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书名:智能电网安全pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:(美)桑杰·戈埃尔(SanjayGoel),程乐 刘樊 刘曙元 裴佳敏译

出版社:中国民主法制出版社

出版时间:2020-01-01

书籍编号:30581608

ISBN:9787516221297

正文语种:中文

字数:116519

版次:1

所属分类:社会科学-法律

全书内容:

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“网络法律话语经典译丛”编委会名单


总主编


程乐 王春晖 时建中 张延川


副总主编


李俭 裴佳敏 迟秀明


编委(按照姓名拼音顺序)


陈港(浙江公共安全技术研究院)


陈永强(中国计量大学)


程乐(浙江大学)


迟秀明(中国行为法学会)


戴龙(中国政法大学)


刁胜先(重庆邮电大学)


高奇琦(华东政法大学)


高旭东(清华大学)


宫明玉(对外经济贸易大学)


李俭(浙江工商大学)


李丹林(中国传媒大学)


刘海涛(中国民主法制出版社有限公司)


刘曙元(北京华电天仁电力控制技术有限公司)


逯卫光(中国民主法制出版社有限公司)


裴佳敏(浙江大学)


时建中(中国政法大学)


石文昌(中国人民大学)


司春磊(山西法商研究中心)


孙钰岫(浙江大学)


万学忠(法制网)


王欣(浙江大学)


王春晖(南京邮电大学)


王文华(北京外国语大学)


王学高(中国电信集团有限公司)


谢永江(北京邮电大学)


杨巧(西北政法大学)


叶宁(浙江警察学院)


张吉豫(中国人民大学)


张建文(西南政法大学)


张延川(中国通信学会)


张子健(重庆交通大学)

前言


不可逆转的趋势已经开始了:全球日趋智能。目前重新考虑将各类科技转化成集智能、感知与通信于一体的互联网设备。此番重新考虑是因为有很多不错的理由加持。正如以往所见,此类转化有诸多好处。现如今的技术发展以高密度、高同步性和高效率的技术为主要特征,不易出现人为错误,可以提供更多的功能且整体上利润更为丰厚。总之,很多利益相关者争相设计此类技术及开发相关商品市场。


但是一般而言,技术尤其是信息技术,会产生风险和负面影响。现有范式是将我们以前的“愚蠢”技术“智能化”,旧技术的风险与新技术的功能及风险相互对抗并渗透。该融合质疑了很多最初的设想并以新颖的方式开创关于安全性和保密性的概念。尽管在机电安全概念的语境下,许多如传统技术中的物理损耗等风险是可控的。但当芯片与操作规则替代了单纯的开关与阀门,以及当网络逐渐渗透之时,这些风险即有可能改头换面(以不同的形式与规模)重新出现。某种程度上,智能汽车和智能工厂可能更加高效与透明,但是它将对外来者更加开放,更易于接受,并且更倾向于出现不必要的复杂开发,因为任何类型的信息技术总是会增加巨大的复杂性,而且它肯定需要更多的注意力、更多维护和更多的专业知识。另外,还会出现全新的风险,例如,仅仅是驾驶汽车或房屋供暖而产生的隐私问题,因为“智能”技术产生数据———这在一定程度上会成为与人们相关的信息。


相应地,新旧技术的全新融合需要远见与智慧。实际上现在要求这些可能为时过晚了。很久以前,工程师和工业部门便已开始尝试这些范式,并且现在正开始快速地生产与销售因新旧技术相融合而产生的产品。在停顿和重新思考上已经花费了太多的金钱和努力。顺便提及,这是技术研究中非常经典的问题。只要技术还处于发展初期,其实际影响和使用模型就无法准确预测,其风险以及负面影响也难以查明。技术研究人员仅能猜测和假设,这反过来使其大部分努力一直处在象牙塔里。只有技术达到成熟的第一阶段,以及使用模型真正实施时,才能作出更加精确、正确和相关的假设。然而,已经花费太多金钱,并且太多实施中的范式已经返回到起草委员会,然后重新开始研究一些基本问题。在那时,建立了技术与经济上的路径依赖。当然,这些可以改革。有一句名言“你无法停止进展”在此不太准确。由于很多原因,进展一般是不会停止的。但是,任何特定的进展总是可以被塑造和引导的,如果进展的好处与风险几乎不一致———尤其是在进展尚未完全确立的情况下,甚至可以重新考虑和完全撤回进展。


