电力系统的数字化和网络安全

核心要点

• 数字化引入了新的通信层、软件组件和数据流，影响了工程师对电力系统网络安全的思考。
  
• 分布式资源、数字变电站和企业平台扩大了可影响物理电网行为的设备和接口的数量。
  
• 网络安全取决于对网络和物理系统综合行为的理解，这需要共享模型、协调一致的团队和详细的测试。
  
• 实时仿真 为观察设备在通信压力、异常数据模式和网络相关条件下的行为提供了一种安全可信的方法。
  
• 网络物理测试平台为工程和安全团队提供了验证控制、评估新架构和加强应对策略的实用途径。
  

现在，每一位从事现代电网工作的工程师都肩负着网络安全的责任，即使这些责任从未出现在他们的职称中。数字控制、基于软件的保护和远程访问可以帮助您运行更灵活、更高效的系统，但同时也为攻击者带来了新的攻击途径。现在，断路器操作、设定值更改或错误标记资产都会产生物理后果和数字足迹。选择如何对组合系统进行建模、测试和安全保护，与选择线路、变压器或换流器额定值一样重要。

许多团队仍将网络问题视为一门独立的学科，由很少接触单线图的人员管理，并将其置于另一栋大楼中。这种分隔不再能反映实际系统的行为方式。控制中心、变电站、分布式资源和现场设备现在是一个连续的网络物理系统。了解电力系统中的数字化和网络安全的工程师可以指导需求、质疑假设并设计测试，使电子和数据包都处于受控状态。

"现在，断路器操作、设定值更改或错误标记资产都会产生物理后果和数字足迹"。

了解电力系统的数字化和网络安全

电力系统的数字化描述了从模拟、孤立设备到依赖软件、通信网络和数据平台的资产的转变。目前，公用事业公司使用自动化、传感器和分析技术来更精确地管理负荷、发电和制约因素。这些工具支持可靠性、提高可视性，并使规划更加适应可再生资源。与此同时，对数字系统的依赖意味着网络问题可能会产生直接的实际影响。

电力系统网络安全的重点是保护数字层和建立在数字层之上的流程。相关标准要求各组织识别关键资产、控制访问、确保通信安全并制定事故响应计划。数字化程度的提高扩大了攻击面，提高了保护电网控制逻辑、测量系统和分布式设备的重要性。对于工程团队来说，核心问题是如何将网络安全嵌入建模、测试和验证工作流程，以便尽早了解风险。

影响当今电力系统运行的数字化趋势

现代电力系统的运行反映了数据收集、处理和使用方式的重大转变。测量的分辨率更高，覆盖的地理范围更广。控制逻辑跨越多层软件而非单一设备。这些变化影响了突发事件的发生方式以及网络事件在网络和设备中的传播方式。

监管期望、不断变化的负载状况以及分布式能源资源的广泛采用，都促使团队采用数字化工具。随着系统变得越来越复杂，更精细的监控有助于管理电压、频率和拥塞。当规划和运营团队了解哪些数字化创新支持恢复能力，哪些会带来不必要的复杂性时，他们就会从中受益。

• 高分辨率传感和计量： 相位监测器、高级计量器和馈线传感器可为控制和规划提供细粒度数据。这些新的端点必须经过验证和监控，因为损坏的数据会误导操作员或分析工具。
• 数字变电站和过程总线架构：变电站现在依赖合并单元、继电器和站控制器之间基于以太网的通信。这增加了灵活性，但取决于安全的时间同步、适当的配置和对信息完整性的仔细验证。
• 分布式资源和电力电子技术的发展：逆变器、充电器和存储控制器依赖于固件、远程访问和云功能。配置错误或恶意指令可能会引发电压偏移或协调问题。
• 运营和信息网络的融合： 控制系统越来越多地与企业工具交换数据，用于预测、资产健康状况和报告。如果这些网络之间的接口设计不当，就会带来新的风险。
• 使用数据平台和云应用程序：公用事业公司整合云工具进行分析和预测。这需要在加密、身份验证和数据质量方面做出谨慎的决定。
• 扩展数字孪生 和实时仿真： 仿真平台可帮助团队研究动态、规划升级和测试控制策略。现在，这些同样的工具通过创建安全环境来检查攻击或通信故障，从而为网络物理实验提供支持。

