摘要:為應(yīng)對(duì)潛在的威脅與攻擊,本文將對(duì)髙級(jí)別安全控制和命令及云計(jì)算等新技術(shù)運(yùn)用于智能電網(wǎng)嵌入式設(shè)備的課題作研討,并為確保在整個(gè)生命周期的智能電網(wǎng)與智能電表的安全性對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)的與新型電網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)施的應(yīng)用作分析說(shuō)明。
全球電力基礎(chǔ)設(shè)施通常稱為“電網(wǎng)”,是一套用于能源生成、傳輸、轉(zhuǎn)換和分配的互聯(lián)資產(chǎn)。為提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,當(dāng)今國(guó)內(nèi)外都致力于智能電網(wǎng)和智能電表的開(kāi)發(fā)與投資,即廣泛的部署智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和自動(dòng)抄表系統(tǒng)(AMR)、自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)(AMI)。然而與此同時(shí),也伴隨了輸電基礎(chǔ)設(shè)施的安全性問(wèn)題,這是何因呢?其一是因?yàn)橹悄茈娏﹄娋W(wǎng)在安全上易受攻擊如數(shù)據(jù)黑客、系統(tǒng)惡意軟件等也在逐漸增加,而自動(dòng)計(jì)量設(shè)備中易受攻擊的地方包括非安全數(shù)據(jù)總線、串行連接或遠(yuǎn)程調(diào)試端口訪問(wèn)等;其二是電網(wǎng)設(shè)計(jì)在安全方面相對(duì)比較薄弱或忽視,造成傳統(tǒng)安全低迷已久和相關(guān)廠商缺乏創(chuàng)新實(shí)力。
智能電網(wǎng)與智能電表的攻擊類型與安全架構(gòu)的構(gòu)建
攻擊類型
當(dāng)今智能電網(wǎng)面臨的安全隱患有很多種,對(duì)智能電網(wǎng)與智能電表的攻擊類型大體可分為物理攻擊(外部干擾、繞過(guò)中線、中線缺失等)、電氣攻擊(過(guò)/欠壓、電路探測(cè)、ESD等)與軟件和數(shù)據(jù)攻擊(間諜軟件插入、網(wǎng)絡(luò)攻擊)。攻擊者的目標(biāo)有二,其一是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù),以獲得自身利益——例如:竊取電費(fèi),或隱瞞違禁藥物的生產(chǎn)等;其二是對(duì)社會(huì)構(gòu)成威脅的活動(dòng),包括試圖破壞電網(wǎng)運(yùn)行的活動(dòng)。這可能是對(duì)電網(wǎng)本身的攻擊(大區(qū)域誤報(bào)能耗,造成整個(gè)電網(wǎng)的資金鏈緊張);也可能是對(duì)社會(huì)的攻擊(例如:恐怖分子襲擊),造成電網(wǎng)癱瘓,用戶斷電。發(fā)生斷電時(shí),生產(chǎn)和金融損失將無(wú)可估量,特別是在極熱、極冷氣候下,還會(huì)對(duì)人類的生命安全構(gòu)成威脅。如今對(duì)智能電網(wǎng)的最新調(diào)查結(jié)果顯示,中斷設(shè)備運(yùn)行與盜取密鑰所帶來(lái)的破壞后果會(huì)更嚴(yán)重或者更糟糕(見(jiàn)圖1)。
安全架構(gòu)的構(gòu)建與保護(hù)措施
髙級(jí)別安全性的控制和命令的應(yīng)用:每個(gè)系統(tǒng)都有“重要安全參數(shù)(CSP)”的機(jī)密,必須保持其完整性,從而才能確保系統(tǒng)完好無(wú)缺。在智能電網(wǎng)與智能電表中,這CSP是—個(gè)密鑰,必須在編程到內(nèi)存時(shí)就得到保護(hù)。而加密工具對(duì)于隱私保護(hù)和傳輸數(shù)據(jù)、命令的認(rèn)證非常有效。對(duì)此可應(yīng)用髙級(jí)別安全性的控制和命令來(lái)實(shí)現(xiàn),那用什么髙級(jí)別安全性的控制和命令呢?
