電力配電網自動化系統網絡安全風險及防護策略

【關鍵詞】電力配電網；自動化系統；網絡安全

引言

電力配電網自動化系統通過集成傳感器、通信網絡與智能終端，實現了對電網運行狀態的實時監控與自動化調控。然而，其開放化架構與多源數據交互特性，使其成為網絡攻擊的重要目標。2021年美國ColonialPipeline公司因勒索軟件攻擊導致燃油供應中斷，2022年烏克蘭電網遭受數據篡改攻擊引發區域停電，均暴露出電力基礎設施在網絡安全防護中的薄弱環節。本文旨在通過風險識別與防護策略設計，構建立體化安全體系，為電力行業數字化轉型提供安全保障[1]。

一、電力配電網自動化系統網絡安全風險分析

（一）系統結構脆弱性：縱深防御體系的瓦解風險

現代配電網自動化系統普遍采用“主站（調度中心）—子站（區域集控站）—終端”三級分布式架構，這種結構雖提升了響應效率，卻因跨層級、跨網絡的復雜互聯引入了多重脆弱性。（1）邊界模糊化。云平臺集中監控與邊緣計算節點下沉部署的融合，徹底打破了傳統“核心-外圍”的清晰安全域劃分?？刂浦噶钆c數據流在云、邊、端之間動態遷移，使得基于固定邊界的防火墻策略形同虛設，攻擊者可利用任意薄弱節點實施橫向滲透。（2）設備同質化。為追求兼容性與低成本，海量終端設備及子站服務器采用高度標準化的工業硬件平臺和通用操作系統，一旦某個固件或操作系統漏洞被利用，可在同型號設備間引發雪崩式連鎖感染。（3）供應鏈風險。系統大量集成第三方廠商的通信模塊、開源中間件及開發庫，這些“黑盒”組件可能潛藏未公開后門或被植入惡意代碼。某省級電網曾因某廠商數據傳輸單元設備預置的SSH（Secure Shell）弱密碼在供應鏈環節被篡改，導致47座子站面臨遠程操控威脅，凸顯架構級漏洞的全局性破壞力[2]。

（二）通信協議缺陷：控制通道的“不設防”危機

配電網自動化系統依賴的工業控制協議在設計之初聚焦實時性與可靠性，普遍犧牲了基礎安全性，成為網絡攻擊的天然突破口。（1）明文傳輸痼疾廣泛存在。例如，廣泛應用的分布式網絡協議第3版（Distributed Network Protocol version 3，DNP3）在默認配置下不啟用任何加密機制，攻擊者通過嗅探網絡流量即可直接獲取斷路器分合閘指令、遙測數據等敏感信息，并能在網絡層實施中間人攻擊篡改控制報文。（2）認證機制缺失。Modbus傳輸控制協議缺乏設備身份驗證與指令簽名機制，攻擊者僅需偽造合法互聯網協議（Internet Protocol，IP）地址即可向遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）設備注入惡意指令。（3）協議逆向風險。國際電工委員會公開的IEC608705104、IEC61850等核心協議規范文檔，雖促進了設備互操作性，但也為黑客提供了“攻擊藍圖”。攻擊者可據此精準構建畸形數據包，觸發設備解析錯誤，導致系統崩潰或拒絕服務，或利用協議狀態機漏洞劫持會話。某市供電公司攻防演練中，紅隊僅憑公開協議文檔就成功模擬變電站子站通信，實現非授權遙控開關操作，暴露原始協議設計的根本性缺陷[3]。

（三）數據安全威脅：全生命周期困局

配電網自動化系統在數據采集、傳輸、處理的全流程中面臨系統性安全缺口。（1）采集層終端淪陷風險劇增。部署于戶外的智能電表、故障指示器等終端設備物理防護薄弱，攻擊者可實施硬件拆解植入惡意芯片，或通過空中下載技術升級漏洞劫持固件，將終端轉化為數據竊取或攻擊跳板。2023年某廠商智能電表被曝存在硬編碼密碼，可遠程導出用戶用電曲線隱私數據。（2）傳輸層數據裸奔現象普遍。大量配電臺區終端至子站的回傳鏈路未啟用傳輸層安全（Transport Layer Security，TLS）/互聯網安全協議加密，導致實時負荷數據、相位角等關鍵參數在傳輸中被截獲篡改。攻擊者甚至可以偽造虛假故障電流數據誘發保護裝置誤動，引發電網連鎖故障。（3）應用層數據污染危害深遠。主站能量管理系統、配電管理系統依賴數據庫進行拓撲分析及潮流計算，若Web應用存在結構化查詢語言（Structured Query Language，SQL）注入漏洞，攻擊者可注入惡意指令篡改電網拓撲結構庫，誘導調度員做出錯誤決策。（4）針對歷史數據的高級持續性攻擊（Advanced Persistent Threat，APT）。黑客長期潛伏竊取電網運行規律數據，訓練人工智能模型模擬正常操作以掩蓋竊密行為，或在關鍵時刻發起精準打擊[4]。

（四）人為與組織風險：安全防線隱患

技術與管理的斷層最終體現為人為因素失控。（1）內部威脅破壞。具備系統高權限的運維人員可能因操作失誤或惡意行為直接導致系統癱瘓。2019年澳大利亞電網內部人員事件即通過虛擬專用網絡連接遠程觸發保護裝置跳閘。（2）安全管理嚴重滯后。安全策略更新速度遠低于威脅進化節奏，如2021年爆發的Log4j2核彈級漏洞，部分電力企業因補丁測試流程冗長延宕數月才修復，期間系統暴露于遠程代碼執行風險。（3）配置管理混亂。默認賬戶未禁用、網絡設備冗余端口開放等問題長期存在。（4）防御能力結構性缺失。一線運維人員普遍缺乏應對新型社會工程學攻擊的訓練，釣魚郵件、偽裝成設備廠商的詐騙電話成功率居高不下。某電力公司紅隊測試中，通過偽造“系統升級通知”郵件誘導員工點擊惡意鏈接，獲取率達31%，最終滲透至調度網段。（5）應急響應體系脆弱。多數企業未建立網絡攻擊與物理停電的聯動處置機制，當遭遇勒索攻擊疊加可編程邏輯控制器破壞事件時，難以實現跨部門協同止損。組織層面的風險積累，往往成為壓垮技術防線的最后一根稻草[5]。

二、電力配電網自動化系統安全防護策略設計

（一）分層防御體系構建：縱深協同的韌性屏障

（1）物理層防護需突破傳統被動防御模式，針對終端設備非法接入風險，部署射頻指紋認證技術成為關鍵。通過提取設備無線信號中獨有的晶振偏移、功放非線性等“硬件身份證”特征，可在毫秒級識別偽造終端。部分沿海城市配電網試點表明，該技術成功攔截了87%的偽終端入侵嘗試。通信介質防護則需光纖環網革命性替代，采用全雙工自愈型光纖以太環網替換易受電磁干擾的雙絞線，不僅實現微秒級故障倒換，還能天然抵御雷電感應過電壓與人為搭線竊聽。

（2）網絡層防護亟需架構級革新。零信任架構必須貫穿三級網絡，基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）控制器動態生成微分段策略，實現“主站-子站-終端”間最小化訪問權限。當檢測到子站異常登錄時，SDN交換機自動隔離該區域同時重路由數據流，人工智能流量監測系統需深度融合業務特征，利用長短期記憶網絡模型分析DNP3會話周期律，結合Modbus功能碼調用頻次基線，可精準識別偽裝成正常巡檢指令的端口嗅探行為。

（3）應用層防護聚焦密碼體系與韌性驗證。國密算法輕量化改造需克服工控設備算力瓶頸，開發基于RISCV指令集的SM4硬件加速卡，替換開放安全套接層軟件方案。SM2證書則采用國密局特批的短密鑰策略。在云平臺同步映射超過10萬的終端設備狀態，通過Fuzzing測試注入協議畸形包、虛假量測數據等2 000+攻擊向量，某電網公司借此發現3個未知漏洞并優化了保護定值邏輯。

（二）協議安全增強方案：從脆弱性到韌性防護體系構建

（1）協議加固需突破工業協議兼容性桎梏，在DNP3協議棧中嵌套TLS 1.3隧道時，采用會話票據復用技術降低握手延遲，實測通信開銷僅增加18 ms。協議指令級簽名則引入輕量級公鑰基礎設施體系，由省級主站簽發設備級證書，結合證書吊銷列表實時吊銷異常終端，試點項目成功阻斷偽造斷路器分閘指令12次。

（2）協議混淆需實現動態防御進化，對Modbus功能碼實施隨機化編碼，每24小時由子站下發新映射表，并采用白盒SM4加密傳輸映射規則。

（3）協議沙箱需平衡安全與實時性，在邊緣網關部署指令語義解析引擎，建立Modbus/DNP3合法指令語法樹模型，對非常規參數組合進行納秒級攔截。同時采用硬件虛擬化技術創建隔離執行環境，確保解析引擎自身不被滲透。某新能源電站部署后，非法指令阻斷率達100%且處理延遲小于3 ms。

（三）數據全流程管控：構建可信閉環鏈條

確保電力數據在全生命周期的真實性、機密性與完整性，是構建智能電網可信基石的剛性需求。在數據流轉的每一個關鍵環節（采集、傳輸及存儲）部署縱深防御策略，形成環環相扣、相互驗證的可信閉環鏈條。

（1）采集源頭。數據可信始于采集終端的固本強基，將硬件級信任根深度集成至智能電表等邊緣設備。在此架構下，核心加密密鑰并非存儲于普通內存，而是永久固化于芯片內部的防拆解嵌入式安全元件安全區域。即使設備固件層遭受惡意篡改甚至完全替換，物理隔離機制也能確保私鑰無法被非法導出或復制，從根本上斷絕密鑰泄露路徑。針對模擬量采集這一易受攻擊的薄弱點，創新性地引入可信傳感機制，利用物理不可克隆函數技術，提取電流采樣模數轉換器電路固有的、不可復制的微小物理差異，動態生成唯一且隨機的校驗碼，并與原始采樣數據強綁定。任何對原始模擬量信號的惡意注入或篡改，都將導致動態校驗碼無法匹配，從而被系統精準識別。