数字化影响着每个部门，而不仅仅是信息技术团队。现场设备中一个小小的配置疏忽就会影响规划模型、保护设置和网络监控。将数字化作为一项共同的工程责任，有助于团队尽早解决问题，并更有效地协调工作。

数字化如何改变电网资产的网络安全优先级

数字化改变了哪些资产最需要关注，也改变了网络安全优先级的设定方式。传统的周界仍然重要，但现在已扩展到现场设备、网关、分布式控制器和云应用程序。攻击者不再需要接触到核心控制系统就能造成物理影响。数据滥用、通信延迟或错误指示都会影响系统稳定性。

各组织还需要使用反映电气影响和网络风险的标准来解释标准。考虑到这些关系的工程模型和测试平台可为团队提供更清晰的风险和系统行为证据。

控制中心和监控系统

控制中心拥有能源管理系统、SCADA 平台和重要数据库。通过远程访问、市场整合以及与企业平台的连接，数字化增加了接触面。这些系统依赖于模型的完整性、数据质量和可靠的通信。损坏的警报或不正确的拓扑信息会影响操作员的决策或自动操作。

因此，安全优先事项强调数据完整性、身份验证和严格的变更管理。工程团队在安全的环境中维护准确的模型并验证更新，有助于减少因输入受损而导致误操作的几率。

数字变电站和保护系统

数字化变电站现在依赖于联网的继电器、合并单元和开关设备。通信定时、信息验证和设备访问控制与协调曲线或拾取设置同样重要。如果在配置保护措施时没有考虑到安全性，欺骗性信息或重放攻击就会破坏时间上至关重要的流程。

测试工具和实时仿真 可帮助工程师验证通信故障、中断和异常信息模式下的保护行为。这些测试可揭示逻辑无法打开、访问控制不一致或时序裕度比预期更小的情况。

现场设备、分布式资源和边缘控制器

分布式资源往往处于传统安全边界之外。许多资源依赖于蜂窝网络、供应商门户网站或云连接仪表板。不正确的配置或薄弱的身份验证可能会导致电压控制问题、逆流或意外跳闸。

这些设备的网络安全重点包括安全入网、固件完整性和受控配置访问。工程师可以定义强制设置、验证测试和监控策略，以降低不安全交互的风险。

企业平台和操作界面

企业系统处理预测、资产数据、客户信息和报告。这些系统必须与操作平台交换信息。企业数据的破坏或滥用会影响规划研究、操作员决策和维护任务。

安全优先事项的重点是控制哪些信号跨越网络边界、监控数据访问，以及确保企业系统不能被用作进入运行网络的路径。仿真有助于说明损坏的数据如何影响系统行为，以及哪些缓解措施最为有效。

数字化带来了更多相互关联的责任。了解这些依赖关系并将其纳入测试的工程师可为组织的其他成员提供更清晰的指导。

网络安全仿真 在电网工程团队中的实际应用

工程团队可以扩展现有的仿真 模型，研究网络问题对物理电网行为的影响。这有助于确认系统是否安全，是否能抵御延迟或数据损坏，以及控制如何与网络市场活动相互作用。网络安全仿真 支持在现场无法进行的真实实验。

这些模拟的范围从简单的数据更改脚本到完整的硬件在环配置。团队通常从反映实际问题的适度练习开始，然后逐步建立更复杂的场景。

• 在网络压力下验证保护和控制逻辑：工程师可以针对欺骗性测量、阻塞信息或部分中断对逻辑进行测试，以揭示故障模式。
• 测试异常检测概念：仿真可让团队利用真实的良性和恶意行为调整检测规则。
• 量化通信故障的影响： 通信延迟和中断会影响稳定性和协调性。仿真可以帮助工程师直接测量这些影响。
• 在部署前评估新架构：可在网络物理仿真 环境中对拟议的通信方案或新设备进行评估。
• 支持事件重建和培训：可以重放过去的市场活动 ，以便团队研究网络和物理行为的结合，并验证更新的缓解计划。

小规模、有针对性的实验可以建立信任，并逐步发展成为结构化的测试实践，为规划、保护和操作提供支持。

"网络安全问题成为技术细节、治理和实际工程判断的共同练习"。

电网网络安全为何有赖于网络物理协调

电力系统的功能取决于测量、通信、软件和物理设备的同步运行。一个错误或延迟的信号对电压、频率和电力流的影响不亚于物理故障。将网络系统和物理系统视为独立的学科，掩盖了攻击者可以利用、防御者必须了解的相互作用。