首先應(yīng)明確當(dāng)今有哪些加密技術(shù)。DEC密碼/算法、對(duì)稱數(shù)據(jù)塊密碼,3DES密碼/算法、對(duì)稱數(shù)據(jù)塊密碼,AES密碼/算法、對(duì)稱數(shù)據(jù)塊密碼、密鑰長(zhǎng)度為128-256位,RSA密碼/算法、非對(duì)稱數(shù)據(jù)流密碼,SHA-1/SHA-2密碼/算法、散列密碼等等。AES對(duì)稱密鑰密碼系統(tǒng)適用于批量數(shù)據(jù),但安全級(jí)別不高。非對(duì)稱密鑰密碼系統(tǒng)如橢圓曲線數(shù)字簽名算法(ECDSA),適用于加密遠(yuǎn)程斷開(kāi)/連接實(shí)時(shí)電價(jià)更改等控制/命令。這確保了控制電網(wǎng)設(shè)備命令的高度真實(shí)性。而基于橢圓曲線加密技術(shù)(ECC)的密鑰交換可提供高級(jí)別的安全性,Zigbee@等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可采用ECC提供數(shù)字證書(shū),以交換智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)ZigBee節(jié)點(diǎn)/設(shè)備之間的信息。幾乎所有安全協(xié)議要求一項(xiàng)或多項(xiàng)加密技術(shù)來(lái)加密數(shù)據(jù)。而128位AES密碼廣泛應(yīng)用于智能電表應(yīng)用并用于單個(gè)電表與電表數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的通信。由于數(shù)據(jù)已被加密,因此可以防止被竊取。
安全架構(gòu)的構(gòu)建:根據(jù)上述髙級(jí)別安全性的控制和命令可設(shè)計(jì)出如圖2智能電網(wǎng)與智能電表的的安全架構(gòu)。
圖2這樣的安全系統(tǒng)考慮了電子系統(tǒng)面臨的所有攻擊徑。首先是數(shù)據(jù)本身。數(shù)據(jù)就像保險(xiǎn)庫(kù)里的錢。保護(hù)數(shù)據(jù)的第一步就是要搭建“保險(xiǎn)庫(kù)大門”,采用加密技術(shù)來(lái)隱藏?cái)?shù)據(jù)。這樣可以保護(hù)數(shù)據(jù)免受99%潛在攻擊者的攻擊。攻擊者的第二種途徑是試圖獲取保險(xiǎn)庫(kù)的密碼組合(或加密方案的密鑰)。
智能電網(wǎng)與智能電表的的保護(hù)措施:由智能電網(wǎng)與智能電表的的安全架構(gòu)可拓展出具體保護(hù)措施,其一是著重于密鑰保護(hù),以采用芯片級(jí)硬件和防攻擊多重保護(hù)措施,對(duì)新的配置、固件更新和指令進(jìn)行加密和簽名,以驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)源的可靠性;其二,可靠通信,通信雙方可通過(guò)密鑰對(duì)通信線路上的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密、簽名或驗(yàn)證,這是由于從嵌入式傳感器到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密非常關(guān)鍵,用于加密的密鑰保護(hù)也更加重要,一旦密鑰被竊取,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也就不再安全;其三,使用新的存儲(chǔ)技術(shù)擴(kuò)大可靠牲和安全性;其四是,對(duì)于電網(wǎng)或智能電表,必須用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議安全性(IPSec)、傳輸層安全(TLS)及安全外殼(SSH)等協(xié)議取代非安全協(xié)議。
應(yīng)對(duì)漏洞與安全威脅的挑戰(zhàn)與新一代威脅感知系統(tǒng)應(yīng)用
漏洞與安全威脅依然存在
上述智能電網(wǎng)與智能電表的的安全架構(gòu)及保護(hù)措施中還可能有漏洞與威脅的存在。其原因:一是,因加密的作用在于防止被保護(hù)數(shù)據(jù)在傳輸或存儲(chǔ)過(guò)程中被解密或偽造,但往往有誤區(qū),即認(rèn)為依賴調(diào)頻方式則復(fù)雜的RF或電力載波通信可完全保證數(shù)據(jù)的安全性。其實(shí),此類保護(hù)往往很容易被漏洞與威脅所攻破。況且由于電網(wǎng)已經(jīng)互聯(lián),多數(shù)已知的漏洞都與通訊媒介和通訊協(xié)議有關(guān)。二是,在有足夠資源和時(shí)間的前提下,一些人可以編寫出一個(gè)類似功能的程序,在程序中植入獲取密鑰數(shù)據(jù)或篡改賬單的病毒。即使掛網(wǎng)的電表都具備一定的保護(hù)措施,仍然能夠發(fā)現(xiàn)一些容易遭受攻擊的環(huán)節(jié)(如生產(chǎn)環(huán)節(jié)),為攻擊者侵入IP和生產(chǎn)流程提供了機(jī)會(huì),造成巨大損失。
基于云計(jì)算的新一代威脅感知系統(tǒng)應(yīng)用是最佳對(duì)策
