劉絢：向電力網絡安全宣誓

段盼盼 杜月嬌

劉絢在電子系統技術國際會議上作邀請報告

電力工業是一個國家的經濟命脈，在國民經濟和人民生活中占有極重要的地位。在最早的電力安全研究中，人們關注的多是電力系統的物理安全。但是隨著信息技術的深入融合，電力網絡變成了一個典型的信息物理系統，因此電力系統的物理安全不再代表電力系統的安全，而信息系統的脆弱性將直接影響物理安全。

“也就是說，我們在研究電力系統安全的時候，不僅僅考慮物理安全，還要研究信息系統安全對于整個電力系統安全的影響。”湖南大學電氣與信息工程學院教授劉絢是電網安全的守護者，他多年來一直從事電力系統信息物理安全，大數據及人工智能在電力系統中的應用等方面的研究工作。他表示，電力網絡安全貫穿于電力行業的生產、調度、經營、管理等各個環節，其安全性關系到我國國家安全和社會穩定，因此，守護電力網絡安全，他責無旁貸。

責任催生夢想

2010年6月，伊朗核設施控制系統被一種名為“震網”（Stuxnet）的病毒攻擊，病毒篡改了鈾濃縮離心機的參數設置，使其轉速提高，最終導致大批離心機損壞，大大延緩了伊朗核計劃進程。這是第一個專門定向攻擊真實世界中基礎（能源）設施的“蠕蟲”病毒，比如核電站、水壩、國家電網。

這起“震網”事件在國際上引起軒然大波，當時正在讀碩士研究生的劉絢看到這一消息，內心受到了極大的觸動。同時，他也了解到，我國電力基礎的軟硬件設施很多受制于國外，大量電表的核心芯片都要從國外引進，甚至部分設備的運維都要由國外的工程師進行遠程操作。這樣的認識讓劉絢備感壓力，他意識到，中國必須要走出一條自主、可控、安全的電力發展之路，以保障電力系統的安全運行，進而保障國家安全。于是，他一頭扎進了電力系統網絡安全領域。

2012年，劉絢前往美國伊利諾伊大學攻讀博士。在美國，他對電力網絡攻擊的機理以及脆弱性原理進行了系統的研究。他揭示了電力系統狀態估計對網絡攻擊的脆弱性機理，首次發現了電力系統攻擊數據的“壁壘效應”。同時，他還揭示了數據一致性-系統殘差-局部信息量之間的動態博弈關系和狀態估計中數據殘差校驗的邏輯漏洞，建立了基于不完全信息的攻擊驗證模型。

這些研究成果在國際上引起了廣泛關注，得到國際同行的高度認可，即評價該成果是“對電網網絡安全領域的重要貢獻，具有巨大研究潛力”。其中，IEEE Fellow、哥倫比亞大學教授Xiaodong Wang評價其為“完美的局部攻擊模型”。

其實，這些研究工作都是劉絢在緊鑼密鼓的課程間隙進行的。劉絢攻讀博士的第一年一直處于一個緊繃的狀態，過著“5+2”“白+黑”的忙碌生活。研究剛起步時，他要一邊查資料，一邊自己摸索，還不能落下課程。因為白天要上課，他只能利用晚上和周末的時間進行技術攻關。

那是劉絢在美國最忙碌的一年，如今他回想起來，那些日子還很鮮明。初到異國他鄉，便頂著學業和研究的雙重壓力，沒有娛樂，沒有休息日，只有在思想受困時，他才會去密歇根湖旁邊的人工漫步大道上散步、吹風，然后繼續思考問題。

之后，劉絢又針對電力系統工控業務的高實時性、高業務連續性，闡明了網絡攻擊下系統元件故障的形成機理以及傳播機制，例如，“輸電線路功率數據反向注入攻擊可誘導控制中心錯誤決策導致線路跳閘”。他揭示了基于實時工況信息攻擊的元件故障掩飾原理，闡明了網絡攻擊導致系統大停電事故的誘導性攻擊機理。該理論成果為系統高危隱患的挖掘、提升攻擊檢測準確率奠定了理論基礎和共性技術。

