基于物理的网络安全强化美国电网

现代化老旧电网面临网络攻击新挑战

为满足21世纪电力需求，美国正在通过“智能”技术升级庞大复杂的老旧电网，利用自动化、连接性和可再生能源资源，更可靠、高效地输送电力。

虽然更智能、更互联的电网能增强对极端天气等威胁的韧性，但电网规模和复杂性的增加也扩大了网络攻击的脆弱面。日益数字化的电网为恶意行为者寻求破坏国家电力供应创造了众多入口。

保护美国电网——这个发电、输电、配电的大规模跨国互联网络——对国家安全至关重要。

但随着电网更复杂、黑客更狡猾，传统IT网络安全手段已不再足够，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家们正致力于让电力网络更能抵御网络攻击。

“传统公用事业网络物理隔离于公共网络，IT方法足以应对大多数威胁，”阿贡计算工程师Bo Chen表示。“如今新技术集成带来更多漏洞，许多复杂攻击能隐藏自身，IT手段无法检测。”

陈与阿贡计算科学家Hyekyung（Clarisse）Kim合作，开发了一种基于物理、规则的网络安全方法，增加了一层安全防护，可抵御已渗透IT边界的攻击。

“基于物理的方法极具吸引力，能在恶意信号和命令存在时检查数据完整性并维持系统稳定，”Kim说。

陈和Kim近期帮助Hitachi ABB Power Grids的工程师增加新安全层和决策框架，以精准识别并阻断网络威胁，即使遭受攻击也能保持电网运行。他们的成果发表在《IEEE电力系统汇刊》上。

阿贡团队的工作是Hitachi ABB Power Grids为DOE网络安全、能源安全和应急响应办公室（CESER）管理的更广泛项目的一部分，旨在保护高压直流（HVDC）输电线路。

保护HVDC系统免受网络攻击

美国电网约有70万电路英里的线路，主要靠交流（AC）输电。随着电网现代化，HVDC系统已超越最初作为AC输电补充的角色，成为高效、灵活的能源传输系统。

除了能以低损耗远距离输送大量电力，HVDC系统还能更容易整合风能、太阳能等可再生能源，并改善网络性能。

因直接影响系统稳定性，保护HVDC系统免受网络攻击至关重要。例如，网络攻击可能引发“级联故障”，即电力系统一两个部件故障触发其他部件故障，可能导致大规模停电甚至全网瘫痪。

“HVDC站远程和本地接入点的增加虽极大便利了各类应用，但也显著扩大了内外部恶意攻击者可利用的攻击面，”陈说。

许多HVDC应用依赖广域监测、保护与控制（WAMPAC）平台收集的实时数据，用于分析和远程控制HVDC系统功率输出。虽有益，但WAMPAC平台也可能为黑客敞开大门。

“因相量测量单元分布在不同位置，存在数据收集和远程控制的通信框架，从而产生网络攻击漏洞，”陈说。

采用基于规则的网络安全方法，陈和Kim创建了一个算法，利用物理定律验证通过WAMPAC平台收集的数据，以检测虚假数据注入攻击。此类攻击中，对手试图注入虚假数据欺骗或误导能量管理系统，从而破坏供电。

电网运营商通过大规模电子设备网络收集和处理超高分辨率的实时电网信息，保持态势感知，Kim表示。

“我们的检测技术利用物理定律检测这些设备上的虚假数据注入攻击，同时满足严格的时间性能要求，”Kim解释。“我们基于这些设备接收数据的固有相互依赖性生成规则，判断其是否符合预期值或可能是虚假数据样本。”

“我们的工具向运营商报警攻击状态，识别被攻陷设备，并用正确值替换损坏数据，使电网运营即使在攻击进行中也能不间断继续，”Kim继续说道。

陈说该检测算法本质上是实际系统的数字副本或数字孪生。

“我们可持续模拟实际系统，提供代表系统真实状态的数据，”陈说。“我们能识别任何异常信号或行为，并区分是真实故障还是网络攻击。”

该算法具有图形用户界面，可通知运营商攻击进行中，识别被攻陷设备并显示结果供进一步分析。

检测算法证明成功

开发仿真模型后，团队在阿贡使用大量案例在各种运行条件下测试算法。结果显示，算法总能检测到首次恶意攻击，且在区分被攻陷与未被攻陷数据方面准确率近100%。

随后在北卡罗来纳州ABB美国企业研究中心测试。阿贡技术集成到Hitachi ABB的实时数字仿真测试床中。模拟攻击被成功检测。

最终演示在俄勒冈州博纳维尔电力管理局（BPA）的复制站进行。成功演示展示了可为HVDC系统提供的一系列潜在防护。

“这是一种通用的基于规则的方法，可用于其他物理系统和产品，可作为功能模块集成，或作为连接到现有系统的独立设备开发，”陈表示，他正继续研究该算法。

电网的未来

随着美国电网演进和网络威胁日益复杂，保护HVDC站对大电力系统的可靠运行、保护和控制至关重要。展望未来，不断变化的网络环境意味着单纯的IT防护已不够。

“虽然存在许多从IT角度监控网络流量的检测方法，但能量输送系统的脆弱性仍存缺口，”陈说。“例如，固件攻击可绕过操作系统和恶意软件检测，即使IT部门遵循最佳网络安全实践。因此，必须从超越IT的视角保护能量输送系统。”

本文由阿贡国家实验室撰稿人Beth Burmahl撰写。更多信息请联系：media@anl.gov 或访问 www.anl.gov.