對(duì)于第一種漏洞與安全威脅原因的對(duì)策,那就是從IT安全性入手。對(duì)此可應(yīng)用支持端到端的通信數(shù)據(jù)加密方案,如:數(shù)據(jù)集中器、監(jiān)控器和數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)(SCADA)等。因?yàn)樾枰_保“空中”傳輸數(shù)據(jù)的安全性;對(duì)于上述第二種漏洞與安全威脅原因的對(duì)策是,則應(yīng)用基于云計(jì)算的新一代威脅感知系統(tǒng)。新一代威脅感知系統(tǒng)是面向下一代未知威脅的垂直類精確檢測(cè)產(chǎn)品,通過(guò)動(dòng)態(tài)行為檢測(cè)、靜態(tài)模式匹配、半動(dòng)態(tài)行為分析、大數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)APT攻擊與0day漏洞可利用攻擊的精確檢測(cè)與全過(guò)程回溯。
新—代威脅感知系統(tǒng)可通過(guò)與終端安全管理系統(tǒng)或移動(dòng)終端安全管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),對(duì)APT的攻擊可從發(fā)現(xiàn)到阻斷分級(jí)并構(gòu)建出縱深防御體系。終端安全管理系統(tǒng)是面向智能電網(wǎng)、金融、制造業(yè)、等大型企事業(yè)單位推出的以安全防御為核心、以運(yùn)維管控為重點(diǎn)、以可視化管理為支撐、以可靠服務(wù)為保障的全方位終端安全解決方案。為用戶構(gòu)建能夠有效抵御已知病毒、0day漏洞、未知惡意代碼和APT攻擊的新—代終端安全防御體系。其架構(gòu)為見(jiàn)圖3。
從圖3中可看出智能電網(wǎng)終端安全管理系統(tǒng)可終端安全防御,及時(shí)發(fā)現(xiàn)定位出未知威脅并全面查殺已知或未知病毒惡意代碼,以徹底解決病毒木馬威脅,作全網(wǎng)漏洞修復(fù);網(wǎng)絡(luò)安全管理,包括終端軟件準(zhǔn)入控制,保證軟件合規(guī)安裝運(yùn)行,軟件使用安全,可對(duì)無(wú)線熱點(diǎn)、手機(jī)、光驅(qū)、打印機(jī)、USB等相關(guān)設(shè)備作準(zhǔn)入控制,消除智能電表接入安全無(wú)隱患。
如何保證智能電網(wǎng)設(shè)備生命周期的安全性
隨著對(duì)能源的需求的不斷加快,政府與電力生產(chǎn)商、經(jīng)銷商及設(shè)備供應(yīng)正合作改變傳統(tǒng)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,以增加智能、通信和分散控制等數(shù)字化和信息化技術(shù)確保實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)設(shè)備生命周期的安全性。應(yīng)該說(shuō),電力線通信技術(shù)提升了大量智能電網(wǎng)應(yīng)用(包括智能電量計(jì)、照明、太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車充電、智能設(shè)備、家庭自動(dòng)化、智能樓宇控制和網(wǎng)絡(luò))的智能性和可靠性。而電力監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)繼電器、斷路器等電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用是保證智能電網(wǎng)設(shè)備生命周期的安全性的重要舉措。值此將從應(yīng)用角度對(duì)其 架構(gòu)與應(yīng)用特征作分析說(shuō)明。
電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
電力監(jiān)控系統(tǒng)是電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的產(chǎn)物,是智能電網(wǎng)的基本組成部分,建設(shè)安全可靠的電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展有重要的作用。電力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、科研設(shè)施、醫(yī)院、智能建筑等諸多領(lǐng)域的供配電系統(tǒng)中,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率和電能等電力參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示,并能根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制,提高供配電系統(tǒng)的可靠性和安全性。智能測(cè)控儀表是電力監(jiān)控系統(tǒng)的前端元件,其主要作用是高精度的測(cè)量所有常用電力參數(shù),并具有數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制功能,以實(shí)現(xiàn)與電力監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交換。
電力監(jiān)控系統(tǒng)的基本架構(gòu):電力監(jiān)控系統(tǒng)是以現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和測(cè)控技術(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)供配電系統(tǒng)中的高壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜。電力變壓器、測(cè)控儀表等設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的集中監(jiān)控管理和分散數(shù)據(jù)采集。監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)通信層和系統(tǒng)管理層構(gòu)成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