幸运的是,智能技术相对而言依然年轻,并且可以从“设计乐观”的角度来看待。当然,智能技术具有危险、风险和难度,因为两类高度复杂的技术相互融合,涌现出很多不同的方案。但是,智能技术仍然是可塑的甚至是机遇。创新的任何全新开始也是这次将事情做到更好的机会。信息技术在其安全性上极其糟糕,无法防御破坏和间谍活动,监视和操纵,因此在安全和保障问题更加严峻的环境中进行改革,可以促使其回归一些基本问题上并更加努力。


该努力的前提是透彻理解、明确构建问题及其根源所在。他们在技术、经济、法律和社会层面必须具有可理解性,因此才可以创造选择和机会并推荐实施。为此,“智能化”的整个过程仍然需要更多著作,尤其是交叉学科的作品,将技术与人类世界相结合,并思考智能世界可能存在的现实问题。


智能电网(又称智能电源)是第一个通过互联网信息技术改革的大型技术领域。现已在应用和实施中,并就其过程和监管、技术和风险等方面进行评估。


该书作者们为阐明这一全新领域作出了卓越而杰出的工作,并阐释了该领域的风险与好处、条件与机遇、因果关系以及知名专家学者。由于作者们的出色工作,该书可以作为优秀指南———真实的简报———不仅仅是介绍智能电网,还有整个新兴的智能世界及其核心话题。


ESMT Berlin,January 2015


Dr.Sandro Gaycken

第一章 实施智能电网所面临的安全挑战


摘要:智能电网架构将物理电网和通信网络合并为单一的单片网络。这会造成几个众所周知的安全隐患(Li et al.in IEEE Trans Smart Grid 3:1540—1551,2012[1],McDaniel and McLaughlin in IEEE Secur Priv 7:75,77,2009[2],Bisoi and Dash 2011[3])。然而,智能电网面临来自信息物理接口的未知威胁,如果可以操纵物理设备来破坏通信基础设施,网络威胁便可以驱动物理设备,反之亦然。智能电网的运营和安全所面临的最普遍的威胁来自物理破坏基础设施、数据中毒、拒绝服务式攻击、恶意软件和入侵。消费者所面临的最普遍的威胁在于违反数据隐私以及恶意控制个人设备与电器。本章将阐述智能电网架构以及智能电网容易遭受的物理威胁。

第一节 智能电网架构


一、引言


智能电网是指在传统电网上覆盖通信网络而形成的电网。通信网络和电网彼此关联:通信网络依靠电网获取数据,而电网依靠通信网络进行活动运营。电网的作用在于提供无处不在的通信能力,从传感器和电表收集数据并原地处理,以及提供相关信息以支持多样性活动,例如,确保电网稳定,检测并解决异常现象,预测负荷,促进需求响应。这一切均需要完成,同时要保护消费者的隐私,保护关键运营数据不被敌对国家窃取,并确保数据的完整性以满足业务和运营需求。出于将不同的通信媒体整合到单个的单片网络的需要,为多个应用程序提供有保障的延迟和带宽的需求,以及必要时确保数据的隐私和安全等原因,这并不是易于应付的挑战。


电网通常分为输电、配电和最后一英里。输电是指将高压电流远距离输送到分电站。配电是指将分电站的低电压数据传输到本地变压器。最后一英里是指将本地变压器与用户连接起来,这也是公用事业公司和用户互动的地方,以支持实时管理能源的生产、分配、使用和效率。随着智能电网技术的整合,传统网络正在进入家庭和企业。与电网相似,通信网络可以分为广域网(WAN)、城域网(MAN)、场域网(FAN)和家域网(HAN),如图1.1所示。