工程师会在分布式控制方案、保护继电器和甩负荷逻辑中遇到这些依赖关系。一个被破坏的测量或一个停滞的控制器可能会引发错误的响应或隐藏新出现的突发事件。协调建模、测试和培训有助于团队认识网络市场活动 如何改变物理结果，以及物理突发事件如何影响网络系统。

实时仿真 如何加强网络安全测试工作流程

实时仿真 为安全地研究网络与物理的相互作用提供了一种实用的方法。团队可以运行与真实控制器、继电器和通信设备交互的高保真电网模型。基于场景的测试有助于工程师了解设备在异常流量或恶意输入下的行为。

实时仿真 还支持工程团队和网络安全团队之间的协作。安全专家可以引入真实的威胁条件，工程师可以详细观察设备的反应。

通过硬件在环测试实现闭环

硬件在环设置将实际设备与模拟电网连接起来。这样，团队就可以测试不安全条件下的行为，而不会危及真实资产。工程师可以在观察设备反应的同时，引入恶意数据模式、错误命令或通信中断。

这自然符合既定的保护和控制测试工作流程。测试结果会影响设置、架构选择和安全要求。

重现真实的网络流量和网络市场活动

网络物理测试平台可以重放真实的流量模式或复制异常通信条件。工程师可以研究延迟、数据包丢失或畸形信息如何影响电网稳定性和保护性能。

设备监控、检测逻辑和故障切换策略可通过这些场景进行验证。这样就能根据实际情况提出可行的见解。

自动进行回归和合规性检查

实时仿真支持在固件更新或配置更改后验证安全控制的自动测试例程。团队可以运行循环场景，以确认身份验证、故障转移和定时要求保持不变。

例行自动检查可减少审计或调试过程中的意外情况，并有助于使安全性与运行需求保持一致。

支持跨职能演习和培训

仿真环境允许操作员、工程师和分析师对网络物理事件进行演练。物理故障和网络市场活动 可以在受控条件下进行演练。各小组可以测试通信协议、响应计划和备用程序。

基于逼真模型的培训有助于参与者了解响应的时间、顺序和敏感性，从而改善各部门之间的协调。

工程师在确保数字化电力系统安全方面面临的主要挑战

数字化为电力系统工程师带来了新的挑战，他们现在要分担网络物理复原力的责任。保护、控制和规划任务越来越依赖于安全通信、一致的配置和强大的身份验证。

认识到这些挑战有助于团队确定优先次序，并在最需要的地方请求支持。

• 资产可见度有限：对固件版本、接口和配置的跟踪不一致，导致风险评估和测试复杂化。
• 传统设备：老式协议和设备不支持现代安全功能。更换或缓解需要仔细规划。
• 平衡安全与操作需求：严格的身份验证或加密可能会带来延迟，影响保护的时间安排。
• 统一 OT 和 IT 实践： 团队之间的目标不同会导致在补丁计划、访问规则和设计选择上出现分歧。
• 人员短缺： 许多组织缺乏同时具备网络安全和电力系统方面高超技能的人员。
• 与标准保持同步： 需求不断变化，将其转化为实际的工程任务可能非常耗时。

要应对这些挑战，就需要既能反映工程实际情况，又能改善安全成果的工具和流程。

OPAL-RT 如何支持先进的网络安全和数字化工作

工程团队使用OPAL-RT平台构建网络物理测试平台，在该平台上，电力系统模型可实时运行，并与物理保护、控制和通信设备进行交互。高保真仿真 引擎代表了基于输电、配电和变流器的系统，提供了保护和稳定性研究所需的细节。这些相同的模型为探索通信问题、数据操作和复杂交互的网络安全方案奠定了电气基础。硬件在环配置允许现场设备通过物理通信接口连接到现实电网模拟，为评估创造受控条件。

OPAL-RT 工具帮助工程和安全团队共享熟悉的网络物理分析环境。开放式架构和广泛的协议支持使集成第三方设备、网关和监控工具变得更加容易。团队可以编写反映安全要求的可重复场景脚本，然后捕捉详细的电气和数字行为进行评估。这些功能有助于组织将数字化项目与可靠的证据联系起来，并改善各学科之间的协调。