（2）傳輸通道。數據在復雜網絡環境中傳輸面臨被竊聽、篡改的風險。傳統中心化校驗存在單點失效隱患。為此，需創新性地構建基于分布式信任架構的傳輸存證體系。部署區塊鏈輕節點網絡，形成一條不可篡改的數據指紋鏈。其運作流程如下：各邊緣終端在本地完成數據采集后，實時計算該批次數據的密碼學哈希值，并將此哈希指紋廣播至區塊鏈網絡。網絡采用優化型實用拜占庭容錯共識算法進行高效驗證與上鏈確認，實測吞吐量可達1 500 TPS，滿足電力業務高頻數據上鏈需求。主站系統在接收原始數據包時，必須同步獲取并驗證其在區塊鏈上對應的、經過全網節點共識確認的哈希指紋。兩者嚴格匹配，方能判定數據在傳輸過程中未被篡改，這一機制的強大之處在于其抗毀性與可溯源性。某省級電網的試點運行記錄顯示，即使在發生主干通信光纜中斷的極端情況下，該分布式存證系統依然成功溯源并精準識別出兩起發生在傳輸環節的惡意數據篡改事件，為事后追責和系統加固提供了鐵證。

（3）存儲與使用。數據集中存儲后的核心風險在于非授權訪問和敏感信息泄露，防護策略聚焦于動態脫敏與智能訪問控制的雙重保障。細粒度動態訪問控制：摒棄粗放權限管理，采用先進的屬性基加密技術。數據在入庫前即基于訪問策略進行加密。例如，調度員僅能解密與其當前管轄區域和職責嚴格匹配的屬性標簽所對應的加密負荷數據。訪問完成后，系統自動觸發密鑰更新或數據重加密流程，切斷未授權二次傳播路徑。智能異常行為監控：在數據庫層面，部署人工智能驅動的實時異常訪問檢測引擎。該引擎通過持續學習建立運維人員與應用程序的SQL查詢行為基線畫像。一旦檢測到明顯偏離基線的異常操作模式，如在非工作時間發起的、涉及海量敏感信息的全表掃描查詢，系統將立即觸發實時告警，并依據預設策略自動阻斷該高危會話。

（四）人員與流程優化：筑牢最后一道防線

（1）權限管理需實現生物特征與業務場景融合，開發多模態生物認證終端，在調度臺集成指靜脈+聲紋識別，結合操作上下文動態調整權限級別。某500 kV站實施表明，未授權操作嘗試下降100%。

（2）威脅情報共享需構建生態級防御網絡，接入國家電網安全運營中心平臺后，實施漏洞熱補丁自動分發，利用數字簽名管道將關鍵補丁在72小時內推送至全網終端。

（3）應急響應體系創新采用攻擊鏈回溯機制，當檢測到異常指令時，自動觸發全流量存儲，結合對抗性戰術、技術與常識攻擊圖譜進行根因分析。某次實戰攻防中，該機制在40分鐘內定位到被控的RTU設備并溯源至攻擊跳板IP。持續訓練體系引入虛擬現實沉浸式演練，構建配電網遭APT攻擊的虛擬場景，參演人員在混合現實環境中完成故障定位、協議隔離、數據恢復等操作，考核通過率提升至98%，相關省級培訓中心年受訓超5 000人次，誤操作事件下降76%。

該防護策略通過物理層硬件可信基座、網絡層動態控制平面、協議層深度裝甲化、數據層區塊鏈存證、人員層生物特征綁定等多維技術創新，形成縱深防御閉環。實測表明，整體方案使配電網自動化系統抗APT攻擊能力提升5倍，故障恢復時間縮短60%，為新型電力系統建設構筑了堅實的網絡安全基石。

結語

電力配電網自動化系統的網絡安全防護需從體系、管理、人員維度協同推進，未來研究可聚焦于量子加密技術在電力場景的應用。面對數字化與安全性的矛盾，電力行業需構建“安全即服務”的新型防護模式，以適應復雜多變的網絡空間博弈格局。

參考文獻：

[1] 海瑛.電力配電網自動化系統中網絡安全防護有效性探究[J].電工技術，2024（S2）：311313.

[2] 王德玉.電力配電網自動化系統網絡安全風險及防護策略[J].城市建設理論研究（電子版），2024（15）：13.

[3] 國濤，趙學智，封保占，等.電力配電網自動化系統網絡安全風險及防護策略[J].網絡安全技術與應用，2023（06）：124125.

[4] 王瀚.配電網自動化通信網絡的安全管理分析[J].集成電路應用，2022，39（05）：182183.

[5] 張媛.電力配電網自動化系統中網絡安全防護有效性探究[J].山西電力，2020（05）：3133.