Säkerhet för informationshantering i elkraftövervakningssystem: Teknologier och tillämpningar

Strömförsörjningsovervakningssystem utför de centrala uppgifterna med realtidsövervakning av nät, felanalys och driftsoptimering. Deras säkerhet påverkar direkt stabiliteten och tillförlitligheten i strömförsörjningssystem. Med den djupgående tillämpningen av teknologier som molnbaserade tjänster, Internet of Things (IoT) och stordata inom energisektorn ökar informationssekrisken för strömförsörjningsovervakningssystem gradvis.

Dessa system står inför flera utmaningar, inklusive avancerade beständiga hot (APT), nekad-tjänst-attacker (DoS) och skadprograminfektioner. Traditionella säkerhetsarkitekturer bygger på enkel-lager försvarsstrategier, vilket är svårt att effektivt motverka komplexa angreppsmetoder. Det är nödvändigt att anta en försvar i djup arkitektur och förbättra systemets förmåga att motstå attacker genom flerlagrade säkerhetsmekanismer.

1. Sättning och funktioner av strömförsörjningsovervakningssystem

Ett strömförsörjningsovervakningssystem är en omfattande plattform för strömautomatisering huvudsakligen använd för realtidsövervakning, kontroll och optimering av driftstatusen för strömförsörjningssystem. Systemet består vanligtvis av ett övervakningscentrum, datainsamling och -överföringsenheter, intelligenta terminaler, kommunikationsnät och applikationsprogram. Övervakningscentret, som fungerar som det centrala navet, ansvarar för att bearbeta stora mängder strömförsörjningsdata, analysera driftstatus och utföra kontrollkommandon.

Datainsamlingsenheter, såsom fjärrterminalenheter (RTU) och intelligenta elektroniska enheter (IED-Business), erhåller viktiga parametrar som ström, spänning och frekvens via sensorer och kommunikationsgränssnitt, och överför data till det huvudsakliga kontrollsystemet. Kommunikationsnät använder vanligtvis protokoll som IEC 61850, DNP3 och Modbus för att säkerställa effektivitet och tillförlitlighet i dataöverföring.

Applikationsprogrammet inkluderar funktioner som schemaläggning, belastningsprognoser, statusestimering och felanalys, vilket stödjer driftsoptimering av nät och tidig varning för avvikande tillstånd. Moderna strömförsörjningsovervakningssystem har vidtagit molnbaserade tjänster, kantberäkning och artificiell intelligens (AI) för att förbättra datatillhandahålland och beslutsfattande. Systemet involverar strömschemaläggning, utrustningskontroll och dataanalys, och dess säkerhet påverkar direkt nätets stabilitet och nationell energisäkerhet.

2. Informationskyddssystem för strömförsörjningsovervakningssystem

2.1 Nätverkskyddsstrategi

Nätverkskyddsstrategin för strömförsörjningsovervakningssystem behöver bygga ett försvar i djup-system från flera nivåer, inklusive fysisk isolering, protokollsäkerhet, trafikövervakning och aktiv försvar, för att effektivt hantera risker för skadliga attacker och datastöld. Först, beträffande nätverksarkitekturen för strömförsörjningsovervakningssystem, bör en zonstrategi för nätverk antas för att fysiskt eller logiskt isolera kontrollnät, hanteringsnät och kontorsnät för att minska angreppsytan, och unidirektional dataflödesteknik bör användas för att säkerställa att kärnkontrollsignalerna inte kan manipuleras.

Andra, för kommunikationsprotokollsäkerhet, bör krypterade tunneltekniker (som TLS 1.3) användas för att skydda datatransmissionssäkerheten för viktiga protokoll som IEC 61850 och DNP3, och MACsec (IEEE 802.1AE) bör introduceras för att erbjuda länklagkryptering, förhindra man-in-the-middle-attacker och datakapning. Baserat på trafikövervakning, bör ett AI-baserat system för detektion av avvikande trafik (AI-IDS) distribueras, med hjälp av djupinlärningsalgoritmer för att analysera paketegenskaper och identifiera avvikande beteenden, förbättra detektionsprecisionen till över 99%.

Samtidigt, kombinerat med ett DDoS-skyddssystem, genom hastighetsgräns och automatisk redundansmekanism, kan påverkan av trafikanfall på strömschemaläggningscentraler minskas. Slutligen, vad gäller aktiv försvar, kan en Zero Trust Arkitektur (ZTA) antas för att kontinuerligt autentisera och kontrollera åtkomst för all trafik, förhindra spridningen av interna hot, därmed förbättra nätverkssäkerheten för strömförsörjningsovervakningssystem.

2.2 Identitetsautentisering och åtkomstkontroll

Identitetsautentiseringssystemet och åtkomstkontrollsystemet för strömförsörjningsovervakningssystem måste säkerställa legitimiteten hos användare, enheter och program, förhindra obehörig åtkomst och missbruk av privilegier. Å ena sidan, beträffande identitetsautentisering, bör en digital certifikatautentiseringsmekanism baserad på Public Key Infrastructure (PKI) antas, tillskriva unika identitetsidentifierare till underhållspersonal, SCADA-systemkomponenter och intelligenta terminalenheter.

