物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的技術(shù)應(yīng)用及安全防護(hù)

張麗敏，申文棟，孟 軍

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.晉城供電公司，山西 晉城 048000；3.山西省電力公司，山西 太原 030001）

物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的技術(shù)應(yīng)用及安全防護(hù)

張麗敏1，2，申文棟1，2，孟 軍3

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.晉城供電公司，山西 晉城 048000；3.山西省電力公司，山西 太原 030001）

闡述了物聯(lián)網(wǎng)的背景及其概念，從發(fā)電、輸電、配電、變電、電力調(diào)度、用戶等方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，結(jié)合新技術(shù)所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并得出物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中如何做好安全防護(hù)。

物聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；安全風(fēng)險(xiǎn)；安全防護(hù)

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司于2009年5月首次公布了智能電網(wǎng)計(jì)劃，全面建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的自主創(chuàng)新、國(guó)際領(lǐng)先的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。在信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的智能電網(wǎng)中，以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為代表的前沿技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。各項(xiàng)前沿技術(shù)的應(yīng)用也將為電力網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)帶來新的安全風(fēng)險(xiǎn)，如物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的低可賴性、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)谋O(jiān)聽竊取等都是需要解決的安全問題。如果安全防護(hù)措施不當(dāng)，電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)的保密性、傳輸信息的完整性和可用性、電力用戶的隱私等可能受到破壞，還可能威脅到電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的安全，甚至影響電力生產(chǎn)安全。

1 物聯(lián)網(wǎng)的背景

2008年底，IBM向美國(guó)政府提出了“智慧地球”戰(zhàn)略，建議美國(guó)選舉后的新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施?！爸腔鄣厍颉钡幕驹O(shè)想是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、公路、橋梁、大壩、隧道、供水系統(tǒng)、油氣管道、建筑等各種物體中，并且被普遍連接，從而形成物聯(lián)網(wǎng)。此概念提出后在美國(guó)各界受到高度關(guān)注。歐盟于2009年6月啟動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃。日本在2009年8月在U-Japan基礎(chǔ)上啟動(dòng)I-Japan戰(zhàn)略。韓國(guó)提出USN、U-Korea戰(zhàn)略。

自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國(guó)”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，寫入政府工作報(bào)告，物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)受到了社會(huì)極大地關(guān)注。在國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《智能電網(wǎng)技術(shù)》一書中展望了智能電網(wǎng)未來的應(yīng)用，其中提到“智能城市的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將給智能電網(wǎng)的建設(shè)帶來不可忽視的影響”，認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用在電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、電力安全生產(chǎn)管理、智能用電、電力資產(chǎn)全壽命周期管理等方面?，F(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新的階段將會(huì)是后信息化時(shí)代的電網(wǎng)，也將是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作用下的互動(dòng)智能電網(wǎng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的概念

1999年“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)概念被提出。目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)仍沒有一個(gè)特別明確的定義，較為公認(rèn)的認(rèn)識(shí)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。從其概念上可以看出，物聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)基本特征，即一是全面感知，利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時(shí)隨地采集物體的動(dòng)態(tài)信息；二是可靠傳遞，通過網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送；三是智能處理，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及時(shí)對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息控制，真正達(dá)到人與物的溝通、物與物的溝通。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

目前，我國(guó)的智能電網(wǎng)注重的是電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度這六個(gè)環(huán)節(jié)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的特征。與之匹配的通信技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、量測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)也成為了智能電網(wǎng)的發(fā)展核心，物聯(lián)網(wǎng)的加入可以全方位提高智能電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息感知度、敏銳度，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效整合通信及電力基礎(chǔ)設(shè)施資源，使信息通信基礎(chǔ)設(shè)施資源服務(wù)于電力系統(tǒng)運(yùn)行，從而提高電力系統(tǒng)信息化水平，改善現(xiàn)有電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率[1]。

智能電網(wǎng)的本質(zhì)是能源替代和兼容利用，它需要在開放的系統(tǒng)和共享信息模式的基礎(chǔ)上，整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行和管理。開放式整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將徹底改變今天的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調(diào)度，乃至用戶側(cè)的全過程控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處處能夠體現(xiàn)在未來的智能電網(wǎng)中。