永遠走在路上

2017年，劉絢結束在美國的研究工作回到國內，加盟湖南大學電氣與信息工程學院，擔任教授、博士生導師。“來到湖南大學，我就發現，湖南大學非常適合年輕人發展。因為它有一個很寬松的人文環境，而且無論是科研環境，還是創新平臺，都為我們年輕人的發展創造了很好的條件。”劉絢說道，除了科研啟動經費和研究生指標的支持外，湖南大學還會召開青年教師座談會，及時了解年輕老師的發展動態，并提出相應的指導。在劉絢看來，湖南大學就像一塊沃土，滋養著他的科研夢想。

回國后，劉絢的研究工作得到了湖南省科技創新計劃、國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。在這些項目支持下，他繼續開展電網網絡安全主動防御技術、網絡攻擊監測算法等的研究，并深入研究了機器學習在電力系統中的應用。

尤其是電網網絡安全主動防御技術在當下的電力安全維護中有著至關重要的作用。近年來發生的大量攻擊案例表明，當前高度智能化和信息化的新一代電網網絡安全愈加突出，針對電力工控系統等國家關鍵基礎設施的攻擊，可以給電網帶來嚴重甚至是毀滅性的打擊。一旦遭受類似“震網”病毒的網絡攻擊產生大面積停電事故，其造成的損失將難以估量。因此，在網絡攻擊對電力系統造成危害之前，就要及時進行預警，并制定相應的措施阻止或降低網絡攻擊對電力系統造成的危害。

不過，目前電力監控業務安全實時監測防御技術面臨一些技術難點：一是，隨著5G技術、互聯網技術的深度融合，海量終端接觸到了現代電網，導致了網絡安全邊界的模糊化；二是，電力調度嚴重依賴于業務數據的準確性，實時交互的控制指令易被偽造甚至被精確篡改，導致電力調度安全隱患管控難度極大；三是，具備多元互動能力的能源互聯網廣泛分布于非受控環境下，面臨著泛在和高度定制化的網絡攻擊威脅，傳統監測手段難以識別精心定制的網絡攻擊。

針對這些問題，劉絢率領團隊攻克了電力設備漏洞復合挖掘方法、融合業務邏輯和數據特征的網絡安全協同監測、電力系統網絡安全主動防御等技術，防范了網絡攻擊導致一次設備誤動作觸發連鎖故障等重大安全隱患，提升了電力監控系統對于惡意攻擊的韌性和自愈力。

項目成果已成功應用于湖南、天津、湖北、浙江、福建等省級電力公司，以及交通、石化等其他重點行業。項目成果避免了因網絡與信息安全事件引發的電網大面積停電事故，在黨的十九大、“護網”行動等重大活動安全保電工作中發揮了重要作用，為保障國家經濟、社會穩定起到了巨大作用。

眾所周知，我國的電網在世界上規模最大，信息化程度也最高，這就決定了我國電力網絡安全的防御難度也是空前嚴峻的。劉絢介紹說，網絡攻擊與防御其實是一個動態博弈的關系，沒有百分之百的安全。隨著新型攻擊類型的涌現，其防御策略也必須要持續提高。所以，他們的研究永遠在路上。

這是一件有意義的事

目前，中國電網已經成為全球安全運行水平最高的電網，這一方面得益于國家對于電網安全的高度重視，另一方面也跟中國電力人的艱苦攻關分不開。作為其中一員，劉絢引以為榮，同時也感到很幸福。他將電力網絡安全研究工作定義為“有意義的事”，笑稱道：“我們也是為人民服務，這讓我們很有榮譽感。”

作為當下最為火熱的研究技術，人工智能和大數據技術也在電力系統中綻放異彩。然而，這些技術的應用在提高電網輸電效率的同時，也增加了電網的安全隱患。“沒有網絡安全就沒有國家安全”，同樣的，沒有電網安全也沒有國家安全。因此，劉絢及其團隊也在大數據分析與應用方面也取得了一系列科研成果。