Genom tvåfaktorautentisering (2FA), engångslösenord (OTP) och biometriska identifieringstekniker (som fingeravtryck eller irisgenkännande) kan säkerheten för identitetsverifiering förbättras. I scenarier med fjärråtkomst kan FIDO2-protokollet antas för att stödja lösenordslös autentisering, minska risken för autentiseringsuppgiftsstöld. Å andra sidan, beträffande åtkomstkontroll, bör en kombinerad mekanism av rollbaserad åtkomstkontroll (RBAC) och attributbaserad åtkomstkontroll (ABAC) implementeras för att säkerställa att användarrättigheter strikt matchar deras ansvarsområden, förhindra obehörig åtkomst.

Till exempel kan underhållspersonal endast komma åt specifika enheter, medan schemaläggare begränsas till dataövervakning och befallningsutgivning. För att ytterligare finjustera åtkomststrategier kan dynamiska rättighetsjusteringsmekanismer antas, justera åtkomsträttigheter i realtid baserat på användarbeteende och miljövariabler (som geografisk plats, enhetstyp, etc.). Ett åtkomstloggauditersystem (SIEM) bör användas för att registrera alla åtkomstbegäranden och kombinera maskininlärningstekniker för att analysera avvikande åtkomstbeteenden, förbättra detektionsförmågan för interna säkerhetshot, säkerställa säker och stabil drift av strömförsörjningsovervakningssystem.

2.3 Datasekretess och krypteringstekniker

Datasekretenheten för strömförsörjningsovervakningssystem involverar faser som datalagring, överföring, bearbetning och säkerhetskopia. Högstyrka krypteringsalgoritmer och åtkomstkontrollmekanismer måste antas för att säkerställa datakonfidentialitet, integritet och tillgänglighet.

Först, i datalagringsfasen, bör AES-256 användas för att kryptera känsliga data i vila, och Shamir's Secret Sharing (SSS) bör kombineras för att dela och lagra nycklar, förhindra enpunktsläckage. Andra, i datatransmissionsprocessen, bör TLS 1.3-protokollet användas för att utföra slutpunkt-till-slutpunkt-kryptering för kommunikation mellan SCADA-system och intelligenta terminaler, och Elliptic Curve Cryptography (ECC) bör antas för att förbättra krypteringsprestanda och minska beräkningsresursförbrukning.

Slutligen, för att säkerställa dataintegritet, bör hashfunktion SHA-512 användas för att generera hashvärden, och HMAC bör kombineras för dataverifikation för att förhindra manipuleringss attacker. För datalagringssäkerhet, kan en immutabel logglagrings teknik baserad på blockchain appliceras, använd smarta kontrakt för att automatisera åtkomstkontroll och förbättra data trovärdighet. Vad gäller datasäkerhetskopia, bör 3-2-1-strategi antas: lagra minst tre kopior av data, på två olika media, med en kopia lagrad i en off-site katastrofåterhämtningscenter, för att förbättra datavalideringsförmågan och säkerställa att strömförsörjningssystemet snabbt kan återgå till normal drift efter att ha utsatts för ett angrepp.

2.4 Säkerhetsövervakning och intrångsdetektion

Säkerhetsövervakning och intrångsdetektion är viktiga komponenter i försvarsystemet för strömförsörjningsovervakningssystem, identifiera skadliga angreppsåtgärder genom att analysera nätverkstrafik och systemloggar i realtid, förbättra nätverkssäkerhet.

Först, på nätverksnivå, bör ett intrångsdetektionssystem (IDS) baserat på Deep Packet Inspection (DPI) distribueras, kombinerat med trafikanomalimodeller (som K-Means klustringsmodeller eller LSTM rekurrenta neuronnät), för att detektera attacker som DDoS och datapoisoning, kontrollera falsk positiv sanningsgrad under 5%.

Andra, på värdnivå för säkerhetsövervakning, bör ett Endpoint Detection and Response (EDR)-system baserat på beteendeanalys antas, använda User and Entity Behavior Analytics (UEBA) för att analysera användar- och enhetsbeteendemönster, detektera avvikande inloggningar, missbruk av privilegier och skadprogramimplantation.

Slutligen, för SCADA-system, kan industriprotokollanomalidetektionsteknik införas, använda Finite State Machines (FSM) för att analysera legitimiteten av kommandon från protokoll som Modbus och IEC 104, förhindra protokollmissbruk. Vad gäller loggaudit och korrelationsanalys, bör ett Security Information and Event Management (SIEM)-system antas för att aggregera loggdata och utföra realtidsanalys genom ELK-arkitektur, förbättra säkerhetsvisualiseringsförmåga.

