高电压技术 第３７卷第３期２０１１年３月３１日Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ ３１，２０１１从复杂网络视角评述智能电网信息安全研究现状及若干展望梅生伟，王莹莹，陈来军（清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京１０００８４）摘 要：未来智能电网可视为信息／物理网相互依存的超大规模二元复合网络（ｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ，ＣＰＰＧ），研究其安全理论特别是信息安全对全系统存活性的影响在理论和工程两方面均具有重要意义。
全面论述了电网信息安全的国内外研究现状，提出将复杂网络理论加以发展并应用于ＣＰＰＧ的网络建模、拓扑结构特征提取、连锁故障机理分析和脆弱度评估的新思路。
所提研究课题有望建立基于ＣＰＰＧ的二元网络复杂性理论，为未来智能电网的建设提供技术支撑，特别是对从信息安全角度防止系统灾变具有重要意义。
关键词：智能电网；二元复合网络；复杂网络；连锁故障；脆弱度评估；信息安全中图分类号：ＴＭ７１１文献标志码：Ａ文章编号：１００３－６５２０（２０１１）０３－０６７２－０８基金资助项目：国家自然科学基金（５０９７７０４７；５０８２８７０１）。
Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆＣｈｉｎａ（５０９７７０４７，５０８２８７０１）．Ｏｖｅｒｖｉｅｗｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｙｂｅｒ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｖｉｅｗ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＴｈｅｏｒｙＭＥＩ Ｓｈｅｎｇ－ｗｅｉ，ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ－ｙｉｎｇ，ＣＨＥＮ Ｌａｉ－ｊｕｎ（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ａ ｄｕａｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄｃｙｂｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｃａｌｌｅｄ ＣＰＰＧ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ＣＰＰＧ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｂｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｎｔｈｅ ｖｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｂｏｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａｎ ｏｖｅｒａｌｌ ｏ－ｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｃｙｂｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｉｄｅａ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ＣＰＰＧ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ｃａｓｃａｄｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｈｏｐｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ－ｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＣＰＰＧ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｃｙｂｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ；ｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ（ＣＰＰＧ）；ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃａｓｃａｄｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ；ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ａｓ－ｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｃｙｂｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ０ 引言当前，智能电网的研究方兴未艾，一定程度上讲，智能电网代表了未来电网的主流发展趋势。
从近年电力系统科技发展的脉络上看，广义而言，可以认为智能电网有两大起源：①文［１］提出的数字电力系统理念，其重点在于输电网的智能调度与控制；②文［２］提出的“友好电网”，其重点在于建设互动型配电网。
尤其是文［１］工作的提出，揭开了数字电网乃至智能电网研究工作序幕；２００６年国家电网公司实施ＳＧ１８６工程，开始进行数字化电网和数字化变电站的框架研究和示范工程建设，南方电网公司委托清华大学开展数字南方电网研究［３］；２００９年，国家电网公司提出了建设我国“坚强智能电网”的宏伟蓝图［４］。