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图1.1 智能电网的演变过程

传输网络相关的主要目标是提供态势感知能力,其中需要跨越大型地理网络进行监测和控制电网的技术。这将包括纳入监测电网状态的同步相量,以确保其同步并支持监控与数据采集(SCADA)系统。该层面的任何疏忽都将对整个电网造成深远的后果,包括大规模停电。因此,WAN需要提供高带宽(600kbps—1500kbps)、低延迟(20ms—200ms)以及高可靠性(超过99.999%)。无线技术可能无法满足此种可靠性,并将主要依赖于光纤或其他有线技术。在配电层面,目标是能够监测配电网络的故障和其他异常情况,并能够整合微型发电源。这将提出带宽(10kbps—100kbps)和延迟(从10ms到15s)以及可靠性超过99%的可变要求。


关键要求是在停电期间处理来自多个源头的峰值数据。这些网络通常密集且遍布整个城市,需要不同技术的组合,包括无线电、电力线载波(PLC)和高级计量架构(AMI)。最后一英里将负责用户的计量信息以及提供需求响应能力。这要求供应商的互操作性能够支持用户家中不同类型的设备。冗余、容差和安全对于该网络而言都是至关重要的。HAN需要在短距离内能够将来自多个设备的极高数据速率穿透墙壁。通信信道应该能处理来自多个设备的一系列干扰,并且能够可靠地运行。为了美观与方便,HAN很有可能是无线的。


二、通信技术


目前,大部分电力系统基础设施综合使用多种技术,包括专用电缆、微波、电力线通信和光纤技术。以专用光纤通信取代一切现有的基础设施会导致成本过高。因此,基础设施将由无线电、光纤、电力线载波和传统电缆或以太网组成。


实施的最诱人的一项技术将是PLC,因为电力基础设施已经将所有层级的整个电网连接在一起。该技术自1920年以来一直在开发,最初是用于通过远程站之间的高压线进行语音和数据通信,最近则用于控制负荷和自动抄表。早期技术是以低于3kHz的频率运行,从而可以远距离传输60bps的低数据速率。1992年,欧洲电工标准化委员会(CENELEC)制定的标准中规定了四个频带中所使用的频谱:电力公司为3kHz—95kHz;一般应用为95kHz—125kHz,家庭网络为125kHz—140kHz,安全应用为140kHz—148.5kHz。在WAN层面的创新是在位于传输塔顶部的地线中使用光纤以防雷击。世界上大多数电网系统都使用装入光纤的地线。这些通信信道可以在很远的距离内有效运行,损耗最小并且可靠性高。更新安装的传输线中的这些光纤有助于部署智能电网,而无须任何额外的通信容量。虽然此种基础设施支持智能电网的需求,但驱动目前通信的TCP/IP协议无法提供发电厂(包括核电)、控制设备、变电站以及最终配电网之间通信所需的必备安全。


无线媒体将成为智能电网通信基础设施的重要组成部分,主要是由于其便利性与可接入性,特别是在计量和家庭网络领域。通信可以远距离通过中继段(电线杆)进行传输。有几种不同的技术可以使用,包括微波、WiMax、MESH、LTE、Cellular、WLAN和Zigbee。微波是一种高容量的点对点无线传输,为无线电接入网和WAN在内的电信业务提供基础。它可以应用于SCADA、AMI和需求响应等应用。作为GSM和CDMA的替代品,WiMax是大型区域内具有成本效益的信道宽带接入技术。它可以适用于AMI、SCADA、需求响应、流动员工和视频监控。网状网络是通过使用以网状拓扑结构排列的无线节点网络而创建的,通常用于为最后一英里提供宽带接入。它可以覆盖或替换铜线DSL或提供冗余的通信通道。它可以用于远程监控、需求响应、AMI和分布自动化。存在的问题是由于路由器之间的跳跃而导致的延迟;然而,通过添加额外的节点并允许在网络中构建冗余使它很容易扩展。LTE是移动通信的下一代网络,可提供高频谱效率和低延迟。它可以用于所有使用网状网络的应用;然而,LTE技术并非现成的并且安装成本高。蜂窝网络通常用于大多数用户的应用程序,包括移动电话、互联网连接、语音和视频聊天以及发送短信。智能电网中,蜂窝网络可以用于员工协调、AMI等。主要优势在于其已经被广泛部署,实施智能电网举措所需要的资金成本最低。WLAN已经广泛用于室内连接,并且可以轻松用于家庭区域网,并将智能电表与内部可视化设备相连接。Zigbee是专门针对智能电网而制定的标准,针对包括智能电表、智能照明和电器在内的家庭网络应用。