2.5 Nödsituationshantering och säkerhetsincidenthantering

Nödsituationshantering och säkerhetsincidenthantering för strömförsörjningsovervakningssystem behöver täcka hotidentifiering, incidenthantering, spårbarhetsanalys och återställningsmekanismer för att mildra påverkan av säkerhetsincidents på drift av strömförsörjningssystem. Först, i hotidentifieringsfasen, baserat på en SOAR-plattform, bör alarmhändelser automatiskt analyseras, och angreppstyper bedömas genom att kombinera hotintelligens, förbättra noggrannheten i händelseklassificering.

Andra, i incidenthanteringsfasen, bör en trinnad responsmekanism antas, klassificera säkerhetsincidents i nivå I till IV, och motsvarande åtgärder tas enligt incidentnivån, såsom isolera smittade terminaler, blockera skadliga IP-adresser, eller växla till en reservkontrollcentral. För avancerade beständiga hot (APT), kan en aktiv försvarsstrategi baserad på hotjakt antas, använd YARA-regler för att detektera dolda backdoors, förbättra angreppsdetektionsfrekvens. Slutligen, i spårbarhetsanalysfasen, genom händelse retrospektiv analys och forensisk analys, kombinerat med Cyber Kill Chain-angreppsgraf, bör angreppssökväg återskapas, identifiera angriparens taktik, teknik och procedurer (TTP), ge grund för senare säkerhetsförstärkning.

3. Tillämpning av viktiga informationskyddstekniker

3.1 Blockchain-baserade strömdataspårbarhetslösningar

Blockchain-teknik, med sina egenskaper av decentralisering, odödlighet och spårbarhet, erbjuder en högt trovärdig dataspårbarhetslösning för strömförsörjningsovervakningssystem. I strömdatamanagement är dataintegritet och trovärdighet viktiga frågor. Traditionella centraliserade databaser har risker för enpunktsfel och manipulering. Blockchain använder distribuerad bokföringsteknik för att säkerställa säkerheten i datalagring.

Först, på datalagringsnivå, används hashkedjor för att kryptera och lagra strömförsörjningsövervakningsdata, varje bit av data genererar en unik hash-värde som är länkad till den föregående block, säkerställer data temporär samstämmighet och odödlighet. Andra, på datadelningsnivå, används en konsortiumkedjearkitektur, anges nätledningscentraler, understationer och regleringsorgan som konsortiumsnoder, verifierar dataautenticitet genom Byzantinsk Fault Tolerance-konsensusmekanismer, säkerställer att data endast kan ändras av auktoriserade noder, förbättrar datasekretessen.

Slutligen, vad gäller dataåtkomstkontroll, kombineras en behörighetshanteringsmekanism baserad på smarta kontrakt, definiera åtkomstregler för att säkerställa att användaråtkomsträttigheter begränsas av policyer, undvika obehörig dataanrop. Till exempel, genom att distribuera smarta kontrakt genom Hyperledger Fabric-ramverk, begränsas underhållspersonal till att fråga utrustningsdriftstillstånd, medan regleringsorgan kan komma åt fullständig historisk data, säkerställa datasekretessen och efterlevnad.

3.2 Informationskydd för strömförsörjningssystem i 5G- och kantberäkningsmiljöer

Den integrerade tillämpningen av 5G och kantberäkning i strömförsörjningsovervakningssystem förbättrar datatillhandahållandseffektivitet och realtidsresponsförmåga, men introducerar också nya informationskyddsutmaningar. Först, vad gäller kommunikationssäkerhet, eftersom 5G-nät använder nätverksslicearkitektur, behöver oberoende säkerhetspolicyer konfigureras för olika service trafik för att förhindra kors-slice-attacker.

End-to-end-kryptering (E2EE) teknik bör antas, kombinerad med Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), för att säkerställa att strömschemaläggningsdata inte manipuleras eller stjäl under överföring. Andra, vad gäller kantberäknings säkerhet, bör Trusted Execution Environment (TEE) distribueras, som Intel SGX eller ARM TrustZone, för att säkert isolera kantnoder och förhindra att skadlig kod intränger i kritisk kontrolllogik.

En decentraliserad identitetsautentiseringsmekanism (DID) bör antas, hantera kantutrustningsåtkomsträttigheter genom decentraliserade identifierare (Decentralized Identifier) för att minska autentiseringsuppgiftsläckage-risken. Slutligen, för problemet med kantberäkningsnoder som är sårbara för fysiska attacker, bör Hardware Root of Trust (RoT) teknik antas för att utföra fjärrintegritetsverifikation av enhetsfirmvara, säkerställa att enheter inte har manipulerats illa.

4. Slutsats

Informationskyddstekniker i strömförsörjningsovervakningssystem spelar en viktig roll för att säkerställa stabil nätverksamhet och förhindra cybersäkerhetshot. Genom att bygga en flerlagrad skyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddsskyddssky......