基于Smart Grid的攻擊智能捕獲系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于Smart Grid的攻擊智能捕 獲系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能電網(wǎng)（Smart Grid)系統(tǒng)是重要的工業(yè)控制系統(tǒng)，也是國家"兩化"戰(zhàn)略的重 點(diǎn)，但是智能電網(wǎng)存在許多安全漏洞，隨時(shí)可能被攻擊者入侵。
[0003] 工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的首要威脅是來自網(wǎng)絡(luò)的惡意代碼攻擊。工業(yè)控制系統(tǒng)大量采 用通用協(xié)議、通用硬件和通用軟件，使用TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)連接，這給惡意代碼的擴(kuò)散提 供了充分的便利條件，使得工業(yè)控制系統(tǒng)的安全問題日益嚴(yán)峻。"震網(wǎng)"（Stuxnet)事件之所 以會(huì)造成伊朗核電站的重大損失，就是由于當(dāng)前對于這類攻擊的認(rèn)識不足，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn) 惡意代碼。一旦惡意代碼在系統(tǒng)中長時(shí)間運(yùn)行，就有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)被攻擊者控制，必 將造成嚴(yán)重后果。如2009年我國西北地區(qū)某發(fā)電站就曾被攻擊者入侵，管理者對此攻擊毫 無察覺，以至于攻擊者完全獲取系統(tǒng)控制權(quán)，遠(yuǎn)程關(guān)閉發(fā)電機(jī)組，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
[0004] 工業(yè)控制系統(tǒng)還面臨著違法分子的人為篡改數(shù)據(jù)攻擊?，F(xiàn)已證實(shí)，攻擊者可以對 Smart Meter(智能電表)進(jìn)行攻擊，獲取智能電表的權(quán)限，篡改其寄存器中的數(shù)據(jù)，使得電 網(wǎng)調(diào)度中心從智能電表獲取了虛假的用電量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致調(diào)度系統(tǒng)對電網(wǎng)狀態(tài)產(chǎn)生錯(cuò)誤的估 計(jì)，影響后續(xù)的電力調(diào)度策略，破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0005] 為了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊，提高我國智能電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和 國家戰(zhàn)略安全，急需一套有效的保護(hù)方案。傳統(tǒng)的保護(hù)方法是更換電網(wǎng)系統(tǒng)中的軟硬件，減 少系統(tǒng)中的漏洞，但是這種保護(hù)方法帶有明顯的弊端，即滯后性和脆弱性，只有當(dāng)電網(wǎng)被攻 擊并造成了損失后，管理者才能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊的存在，于是只能被動(dòng)地更換設(shè)備，卻不能掌 握攻擊者的攻擊路徑、攻擊手法、攻擊工具和所利用的漏洞，無法對癥下藥，無法徹底避免 攻擊者再次入侵，從而陷入到"被攻擊--更換設(shè)備--被攻擊"的惡性循環(huán)中。單純寄希 望于通過更換設(shè)備來彌補(bǔ)系統(tǒng)的漏洞，從而阻止攻擊者的入侵是不現(xiàn)實(shí)的，更加合理有效 的保護(hù)策略在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)攻擊者，尤其是了解攻擊者的攻擊路徑和攻擊手法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Smart Grid的攻 擊智能捕獲系統(tǒng)（ITCSSG，Intelligent Trick and Capture System of Smart Grid)，融 合智能電網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，將工業(yè)安全與信息安全結(jié)合起來，該系統(tǒng)與真實(shí)智能電網(wǎng)相 比，具備相同的架構(gòu)、相同的部件和相同的網(wǎng)絡(luò)交互界面，可以實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電、 輸電、配電、用電數(shù)據(jù)產(chǎn)生改變時(shí)自動(dòng)做出正確響應(yīng)，當(dāng)攻擊者進(jìn)行入侵時(shí)，ITCSSG系統(tǒng)會(huì) 根據(jù)攻擊者所輸入的攻擊數(shù)據(jù)，按照電網(wǎng)模型，進(jìn)行智能計(jì)算，自動(dòng)做出與真實(shí)電網(wǎng)相同的 回應(yīng)，以符合攻擊者的預(yù)期，誘騙攻擊者不斷進(jìn)行下一步攻擊，暴露其真正的攻擊目的和完 整的攻擊手法，ITCSSG系統(tǒng)還配有審計(jì)與捕獲子系統(tǒng)，能夠監(jiān)視和捕獲攻擊者的所有行為。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008]基于Smart Grid的攻擊智能捕獲系統(tǒng)，包括：
[0009]電網(wǎng)潮流計(jì)算中心，包括電網(wǎng)模型和運(yùn)算程序，參照或直接采用真實(shí)電網(wǎng)的控制 系統(tǒng)中所使用的物理參數(shù)，電網(wǎng)模型包含若干用電節(jié)點(diǎn)和發(fā)電節(jié)點(diǎn)，用電節(jié)點(diǎn)以某電網(wǎng)某 一段時(shí)間內(nèi)不同時(shí)刻的用電量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸入，模擬真實(shí)電網(wǎng)的用戶電量消耗;發(fā)電節(jié) 點(diǎn)根據(jù)控制命令改變其發(fā)電量，模擬真實(shí)電網(wǎng)的發(fā)電廠；
[0010] SCADA子系統(tǒng)，包括控制中心以及分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的模擬傳感器(Sensor)和模 擬執(zhí)行器(Actuator)，模擬傳感器模擬真實(shí)電網(wǎng)中的智能電表，獲取節(jié)點(diǎn)的物理參數(shù)數(shù)據(jù) 并存在寄存器中，當(dāng)控制中心需要某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的模擬傳感器發(fā)送命令，該 模擬傳感器回復(fù)相應(yīng)數(shù)據(jù);模擬執(zhí)行器模擬真實(shí)電網(wǎng)中的執(zhí)行器件，當(dāng)控制中心向模擬智 能發(fā)送命令時(shí)，該模擬智能完成指定操作;所述電網(wǎng)潮流計(jì)算中心和SCADA子系統(tǒng)構(gòu)成模擬 電網(wǎng)；