配網變壓器的額定容量是供電部門根據其位置、負荷及正常過負荷能力、事故過負荷的承受能力選取的，其原則是使負荷運行于對應變壓器的經濟運行區間，但是在目前配網中卻長期存在配電管理系統中的配電變壓器額定容量與實際變壓器容量不符合的現象。

在以往的經驗中，容量校核方法均是基于現場實驗測試，存在兩個嚴重的缺點，一是在進行現場測試時需要將變壓器停運，這將嚴重影響到供電質量以及配網經濟運行；二是因為配網變壓器具有數量多、分布廣的特點，利用人工現場校核的方法不僅需要耗費大量的人力和物力，而且校核的效率極低，難以實現配網中所有變壓器額定容量的逐一排查。因此，亟須一種能夠利用配網電氣信息采集系統的在線數據實現變壓器額定容量在線校核的方法，以解決目前配網變壓器額定容量摸排校核困難的問題。

針對這些難題，劉絢基于大數據分析和人工智能技術，首次提出了一種基于電壓降相間-時間差分的變壓器額定容量校核方法。顧名思義，劉絢團隊利用相間差分法弱化了配電變壓器高壓側數據波動對校核造成的影響，然后結合時間差分法降低配電變壓器運行環境所帶來的擾動。這不僅降低了數據中包含的額外干擾，還有效凸顯了變壓器電壓降與其額定容量的內在關系。

“通過這個方法我們實現了基于實時運行數據的、遠程的、在線的容量校核。也就是說，我們不去做現場校驗，我們只需要根據現場的數據進行遠程的、在線的校核就可以了，效率大為提高，而且準確率也可以得到保證。”劉絢介紹說。

除此之外，劉絢團隊的其他科研項目也正在陸續取得一系列階段性成果。談及下一步的打算，劉絢表示，電網網絡安全主動防御領域的研究工作還需要進行更深入的技術攻關。通過研究工作，他們將持續提升中國電網的自主可控能力，同時進一步增強電網防御惡意網絡攻擊的能力。

嚴于律己，以身作則

身為高校教師，劉絢不但承擔著科研攻關的使命，還要擔負起教書育人的重任。他負責講授湖南大學本科生的兩門核心專業課，即“電力系統基礎”和“電力系統分析”，還承擔了一門研究生課程——“智能電網專題”。

無論是本科生課程，還是研究生課程，劉絢都給予了足夠的重視。在他看來，本科的學業是一個起步階段，只有基礎打得夠牢，往后的道路才能越走越遠。而研究生的課程是一個輔助，這個階段的學生都已經有了明確的方向，而他能做的就是傾其所有幫助他們走得更穩。

課堂上和課堂下的劉絢，在很多學生眼中是不一樣的。在課堂下的生活中，劉絢遵循著“師者仁心”的原則，對學生很關心，也很照顧，有什么問題他都愿意熱心地幫助學生。然而，課堂上的劉絢卻是嚴厲的，對學生有著嚴格的要求。

智能電網技術論壇主題報告

劉絢表示，當今社會充滿了激烈的競爭，對學生嚴格要求，是希望他們能打好基礎、本事練到家，這樣他們以后才能在社會上立足，具有競爭力。他深知要把學生造就成一種什么人，自己就應當是什么人。所以，他親自為學生做表率，每天早上8點前到辦公室。他說道：“我就是想告訴他們一個科研態度，科學研究要靠自覺。”

每周，劉絢還要與學生進行一對一的學業討論，逐字逐句給學生修改論文，教會他們如何撰寫一篇合格的科學論文。他鼓勵學生挑戰科學難題，大膽表述自己的研究觀點。因為在教學工作上的表現出色，他獲得了湖南大學講課比賽三等獎，湖南大學教學成果獎一等獎。

在生活中，劉絢其實沒有多少閑暇時光，偶爾能夠偷閑時，他最喜歡的也是散步、聽歌，雖然會打羽毛球，但是卻不擅長。他坦言，沒有像樣的體育愛好，使他感到非常遺憾。有時也會起念想要培養一項體育愛好，可他又很快在忙碌的工作中將這一想法拋之腦后。于是，他想了想，笑著說道：“我還是最享受埋頭研究的生活。”