在發(fā)電方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電等進(jìn)行發(fā)電預(yù)測(cè)。智能電網(wǎng)可以更迅速、更方便地讓可再生能源發(fā)電等新型電力入網(wǎng)，比如分布式發(fā)電的入網(wǎng)。

在輸電方面，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)輸電線全長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)導(dǎo)線溫度、絕緣端子污穢、桿塔傾斜、覆冰、線路舞動(dòng)、微氣象等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取設(shè)備狀態(tài)信息，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和診斷。智能電網(wǎng)具有“自愈”功能，就是把電網(wǎng)中有問題的元件從系統(tǒng)中隔離出來，并在很少或不用人為干預(yù)的情況下使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，幾乎不需要中斷對(duì)用戶的供電服務(wù)。智能電網(wǎng)在黑啟動(dòng)中，能夠自動(dòng)配置啟動(dòng)方案，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，供調(diào)度人員參考，從而提高設(shè)備可靠性和運(yùn)行效率[2]。

在變電方面，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)變電站的周界安全進(jìn)行防護(hù)?；谡緝?nèi)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息融合交互，通過電力專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至設(shè)備監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修管理，提升輸變電專業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行管理精益化水平。

在配電方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用在配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理、配電網(wǎng)設(shè)備的安全防護(hù)方面，提高電能利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低生產(chǎn)成本。

在用電方面，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，智能電網(wǎng)可以對(duì)用電信息采集進(jìn)行管理，從而對(duì)需求進(jìn)行更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。智能電網(wǎng)可以在智能電表的協(xié)助下，對(duì)供電量進(jìn)行調(diào)配，制定動(dòng)態(tài)計(jì)費(fèi)方案，以反映不同時(shí)刻的發(fā)電、輸電成本，鼓勵(lì)消費(fèi)者在可再生能源發(fā)出大量電力時(shí)增加用電，這有助于舒緩用電峰谷，使電網(wǎng)保持供需平衡。

在電力調(diào)度方面，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)行監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。通過遍布電網(wǎng)的傳感器及時(shí)感知電網(wǎng)內(nèi)部的運(yùn)行情況，反饋給調(diào)度系統(tǒng)全局電能的損耗情況，并能夠輔助調(diào)度人員控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式，在保證安全運(yùn)行的前提下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，節(jié)省能源消耗，推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)。

在用戶側(cè)用電的過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)智能家居。目前常用的有情境控制、門禁系統(tǒng)、防盜監(jiān)控系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)等，新一代的研究將著重于通信、信息及生活增值平臺(tái)的整合與應(yīng)用，從而根據(jù)各自運(yùn)行特性達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行。

總之，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能電網(wǎng)將會(huì)形成一個(gè)以電網(wǎng)為依托，覆蓋城鄉(xiāng)各用戶及用電設(shè)備的龐大的物聯(lián)網(wǎng)，成為“感知中國(guó)”的最重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的相互滲透、深度融合和廣泛應(yīng)用，能有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)資源，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提升電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化水平，提升電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量。

4 物聯(lián)網(wǎng)所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用給人們帶來很多便利之處，但伴隨著的還有網(wǎng)絡(luò)信息安全的防護(hù)問題。如果網(wǎng)絡(luò)信息安全得不到保障，那么許多個(gè)人隱私都隨時(shí)被他人惡意竊取而泄露，尤其是在信息化迅猛發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)竊密與反竊密技術(shù)在迅速發(fā)展?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)的特殊性及其迅猛發(fā)展的趨勢(shì)，物聯(lián)網(wǎng)所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)包括對(duì)無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的攻擊和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)軟件、系統(tǒng)、協(xié)議棧的攻擊[3]。

4.1 傳感器本體安全問題

物聯(lián)網(wǎng)在感知層采集數(shù)據(jù)時(shí)，其信息傳輸方式基本是無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此，與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)一樣，使用無線通信方式的物聯(lián)網(wǎng)消息通信如果缺乏有效保護(hù)措施很容易受到非法監(jiān)聽、篡改、偽造、阻斷攻擊等。