從圖4可知電力監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)通信層及系統(tǒng)管理層構(gòu)成。其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層是電力臨控系統(tǒng)中的最底層,位于變配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng),主要包括各種測(cè)控儀表、智能斷路器、微機(jī)保護(hù)裝置、溫濕度控制器和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置等?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層的主要作用是采集變配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息,并將采集到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信層傳遞給系統(tǒng)管理層。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層也可以作為執(zhí)行單元,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信層接收系統(tǒng)管理層發(fā)出的各類指令?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層中的設(shè)備或裝置應(yīng)相對(duì)獨(dú)立,可以不依賴于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行;網(wǎng)絡(luò)通信層是電力監(jiān)控系統(tǒng)中的中間層,負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層中的設(shè)備或裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,收集各類設(shè)備或裝置的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息,進(jìn)行處理后集中打包傳送給系統(tǒng)管理層,同時(shí)負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)管理層發(fā)送的各類指令,并轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層。網(wǎng)絡(luò)通信層通常由現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成;系統(tǒng)管理層是電力監(jiān)控系統(tǒng)中的最高層,位于監(jiān)控室內(nèi),主要由電力監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成。系統(tǒng)管理層負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)變配電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,其主要作用是解析網(wǎng)絡(luò)通信層上傳的數(shù)據(jù)包,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析,并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài),向現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層中的設(shè)備或裝置發(fā)送指令,執(zhí)行相關(guān)操作。
基于微處理器的智能測(cè)控儀表構(gòu)建方案:智能測(cè)控儀表位于電力監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層,用于完成電力參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸,井執(zhí)行由監(jiān)控主機(jī)下發(fā)的操作指令。其智能測(cè)控儀表的基本結(jié)構(gòu)由輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸出模塊三部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
輸入模塊主要包括互感器接口電路,開(kāi)關(guān)量輸入接口電路,主要用于采集交流電壓信號(hào)、交流電流信號(hào)、頻率信號(hào)以及負(fù)荷開(kāi)關(guān)位置、低壓斷路器位置、熔斷器熔斷狀態(tài)等狀態(tài)信號(hào)。數(shù)據(jù)處理模塊主要由微處理器、測(cè)量芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、晶振電路和復(fù)位電路等構(gòu)成,主要起輸入信號(hào)采集,電氣量計(jì)算、邏輯控制、故障信息處理等作用。輸出模塊主要由通信接口、開(kāi)關(guān)量輸出接口和顯示接口等構(gòu)成,主要起數(shù)據(jù)通信、輸出控制、數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示等作用。
