劉絢：向電力網(wǎng)絡(luò)安全宣誓

段盼盼 杜月嬌

電力工業(yè)是一個國家的經(jīng)濟命脈，在國民經(jīng)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(guān)注的多是電力系統(tǒng)的物理安全。但是隨著信息技術(shù)的深入融合，電力網(wǎng)絡(luò)變成了一個典型的信息物理系統(tǒng)，因此電力系統(tǒng)的物理安全不再代表電力系統(tǒng)的安全，而信息系統(tǒng)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(tǒng)安全的時候，不僅僅考慮物理安全，還要研究信息系統(tǒng)安全對于整個電力系統(tǒng)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(wǎng)安全的守護者，他多年來一直從事電力系統(tǒng)信息物理安全，大數(shù)據(jù)及人工智能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面的研究工作。他表示，電力網(wǎng)絡(luò)安全貫穿于電力行業(yè)的生產(chǎn)、調(diào)度、經(jīng)營、管理等各個環(huán)節(jié)，其安全性關(guān)系到我國國家安全和社會穩(wěn)定，因此，守護電力網(wǎng)絡(luò)安全，他責無旁貸。

責任催生夢想

2010年6月，伊朗核設(shè)施控制系統(tǒng)被一種名為“震網(wǎng)”（Stuxnet）的病毒攻擊，病毒篡改了鈾濃縮離心機的參數(shù)設(shè)置，使其轉(zhuǎn)速提高，最終導(dǎo)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(chǔ)（能源）設(shè)施的“蠕蟲”病毒，比如核電站、水壩、國家電網(wǎng)。

這起“震網(wǎng)”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(nèi)心受到了極大的觸動。同時，他也了解到，我國電力基礎(chǔ)的軟硬件設(shè)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(shè)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(fā)展之路，以保障電力系統(tǒng)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)攻擊的機理以及脆弱性原理進行了系統(tǒng)的研究。他揭示了電力系統(tǒng)狀態(tài)估計對網(wǎng)絡(luò)攻擊的脆弱性機理，首次發(fā)現(xiàn)了電力系統(tǒng)攻擊數(shù)據(jù)的“壁壘效應(yīng)”。同時，他還揭示了數(shù)據(jù)一致性-系統(tǒng)殘差-局部信息量之間的動態(tài)博弈關(guān)系和狀態(tài)估計中數(shù)據(jù)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(guān)注，得到國際同行的高度認可，即評價該成果是“對電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)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(tài)，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(shù)攻關(guān)。

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(xiāng)，便頂著學業(yè)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(xù)思考問題。

之后，劉絢又針對電力系統(tǒng)工控業(yè)務(wù)的高實時性、高業(yè)務(wù)連續(xù)性，闡明了網(wǎng)絡(luò)攻擊下系統(tǒng)元件故障的形成機理以及傳播機制，例如，“輸電線路功率數(shù)據(jù)反向注入攻擊可誘導(dǎo)控制中心錯誤決策導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)大停電事故的誘導(dǎo)性攻擊機理。該理論成果為系統(tǒng)高危隱患的挖掘、提升攻擊檢測準確率奠定了理論基礎(chǔ)和共性技術(shù)。

永遠走在路上

2017年，劉絢結(jié)束在美國的研究工作回到國內(nèi)，加盟湖南大學電氣與信息工程學院，擔任教授、博士生導(dǎo)師。“來到湖南大學，我就發(fā)現(xiàn)，湖南大學非常適合年輕人發(fā)展。因為它有一個很寬松的人文環(huán)境，而且無論是科研環(huán)境，還是創(chuàng)新平臺，都為我們年輕人的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。”劉絢說道，除了科研啟動經(jīng)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(fā)展動態(tài)，并提出相應(yīng)的指導(dǎo)。在劉絢看來，湖南大學就像一塊沃土，滋養(yǎng)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(chuàng)新計劃、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。在這些項目支持下，他繼續(xù)開展電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全主動防御技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)攻擊監(jiān)測算法等的研究，并深入研究了機器學習在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

尤其是電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全主動防御技術(shù)在當下的電力安全維護中有著至關(guān)重要的作用。近年來發(fā)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全愈加突出，針對電力工控系統(tǒng)等國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的攻擊，可以給電網(wǎng)帶來嚴重甚至是毀滅性的打擊。一旦遭受類似“震網(wǎng)”病毒的網(wǎng)絡(luò)攻擊產(chǎn)生大面積停電事故，其造成的損失將難以估量。因此，在網(wǎng)絡(luò)攻擊對電力系統(tǒng)造成危害之前，就要及時進行預(yù)警，并制定相應(yīng)的措施阻止或降低網(wǎng)絡(luò)攻擊對電力系統(tǒng)造成的危害。