三、传感器与设备


虽然通信基础设施推动了智能电网的发展,但是真正的益处将来自网络上的传感器和设备。智能电表将安装在网络的每个节点上,这有助于通过双向计量实现双向电力交换,并允许电力公司精确控制用户电器的用电情况。电表还将允许用户远程访问家中的电器,并为其提供详细的使用数据。此外,它还将为商业实体提供监控、诊断和维修设备的权限。智能电网也将最大限度地减少电网上的人为数据收集。


直到最近,电力公司员工已经人工收集了运营数据包括计量电量、识别损坏设备和故障。智能电网基础设施将允许远程控制和自动化几项运营活动,包括监控由电线、变电站、变压器、交换机等组成的分布式基础设施。网络上的每个设备将由传感器来收集数据(电压、相位、温度等)。该数据将通过电网的双向通信系统接力传送到控制中心。电网的关键需求之一是提高稳定性,这需要在整个网络中安装同步相量设备以进行数据收集。同步相量将实时测量来自整个电网的电量,用于几个关键应用,包括动态响应估计、电网同步和故障识别。这些设备由全球定位系统(GPS)卫星同步时钟、同步相量测量单元(PMU)、相量数据集中器和分析软件组成。


智能电网的另一个关键元素在于电网的自我修复能力,可以自动修复缺陷或隔离故障,从而最大限度地保障用户正常用电。为了在电网中开发自我修复能力,每个开关都需要处理器,并且断路器和机电开关需要用固态电子电路来替代。电网中将添加自动重合闸装置,从而允许因诸如掉落的树枝和大风等事件而导致的暂时性瞬时故障进行自我纠正。为了管理和分析数据,需要结合分布式分析处理能力以及电网的存储能力。最后,保护电网需要通过外围防御和增强对网络入侵和攻击的可见性,我们将进一步讨论这一点。


结语


智能电网需要整个国家全面连接的大型通信基础设施。基于地域分散的基础设施元素,通信将需要由多种通信媒介混合组成。起初,至少在分配网络中,通信为其他服务所共享。然而,随着时间的变化,通信网络可能变得更加专用,因为通信基础设施专门用于智能电网。电网基础设施同样需要传感器来检测和诊断整个电网,并且将现有的机电开关升级为电子开关,以增强自我修正能力。智能电网取得成功的关键因素将在于强大的安全机制,不仅能防止入侵还能确保用户的隐私和数据的完整性。

第二节 智能电网的安全问题和威胁


智能电网有望从根本上将以公用事业公司为中心的集中式电网改变为以消费者为中心的分散式电网,在此消费者能够充分了解情况并积极参与能源生产和消耗的过程。智能电网还能带来更多可见性,有助于更好地监测和控制电网以确保稳定性并降低大规模停电的概率。无处不在的通信网络将所有用户、公用事业公司以及生产者连接成单片网络,可推动实现该功能。然而,这一切都需要付出代价,即增加了受到网络攻击的风险。威胁来自不同的行为主体,包括恐怖分子、民族国家、犯罪分子以及不满的雇员。此外,还需要保护消费

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