應(yīng)用:經(jīng)測(cè)試該智能測(cè)控儀表的電壓、電流、頻率和功率因數(shù)的測(cè)量誤差可達(dá)0.2%,有功功率和無(wú)功功率的的測(cè)量誤差可為0.5%,可比較好地滿足了電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的要求。
新型保護(hù)繼電器在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用
保護(hù)繼電器通??蓪?shí)現(xiàn)局部智能,即讓斷路器自行打開(kāi)或關(guān)閉。保護(hù)繼電器的基本目標(biāo)是在出現(xiàn)故障的情況下保護(hù)電網(wǎng)(下流線路)。保護(hù)繼電器通過(guò)監(jiān)視特定電網(wǎng)線路的電流和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。斷路器位于線路上。保護(hù)繼電器的輸入通常是來(lái)自線路傳感器的電流和電壓,以及來(lái)自電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中其他相關(guān)設(shè)備的任何通信。輸出包括向斷路器發(fā)送的信號(hào)(打開(kāi)或關(guān)閉)以及與電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)保護(hù)繼電器檢測(cè)到故障時(shí),它會(huì)命令斷路器將經(jīng)檢測(cè)發(fā)生故障的線路置為開(kāi)路,從而為保護(hù)繼電器下游線路的一切提供保護(hù)。
保護(hù)繼電器以多種方式監(jiān)視電流和電壓。無(wú)論是電壓還是電流,都可對(duì)其同時(shí)設(shè)定不同的閾值。例如,可將一個(gè)閾值設(shè)為高限值,另一個(gè)設(shè)為低限值(超出該值的時(shí)間需要達(dá)到一固定時(shí)長(zhǎng))。因此無(wú)論在哪種情況下,一旦觸發(fā)了所設(shè)閾值,保護(hù)繼電器就會(huì)啟動(dòng)斷路器。這些不同的閾值由處理器監(jiān)控。處理器可能還會(huì)處理諧波分析和其他此類與電源相關(guān)的計(jì)算,從而更好地了解電力線狀態(tài)。如TI 的 MSP430 和 AM335x 系列處理器是處理各種此類應(yīng)用的適當(dāng)處理器的典范。通常當(dāng)高壓線路與電子產(chǎn)品連接時(shí),數(shù)字隔離器或模擬隔離器會(huì)用于隔離數(shù)據(jù)路徑。如今的保護(hù)繼電器不僅會(huì)通過(guò) RS485/232處理傳統(tǒng)通信,還會(huì)處理基于以太網(wǎng)的通信。
拓展智能電網(wǎng)的安全性新趨勢(shì)
確保智能電網(wǎng)的安全性除上述電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施外,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出低頻窄帶 PLC 技術(shù)聞世,它可確保數(shù)據(jù)完整性同時(shí)降低功耗和系統(tǒng)成本,適合各種應(yīng)用(如智能計(jì)量和控制應(yīng)用)。其低頻窄帶 PLC 技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖提供了適用于從公用變電站到整個(gè)家庭局域網(wǎng)絡(luò)等智能電網(wǎng)各個(gè)階段的解決方案。而針對(duì)實(shí)現(xiàn) PLC 和射頻連接的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器應(yīng)用方案是一典例。在此作一簡(jiǎn)介說(shuō)明。
其數(shù)據(jù)集中器應(yīng)用自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)(AMI)中的重要節(jié)點(diǎn),其中 AMI 與若干公用事業(yè)儀表和中央公用事業(yè)服務(wù)器相連,可實(shí)現(xiàn)儀表與公用事業(yè)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。 基礎(chǔ)設(shè)施中若干點(diǎn)上的數(shù)據(jù)集中器會(huì)從可控?cái)?shù)量的儀表中安全地聚合數(shù)據(jù),并發(fā)送至公用事業(yè)服務(wù)器。而通信模式很大程度上取決于電力基礎(chǔ)設(shè)施,而且可以是有線或無(wú)線通信。 有線通信包括電力線通信 (PLC),無(wú)線通信主要包括低功耗射頻(IEEE 802.15.4g 協(xié)議)通信,在某些情況下還包括現(xiàn)有的移動(dòng)電話媒介。 集中器向公用事業(yè)服務(wù)器的通信可通過(guò)以太網(wǎng)、GSM、GPRS、WiMAX 或電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。