4.2 核心網(wǎng)絡(luò)安全問題

物聯(lián)網(wǎng)在采集信息的過程中形成大量的信息節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行信息監(jiān)控、感知和搜集，但由于這些節(jié)點(diǎn)容易導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)同時(shí)接收和發(fā)送，使網(wǎng)絡(luò)擁塞，產(chǎn)生拒絕服務(wù)攻擊。由于物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)布置的自組性、隨機(jī)性、能量的限制和通信的不可靠性，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)不具備基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，這就為入侵者插入虛假路由信息、通過虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)起攻擊提供了可能性。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中各物品設(shè)備的日志等信息進(jìn)行安全有效地管理，物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)強(qiáng)大而統(tǒng)一的安全管理平臺(tái)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的安全問題

物聯(lián)網(wǎng)的核心在于通過識(shí)別解決實(shí)際問題，而物聯(lián)網(wǎng)的部署和連接是交叉進(jìn)行的，運(yùn)行時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致應(yīng)用終端的輸入、輸出控制困難，存在著應(yīng)用終端與感知節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程簽約識(shí)別問題，黑客、惡意軟件以及病毒的攻擊和對(duì)3G終端的不法利用等問題。

5 智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)研究

要做好智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)的安全防護(hù)，必須解決智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)安全應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的需求，降低電網(wǎng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全風(fēng)險(xiǎn)，為構(gòu)建智能電網(wǎng)主動(dòng)防御體系提供保障和支撐[4]。根據(jù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的深入研究，在信息感知、信息傳輸、信息處理三個(gè)層面采取安全機(jī)制，解決傳感器本體、核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用層面的安全問題，從而提高物聯(lián)網(wǎng)的安全性，保障系統(tǒng)及其上傳輸信息的機(jī)密性、完整性、可用性。充分考慮智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)中物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)信息安全風(fēng)險(xiǎn)及物聯(lián)網(wǎng)安全終端、安全芯片、安全操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息安全體系、遠(yuǎn)程安全運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)的安全問題，確保信息內(nèi)外網(wǎng)安全，避免攻擊者通過物聯(lián)網(wǎng)滲入網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)作為未來信息領(lǐng)域發(fā)展的新方向?qū)⒃谌藗兊娜粘Ｉ詈蜕鐣?huì)生產(chǎn)的各個(gè)方面產(chǎn)生廣泛而深入的影響，交通、電力、建筑、運(yùn)輸、鐵路、水力等各大產(chǎn)業(yè)都將逐漸開始物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)顯著提高社會(huì)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也要看到其對(duì)國(guó)家秘密、公民隱私保護(hù)和信息安全等安全問題提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還處于起步階段，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的技術(shù)應(yīng)用和安全防護(hù)問題的研究任重而道遠(yuǎn)。

［1］ 錢彬，莫日宏.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2010（12）:51-53.

［2］ 高宇.物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)［J］.華北電業(yè)，2010（2）:54-56.

［3］ 劉件，侯毅.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的信息安全防護(hù)研究［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011（1）:15-19.

［4］ 吳同.淺析物聯(lián)網(wǎng)的安全問題［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2010（8）:7-8轉(zhuǎn)27.

The App lication of Internet of Things in Smart Grid and Its Security Protection Measures

ZHANG Li-m in1,2，SHENWen-dong1,2，MENG Jun3
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Jincheng Power Supply Company，Jincheng，Shanxi 048000，China；3.Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

This paper briefly introduces the background and concept of Internet of Things.The application of the Internet of Things in Smart Grid is illustrated from the aspects of power generation,transmission，distribution，transformation and dispatching.The new technique is analyzed in terms of security risks and the security protectionmeasures are discussed correspondingly.

Internet of Things；SmartGrid；security risk；security protection

TM73；TM76

A

1671-0320（2012）04-0036-03

2012-03-28，

2012-06-21

張麗敏（1980-），女，山西晉城人，2009級(jí)華北電力大學(xué)項(xiàng)目管理在讀工程碩士，工程師，從事信息系統(tǒng)管理工作；

申文棟（1978-），男，山西晉城人，2009級(jí)華北電力大學(xué)項(xiàng)目管理在讀工程碩士，工程師，從事信息系統(tǒng)管理工作；

孟 軍（1963-），男，北京人，1997年畢業(yè)于長(zhǎng)沙電力學(xué)院財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)專業(yè)，從事工程經(jīng)營(yíng)管理工作。