不過，目前電力監(jiān)控業(yè)務(wù)安全實時監(jiān)測防御技術(shù)面臨一些技術(shù)難點：一是，隨著5G技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，海量終端接觸到了現(xiàn)代電網(wǎng)，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)安全邊界的模糊化；二是，電力調(diào)度嚴重依賴于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(dǎo)致電力調(diào)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(lián)網(wǎng)廣泛分布于非受控環(huán)境下，面臨著泛在和高度定制化的網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅，傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以識別精心定制的網(wǎng)絡(luò)攻擊。

針對這些問題，劉絢率領(lǐng)團隊攻克了電力設(shè)備漏洞復(fù)合挖掘方法、融合業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)特征的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)同監(jiān)測、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全主動防御等技術(shù)，防范了網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致一次設(shè)備誤動作觸發(fā)連鎖故障等重大安全隱患，提升了電力監(jiān)控系統(tǒng)對于惡意攻擊的韌性和自愈力。

項目成果已成功應(yīng)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(yè)。項目成果避免了因網(wǎng)絡(luò)與信息安全事件引發(fā)的電網(wǎng)大面積停電事故，在黨的十九大、“護網(wǎng)”行動等重大活動安全保電工作中發(fā)揮了重要作用，為保障國家經(jīng)濟、社會穩(wěn)定起到了巨大作用。

眾所周知，我國的電網(wǎng)在世界上規(guī)模最大，信息化程度也最高，這就決定了我國電力網(wǎng)絡(luò)安全的防御難度也是空前嚴峻的。劉絢介紹說，網(wǎng)絡(luò)攻擊與防御其實是一個動態(tài)博弈的關(guān)系，沒有百分之百的安全。隨著新型攻擊類型的涌現(xiàn)，其防御策略也必須要持續(xù)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(wǎng)已經(jīng)成為全球安全運行水平最高的電網(wǎng)，這一方面得益于國家對于電網(wǎng)安全的高度重視，另一方面也跟中國電力人的艱苦攻關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(wù)，這讓我們很有榮譽感。”

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

配網(wǎng)變壓器的額定容量是供電部門根據(jù)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(yīng)變壓器的經(jīng)濟運行區(qū)間，但是在目前配網(wǎng)中卻長期存在配電管理系統(tǒng)中的配電變壓器額定容量與實際變壓器容量不符合的現(xiàn)象。

在以往的經(jīng)驗中，容量校核方法均是基于現(xiàn)場實驗測試，存在兩個嚴重的缺點，一是在進行現(xiàn)場測試時需要將變壓器停運，這將嚴重影響到供電質(zhì)量以及配網(wǎng)經(jīng)濟運行；二是因為配網(wǎng)變壓器具有數(shù)量多、分布廣的特點，利用人工現(xiàn)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(xiàn)配網(wǎng)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(wǎng)電氣信息采集系統(tǒng)的在線數(shù)據(jù)實現(xiàn)變壓器額定容量在線校核的方法，以解決目前配網(wǎng)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(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，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(cè)數(shù)據(jù)波動對校核造成的影響，然后結(jié)合時間差分法降低配電變壓器運行環(huán)境所帶來的擾動。這不僅降低了數(shù)據(jù)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(nèi)在關(guān)系。

“通過這個方法我們實現(xiàn)了基于實時運行數(shù)據(jù)的、遠程的、在線的容量校核。也就是說，我們不去做現(xiàn)場校驗，我們只需要根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)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(xù)取得一系列階段性成果。談及下一步的打算，劉絢表示，電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全主動防御領(lǐng)域的研究工作還需要進行更深入的技術(shù)攻關(guān)。通過研究工作，他們將持續(xù)提升中國電網(wǎng)的自主可控能力，同時進一步增強電網(wǎng)防御惡意網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(yè)課，即“電力系統(tǒng)基礎(chǔ)”和“電力系統(tǒng)分析”，還承擔了一門研究生課程——“智能電網(wǎng)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(yè)是一個起步階段，只有基礎(chǔ)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(jīng)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(wěn)。

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(guān)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。

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(chǔ)、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(yīng)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(tài)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(yè)討論，逐字逐句給學生修改論文，教會他們?nèi)绾巫珜懸黄细竦目茖W論文。他鼓勵學生挑戰(zhàn)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(xiàn)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(yǎng)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。”