王涛

摘  要：随着智能电网的发展和相关软硬件的升级，传统的电网在安全防护和状态估计等各方面的性能有了显著提升，但同时也面临着新的挑战。当前信息时代已经到来，通信网络在现代电力系统中得到了广泛的应用。然而，黑客可以通过通信网络拦截和篡改这些相关信息。为了保证电网的安全和可靠运行，许多测量单元都不断地监测电力系统的重要数据，如潮流中母线注入功率数据，以及通过数据采集与监控系统传输到调度中心的监测数据。相量测量单元（PMU）作为广域测量系统的主力结构，利用全球定位系统可以得到时间标定的动态测量数据，在电力系统虚假数据注入攻击和检测中有着不可忽视的作用。

关键词：智能电网;动态网络攻击;检测机制;相量测量单元

中图分类号：TM76  文献标识码：A

1 概述

智能电网是一个及其复杂的电力系统，随着通信网络的发展，电网数据安全面临着严重的挑战，攻击者一旦获得虚假数据并注入攻击，将会破坏电网的稳定运行，甚至从中获得巨大的经济利益，危害社会发展。

2003年8月，影响巨大的美加大停电事故给人们敲响了警钟，在美国东北部地区及加拿大首都渥太华和商业中心多伦多发生了大范围的停电事故。据著名经济学家戴维·罗森伯格估计，整个事故造成经济损失大约在300亿美元，这是北美有史以来最大范围的停电，受影响人数高达五千万人次。2015年12月，乌克兰电网遭遇突发大停电事故，该停电事故是由7个变电站开关动作引起的，停电时间为3～6 h不等，共导致80000个用户停电。该次停电事故被认为是人类历史上信息安全问题影响电力系统稳定运行的里程碑事件。在世界范围内层出不穷的大停电事故发人深思，也引发了国内外各专家学者的深度研究以保护电力系统的稳定和安全。

2 网络攻击现状

随着互联网等技术的不断发展和应用使得新型智能电网面临着各种各样的网络攻击。传统的电网安全主要依靠物理防护，但面对新型的网络攻击并不能达到很好的防御效果。关于当前智能电网的网络攻击的研究可分为两类。

第一类主要研究如何从攻击者的角度进行隐形攻击，避免被SCADA系统检测识别。提出了虚假数据注入攻击、负载再分配攻击、网络拓扑攻击、拒绝服务攻击和传输线评级攻击，时间同步攻击、共振攻击和中断攻击等，进而实现其攻击目标。

第二类主要是研究从物理安全、通信安全和信息安全三个方面检测网络攻击并研究其对状态估计的影响。物理安全指的是保护措施安排于最佳位置，以维护电力系统网络的可观测性，最优地定位一组基本测量装置或相量测量单元，以确保智能电网免受网络攻击。通信安全的研究多反应于使用各种加密技术中，如协议、加密、身份认证，数据聚合等措施来防止未经授权的访问并加以识别。在信息安全方面，多项研究提出了基于统计和非统计方法的状态估计器，以可靠地跟踪各种恶意攻击下智能电网中的动态变化。

3 防御策略研究现状

电力系统的构建模块主要包括发电、输电、配电以及消费者和控制中心，它们之间是通过双向通信联系。电力系统通过通信网络收集总线上的电源注入数据和分支上的电力流等仪表测量值，采用仪表，传感器和执行器等远程终端单元进行数据采集。

有两种方法可以抵御恶意数据攻击。第一，直接通过保护测量系统免受攻击者的攻击。可以通过保护多个测量子集来防止隐形攻击，或通過部署相量测量单元直接监测状态信息来实现。第二，识别测量过程中注入的错误数据，然后放弃被操纵更改的错误数据或更正它们。传统的假数据检测方法基于残差检验，它们只能在一定范围内保护状态估计免受黑客设计的隐形攻击。近年来，随着智能电网的发展，不断发展出了新的检测方法。

4 PMU基本结构

基于状态估计器的现代EMS系统的启动始于1965年北美东北电网的灾难性故障。在基于实时测量来确定电力系统状态的技术方面进行了大量研究。该技术可以通过顺序扫描获得测量值，并从中获得由非线性状态估计器估计的电力系统状态。

由于卫星系统的部署不完全，早期的GPS接收器价格昂贵，因为它们需要非常精确的内部晶体时钟来精确地保持时间，直到下一颗GPS卫星出现为止。如今，随着卫星系统的完整和全面部署，一套GPS接收机的费用较之前有了较大的下降。

PMU测试原理图

PMU原理如图所示。WAMS监测系统依托当前高速的通信网络，根据不同位置的幅值和相位信息来接收测量到的数据，并根据这些信息来建立电力系统中动态的状态，进而对电力系统的状态在统一的时间坐标系上进行处理分析。当系统运行正常时，同步相量测量主要用于动态的监控与模型验证等。而当系统受到未知的扰动时，同步相量测量可用于指导系统的故障定位，防止事故的逐步扩大甚至导致电网的崩溃。

5 PMU相关应用

PMU为传统的电力问题提供了创新的解决方案，并提供了一系列的便利。它可以定期获取电源系统状态的精确估计值，从而可以从核心位置观察各模块的动态变化，并采取适当的控制措施。

5.1 电力系统有效监控

PMU可用于电力系统的事后分析，这是因为最初时期，PMU的可用性较低且实时监视和控制通信信道中涉及的成本颇高。通过监视电力系统中的事件可对系统行为有更多了解，通常在传输网络内或传输网络附近会发生影响整个电力系统的严重事件，因此最好在传输系统变电站进行监控。这对设备提出了很高的要求，并且由于数据成为传输系统运营商的所有物，通常数据的使用在一定程度内会被限制。所谓的数字系统故障记录仪便是应用了这一特性，它可以从电力系统中捕获各种各样的数据，并扩展了几种设备的监控应用。

5.2 电力系统充分保护

PMU通过获取的同步测量值有助于提升电力系统的保护技术。它有助于将故障部分与系统其余部分隔离开来，以防止断电，并为许多复杂的电力系统保护问题提供了解决方案。电力系统对先进的网络保护体系进行实时监控，对先进的控制方案也可实时查探。

5.3 电力系统合理控制

随着PMU的出现，可以在全球范围内完成对电力系统的控制。对此，仅基于局部测量和系统的数学模型来采取控制措施，在某些特定情况下可能导致控制措施的无效。因此，使用PMU可以将系统参数从远程位置直接实时反馈到控制中心，这将增加电力系统的整体稳定性。

在线安全监控和评估系统是对PMU特性的高效应用，例如，它可以直接建立在相量测量部门的测量结果，该系统提供了对网络拓扑和操作条件进行实时建模的可能性。同时存在多种监视，检测和定位电力传输和分配系统中故障的方法。这些方法大多数都利用来自变电站或开关站的电压和电流互感器的测量结果来进行分析。为了了解有关干扰及其影响的知识，有必要使用具有足够带宽的测量设备在更多的地理位置上实施监视系统。

广域测量技术不断发展趋向成熟，除了精确的状态估计之外，PMU还提供了各种可行的应用方向，可以改善现代电力系统上的保护和控制措施。由于大量的可再生能源，开放的输电网络和放松管制的行业而使电力系统的性质发生了变化，因此不可避免的是，未来的电力系统将不得不面对更多的压力，在这种情况下，必须进行改进基于PMU的广域测量系统以应对所面临的各种挑战。

参考文献：

[1]谢国强.浅析网络黑客攻击的常用手段及防范[J].信息技术与信息化，2018（05）：129-130.

[2]禹红.福建电网与周边电网互联电力市场运行问题探讨——加州电力危机、美加和欧洲大停电事故的思考[J].继电器，2007（07）：54-57.

[3]刘念，余星火，张建华.网络协同攻击：乌克兰停电事件的推演与启示[J].电力系统自动化，2016，40（06）：144-147.

[4]王超.加强关键信息基础设施网络安全保障刻不容缓[J].网络空间安全，2018，9（06）：50-55