jīng)驗，在分析系統(tǒng)內(nèi)部脆弱點后，根據(jù)已有的技術報告和安全標準指出安全框架包含的一些要點，包括安全領域建模、風險評估方法和信息安全管理等。也有學者借鑒信息通信安全領域等級保護的概念，提出一個應用于電力系統(tǒng)的等級保護的構架和實施方案，能有效保護電力信息安全

。人為風險領域近年來的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，隨著電網(wǎng)設備智能化水平的提高，人為風險因素日益凸顯，尤其在事故擴大階段。目前系統(tǒng)人為風險因素的研究主要集中在發(fā)電廠，特別是核電廠方面，而電網(wǎng)領域的人為風險因素研究還比較少。此外，不少學者在人為風險因素控制方法上取得一些成果。設計了一個基于IEC61850的變電站防誤操作系統(tǒng)，在站控層、間隔層和傳輸層實現(xiàn)實時防誤邏輯判斷，可有效減少人為誤操作風險。介紹了基于移動機器人的變電站設備巡檢系統(tǒng)

。綜合比較目前，二次系統(tǒng)風險評估涉及的各項工作尚未形成統(tǒng)一標準，在模型選擇、數(shù)據(jù)來源和風險指標方面的差別都比較大。對于設備風險因素，主要采用的分析方法有事件樹方法，基于歷史數(shù)據(jù)，通過蒙特卡洛進行仿真，并可參考一次設備風險的評估，多角度分析二次設備對線路、電源及一次系統(tǒng)的風險。對于信息風險因素，采用分層方法將復雜信息系統(tǒng)分解，基于調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)功能或脆弱性進行定性定量分析。對于人為風險因素，目前相關研究還比較少。從模型方法來看，故障樹和事件樹可以對連鎖故障的各類原因進行有效仿真分析；Petri網(wǎng)和層次分析法可以簡化復雜系統(tǒng)，厘清系統(tǒng)層級結構；CREAM模型能夠量化環(huán)境因素對人為操作風險的影響。二次系統(tǒng)風險評估面臨的問題與挑戰(zhàn)二次系統(tǒng)的復雜性基礎數(shù)據(jù)的不確定性風險因素來源的多樣性二次系統(tǒng)風險評估面臨的問題與挑戰(zhàn)二次系統(tǒng)的復雜性二次系統(tǒng)是由軟件、設備和信息共同組成，并且直接面向電網(wǎng)操作人員的復雜系統(tǒng)。其復雜性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)組成的復雜性二次系統(tǒng)風險由設備、軟件、信息、人員等多種風險構成，它們的結構、行為差異巨大，并且時間、空間分布截然不同，給建模工作帶來困難。因此，現(xiàn)有研究大多對二次設備、信息和通信系統(tǒng)、人員可靠性單獨進行分析，這樣導致評估結果只能反映單方面安全風險，無法評估二次系統(tǒng)整體風險及二次系統(tǒng)對一次系統(tǒng)的影響。2)狀態(tài)的多樣性二次系統(tǒng)對于整個電力系統(tǒng)的價值在于完成其所承擔的相應任務。傳統(tǒng)可靠性研究一般認為:設備或者元件的狀態(tài)分為故障和正確2種基本狀態(tài)。有研究對于設備和電力系統(tǒng)的可靠性研究，都假設元件存在少數(shù)幾個狀態(tài)。而二次系統(tǒng)功能存在多種可能狀態(tài)，如正常完成、80%完成、50%完成及完全失效，不同的可能狀態(tài)的風險必然不同，因此在風險評估過程中需要反映功能的不同狀態(tài)對系統(tǒng)風險的影響。風險因素來源的多樣性大量集成監(jiān)視、控制、測量功能的智能設備的應用使得信息與設備高度融合，單個智能設備的運行操作模型變得極為復雜，傳統(tǒng)的基于設備的相關建模方法都不再適用，需研究軟硬件交互故障模型。變電站和控制中心集成了不同廠家、不同時期裝設的各類系統(tǒng)，隨著自動化水平的提高，其兼容性和可靠性也是一個日益凸顯的風險因素。隨著電力軟件規(guī)模和復雜性的增加，軟件可靠性因素對于系統(tǒng)風險的影響必須得到重視。此外，網(wǎng)絡互聯(lián)性和分布式應用的增加，也使入侵和攻擊的方式變得更為復雜多樣

。電力二次系統(tǒng)，特別是電力監(jiān)控系統(tǒng)，是直接和控制人員交互的，控制人員命令和操作大多通過其來完成，同時控制人員失誤或錯誤的命令和操作也通過其影響電力一次系統(tǒng)。而且，近年來硬、軟件設備可靠性的提高，使人為可靠性對系統(tǒng)風險影響的作用更為突出，尤其是面對緊急情況或大災害，控制人員的錯誤判斷將導致嚴重后果?；A數(shù)據(jù)的不確定性目前電網(wǎng)中各種一次設備在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，一次系統(tǒng)和設備風險評估相關的數(shù)據(jù)已較容易獲得。二次設備運行、管理等數(shù)據(jù)尚未得到統(tǒng)一管理，對軟件運行數(shù)據(jù)也基本上只有從安全日志或者工作人員的主觀描述中獲取。目前對二次系統(tǒng)事故缺乏系統(tǒng)記錄、分析，造成事故樣本缺失，為風險量化工作帶來困難，需要研究在風險基礎數(shù)據(jù)缺失或不足時的風險評估方法

。不確定性貫穿風險評估的整個流程，但是數(shù)據(jù)的不確定性將對掌握軟件和設備狀態(tài)，描述控制行為，系統(tǒng)建模帶來障礙。不確定因素的引入主要體現(xiàn)在2個方面:1)系統(tǒng)本身固有的隨機不確定性;2)技術手段不足引入的不確定性。前者是不可避免的，而后者可以通過技術手段的改進，計算方法的設計來降低，可從觀測手段、計算模型、風險結果解釋等方面來降低不確定性。結論與展望結論與展望在總結二次系統(tǒng)安全風險已有評估模型和研究方法的基礎上，結合其他領域風險研究方法和二次系統(tǒng)的發(fā)展特點，未來電力二次系統(tǒng)風險評估的主要研究重點應在以下幾個方面:1)風險因素。智能電網(wǎng)條件下，可再生能源接入和需求側交互的開展，使得電網(wǎng)需要監(jiān)控的深度和廣度大大增加，二次系統(tǒng)將變成一個不亞于一次系統(tǒng)的復雜大系統(tǒng)。二次設備、信息和人為因素這3種風險來源需綜合評價，特別是分析這些風險因素在事故發(fā)生及擴大過程中產(chǎn)生的影響和作用形式，充分考慮各種因素的交互，全面評估二次系統(tǒng)整體風險。2)數(shù)據(jù)獲取。風險評估離不開充足完備的數(shù)據(jù)支