国际上，欧美等国纷纷出台了各自的智能电网发展计划。
与此同时，国内外学者从各个方面对智能电网基础理论和关键技术进行了深入研究，取得了一大批重要成果［５－８］，其中多指标自趋优运营能力被认为是智能电网与传统电网的最大区别［９］。
毋庸置疑，智能电网的建设进程伴随着电力系统中数字化和信息化程度的不断提高，系统中的能量流和信息流的交换与互动亦日益频繁，最终使得未来智能电网在很大程度上将发展成一类由信息网和物理（电力）网构成的相互依存的二元复合网络（ｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ，ＣＰＰＧ）。
在此背景下，研究信息网和物理网相互依存的新一代电力网络的拓扑结构特征、连锁故障传播机理、安全水平和生存能力以及相应的预防控制措施在理论和工程两方面均具有重要意义，这主要缘于以下３方面的因素。
１）智能电网在规模和动态上的复杂特性对复杂网络理论本身的发展提出了更高的要求。
随着智能电网建设的深入，ＣＰＰＧ的网络规模２７６DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2011.03.017不断扩大、网络动态的新特性日益增多，从而导致ＣＰＰＧ的网络复杂性持续增强，主要体现在如下两个方面：（１）ＣＰＰＧ是由信息网／物理网耦合而成的超大规模二元复杂网络，它对复杂网络理论研究提出了新的重大挑战。
１９９８年发表于Ｎａｔｕｒｅ上的题为《“小世界”网络的集体动力学》（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ‘ｓｍａｌｌ－ｗｏｒｌｄ’ｎｅｔｗｏｒｋｓ）［１０］和１９９９年在Ｓｃｉｅｎｃｅ上发表的题为《随机网络中标度的涌现》（ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ｓｃａｌ－ｉｎｇ ｉｎ ｒａｎｄｏｍ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）的文章［１１］分别揭示了复杂网络理论的小世界和无标度特性，开创了复杂网络理论研究的新纪元。
基于统计特性与结构模型，研究者对网络性能进行了详细的分析，并在网络的社团结构、脆弱度评估和传播动力学等方面取得了较大的进展［１２－１３］。
２００９年７月Ｓｃｉｅｎｃｅ杂志出专栏介绍复杂网络理论的新发展，例如将其用于预测种族冲突［１４］和识别恐怖组织中的关键人物［１５］等问题。
特别需要指出的是，复杂网络理论在电力系统已得到成功应用，文［１６－１７］基于该理论建立了电力系统自组织临界一般理论，包括电网演化机制模型、连锁故障模拟方法、电网脆弱度及风险评估方法和电力系统应急管理平台４项创新。
（２）未来电网若干关键功能，如对分布式发电的接纳、需求侧管理等，无疑加大了ＣＰＰＧ在动态特性上的复杂度。
在资源和环保的压力下，以新能源发电为主体的分布式发电（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＤＧ）成为电力系统发电的一个重要方向［１８－１９］。
通常位于近负荷侧的分布式发电改变了传统电力系统中功率单向流动的特点，也使得电力系统的负荷预测、规划和运行与过去相比具有更大的不确定性［２０－２１］；同时分布式发电的加入，必然需要增加大量通信装置以实现分布式发电的自身控制以及与传统电网的协调［２２］。
此外，借助于先进的测量和通讯系统，基于政策和电价激励的需求侧响应技术被认为是提高系统可靠性和实现节能环保的有效方法［２３］，如通过推广电动汽车平抑负荷峰谷差和减少系统备用，即是一种用户参与需求侧响应的有效方式［２４］。
综上所述，现有工作的研究对象无论其规模和结构多么复杂，大多针对单一复杂网络，或者信息网，或者物理（电力）网，而对于ＣＰＰＧ这类二元网络的复杂网络特性研究则鲜有先例可循，因此，迫切需要发展现有的复杂网络理论，以满足未来智能电网发展的需要。
２）智能电网主要目标的实现需要信息技术的发展来提供保障。
信息化在实现智能电网主要目标（灵活、高效、可持续、节能环保、高可靠性和高安全性等）的过程中起着举足轻重的作用［２５］。
然而，目前大多数的研究和实践更加侧重于信息化引入新功能的实现和挖掘，而对信息化背景下智能电网的安全性问题则缺乏足够的重视。
信息化程度的提高给电网带来诸多安全隐患，如信息采集环节、传输环节、智能控制和电网与用户互动环境下均存在不同程度的安全风险。
信息化带来的种种安全隐患或危害，均可视为对信息网的有意或无意攻击，其影响一般表现为信息网的相继故障从而可能引发信息网瘫痪，严重时故障可能穿越信息网边界波及物理网，进而导致物理网连锁故障。
极端情况下，相继或连锁故障在信息网和物理网之间交替传播，严重威胁电力系统安全运行。
３）对信息安全问题的关注应贯穿智能电网重大工程实践的全过程。
在智能电网重大工程建设过程中，评估系统运行风险、辨识系统薄弱环节并制定相应的预防控制措施贯穿全程，需要充分考虑ＣＰＰＧ中信息网与物理（电力）网紧密融合后带来的新变化。
（１）信息网比物理（电力）网的运行风险更高。
文［２６］指出，广义电力系统是由电力系统（ＥＰＳ）、信息通信系统（ＩＣＳ）和监测控制系统（ＭＣＳ）融合而成的３Ｓ系统：这里的ＩＣＳ／ＭＣＳ即为本文所指的信息网，它是安全供电不可或缺的工具；由于ＩＣＳ／ＭＣＳ存在的潜在漏洞、缺陷和故障，使其成为３Ｓ系统安全风险的主要来源。
如果信息网遭到攻击，则可能给物理（电力）网造成严重的故障，使得电力系统出现大面积停电事故或重要电力设备损坏。
例如，２０１０年９月，伊朗布什尔核电站的计算机系统遭Ｓｔｕｘｎｅｔ蠕虫病毒攻击，大大延迟了伊朗的核进程［２７］。