[0011] Web展示子系統(tǒng)，用于展示模擬電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和控制信息，與SCADA子系統(tǒng) 的控制中心交互，從控制中心獲取當(dāng)前時(shí)刻的電網(wǎng)狀態(tài);在系統(tǒng)受到攻擊時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)潮流 計(jì)算中心的計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示被攻擊后的電網(wǎng)狀態(tài)，以符合攻擊者的預(yù)期目標(biāo)；
[0012] 審計(jì)與捕獲子系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)所用到的所有端口，捕獲這些端口的所有互聯(lián)網(wǎng)訪 問數(shù)據(jù)包。
[0013] 所述電網(wǎng)潮流計(jì)算中心參照或直接采用真實(shí)電網(wǎng)的控制系統(tǒng)中所使用的物理參 數(shù)至少包括:電壓等級、相角、有功功率以及無功功率。
[0014] 所述電網(wǎng)模型中，用電節(jié)點(diǎn)64個(gè)，發(fā)電節(jié)點(diǎn)54個(gè)，共118個(gè)節(jié)點(diǎn)，將這118個(gè)節(jié)點(diǎn)按 照IEEE標(biāo)準(zhǔn)模型生成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，作為電網(wǎng)模型的主要框架。
[0015] 具體地，可直接調(diào)用Matlab的開源工具箱Matpower中的方法進(jìn)行潮流計(jì)算，實(shí)時(shí) 獲取并更新所有節(jié)點(diǎn)和線路的狀態(tài)，保證用電節(jié)點(diǎn)和發(fā)電節(jié)點(diǎn)之間電量的動(dòng)態(tài)平衡，確保 電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，其中：
[0016]節(jié)點(diǎn)包括用電節(jié)點(diǎn)和發(fā)電節(jié)點(diǎn)，用電節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)包括是否運(yùn)行、有功輸入、無功輸 入、電壓相角以及電壓幅值;發(fā)電節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)包括是否運(yùn)行、有功輸出、無功輸出、電壓相角 以及電壓幅值;線路狀態(tài)包括支路首端的有功輸入、支路首端的無功輸入、支路末端的有功 輸入以及支路末端的無功輸入。
[00?7] 具體地，可使用開源工具箱Matpower中的runpf ()方法進(jìn)行潮流計(jì)算，該方法的輸 入是一個(gè).m文件，.m文件與Matpower中casex·m文件的格式及包含的信息相同，為runpf() 方法提供模擬電網(wǎng)的基本信息作為輸入，casex .m文件中的信息主要包括用電節(jié)點(diǎn)的需求 功率、電壓等級，發(fā)電節(jié)點(diǎn)的額定功率、最大最小輸出功率，線路的電壓等級、阻抗，其中X為 模擬電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，該方法的輸出結(jié)果是各個(gè)用電節(jié)點(diǎn)分配的功率、發(fā)電節(jié)點(diǎn)的輸出功率 與線路上的電壓?？砂凑兆陨硇枨蟾淖兤渲械木唧w數(shù)據(jù)。
[0018]電網(wǎng)潮流計(jì)算中心周期性計(jì)算模擬電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)，所述模擬電網(wǎng)的狀態(tài)包括用電 節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、發(fā)電節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)以及連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)的線路狀態(tài)。
[00?9 ] 所述電網(wǎng)潮流計(jì)算中心采用Matpower計(jì)算電網(wǎng)模型的潮流方程，電網(wǎng)潮流計(jì)算中 心包括如下四個(gè)模塊：
[0020] 節(jié)點(diǎn)進(jìn)程模塊，即為TCP/Modbus協(xié)議服務(wù)端，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立IP，監(jiān)聽502端口， 通過不斷更新節(jié)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)，模擬出真實(shí)電網(wǎng)中用電端和發(fā)電站的行為，節(jié)點(diǎn)接受到訪 問數(shù)據(jù)時(shí)首先判斷是否為符合要求的請求(ASK)，所有請求均采用Modbus協(xié)議，節(jié)點(diǎn)進(jìn)程模 塊的參數(shù)由計(jì)算進(jìn)程模塊得到；
[0021] 傳感器進(jìn)程模塊，將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算進(jìn)程模塊；
[0022] 執(zhí)行器進(jìn)程模塊，執(zhí)行計(jì)算進(jìn)程模塊的命令；
[0023]計(jì)算進(jìn)程模塊，以節(jié)點(diǎn)通過傳感器進(jìn)程模塊上傳的數(shù)據(jù)為參數(shù)，用Matpower計(jì)算 電網(wǎng)潮流并將計(jì)算結(jié)果下發(fā)作為電網(wǎng)下一時(shí)刻狀態(tài)。其計(jì)算方法為:首先將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)收集并記錄成casex .m文件，然后調(diào)用Matpower中的runpf ()方法計(jì)算出電網(wǎng)的潮流方 程，最后將結(jié)果下發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)更新數(shù)據(jù)，從而模擬出真實(shí)電網(wǎng)的工作過程，計(jì) 算中心每隔3秒會(huì)重新進(jìn)行計(jì)算進(jìn)程操作，以達(dá)到實(shí)時(shí)更新的效果。
[0024]所述Web展示子系統(tǒng)中，將電網(wǎng)模型的節(jié)點(diǎn)部署