田秀霞, 盧官宇, 金 鑫, 鄭 楷

(上海電力大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200090)

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,大量的電力終端被投入使用。電力終端是位于用戶側(cè)的電子設(shè)備,例如智能電表、電力傳感器、DTU數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端單元、RTU遠(yuǎn)程終端單元和FTU饋線開關(guān)監(jiān)控終端單元等。電力終端的功能包含采集電力數(shù)據(jù)、調(diào)控電力生產(chǎn)、傳輸通信數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測等。

電力終端的安全可靠是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本[1]。各類用電采集終端在智能電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用,但是由于采集終端本身結(jié)構(gòu)簡單、用戶行為無安全管控行為、采集終端部署環(huán)境較為惡劣等問題,所以造成終端存在著大量的安全隱患[2]。在用戶用電過程中,惡意攻擊者可以通過攻擊電力終端來盜取電力隱私數(shù)據(jù)。這些隱私數(shù)據(jù)中包含了大量的用戶及電力系統(tǒng)的敏感信息。在電力終端緊密連接饋電線路情況下,攻擊者還可以干擾電力正常生產(chǎn)調(diào)度流程。電力系統(tǒng)智能終端計算環(huán)境安全保證不足,存在終端被惡意控制破壞的風(fēng)險[3]。因此,建立電力終端安全評估體系和對電力終端系統(tǒng)信息安全風(fēng)險評估是非常重要迫切的工作。

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)風(fēng)險評估方案僅考慮了一部分終端安全因素,并不完全適用于電力終端的安全評測,同時存在考慮指標(biāo)因素不全面、未對指標(biāo)權(quán)值進(jìn)行驗證以及評價結(jié)果主觀性太強(qiáng)等問題。

LIAO H等人[4]建立了一個網(wǎng)絡(luò)終端安全狀況評估的4級指標(biāo)體系,將網(wǎng)絡(luò)終端安全狀況劃分為5級,等級越高風(fēng)險越大,其建立的評估指標(biāo)體系主要工作對象為主機(jī)和工作站,即互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端,并不適用于電網(wǎng)中的終端設(shè)備。傅宏等人[5]也建立了網(wǎng)絡(luò)終端安全狀況的評估指標(biāo)體系,對該指標(biāo)體系進(jìn)行定量、定性及綜合風(fēng)險評估,建立了網(wǎng)絡(luò)終端安全評估系統(tǒng),并提出了終端安全評估的系統(tǒng)流程模塊,但是同樣不適用于電力系統(tǒng)的終端設(shè)備。LIU M等人[6]基于層次分析法和模糊仿真完成了電網(wǎng)災(zāi)難性事故風(fēng)險評估,最終得到的結(jié)果有助于維修人員的決策,但該方案利用層次分析法對整個電網(wǎng)進(jìn)行的風(fēng)險評估沒有具體到電力終端的安全評價。宗祥瑞等人[7]利用熵權(quán)法對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)特征進(jìn)行分析評價,通過熵的概念來描述電網(wǎng)負(fù)載水平,但客觀賦權(quán)需要大量數(shù)據(jù)支撐,許多屬性難以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。楊杉等人[8]認(rèn)為電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的信息安全風(fēng)險主要來自于系統(tǒng)本身以及配置錯誤而引發(fā)的問題,基于這兩類風(fēng)險確定了3層指標(biāo)體系,計算各模塊相對總評估目標(biāo)的組合權(quán)重,但該方案對電網(wǎng)信息系統(tǒng)進(jìn)行安全評估,并不完全適用于電力終端。羅艷等人[9]通過隨機(jī)森林的方法對電網(wǎng)實時運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行評估,需要利用歷史數(shù)據(jù)對隨機(jī)森林智能體訓(xùn)練,模型較為復(fù)雜,不適用于對電力終端整體情況的評估。LIU R等人[10]利用堆疊降噪自編碼器(Stacked Denoising Auto Encoder,SDAE)提取故障數(shù)據(jù)的特征,利用層次貝葉斯模型對配電終端的故障率數(shù)據(jù)進(jìn)行評估,但模型對整體評估性能較弱。XIE G等人[11]通過模糊層次分析法對采集終端的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評估,但未涉及其他類型的電力終端。CHEN L[12]建立電力移動終端的層次分析模型,但是在求解指標(biāo)體系各因素權(quán)重時,未對指標(biāo)進(jìn)行量化分析。孫歆等人[13]提出基于層次指標(biāo)體系的電力移動終端安全評估方法,通過編寫Agent去調(diào)用API(Application Programming Interface)來獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)信息。但是該方案未考慮電力固件安全,在用層次分析法獲取指標(biāo)權(quán)重時沒有考慮不同計算方法的驗證。

電力系統(tǒng)中終端的可管、可信、可用,是終端安全的基礎(chǔ)[14],在選取指標(biāo)因素構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)的時候,需要將《電力行業(yè)信息系統(tǒng)安全等級保護(hù)基本要求》和實際電力系統(tǒng)需求相結(jié)合。針對目前電力終端安全評估存在的問題,本文提出了基于層次分析法的電力終端安全評估方案,綜合考慮電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和電力系統(tǒng)實際需求構(gòu)建合理的電力終端安全指標(biāo)體系,結(jié)合模糊綜合評價法(Fuzzy Comprehensive Evaluation Method，F(xiàn)CEM)計算得到電力系統(tǒng)中終端安全的最終評估值。

1 電力終端安全評估指標(biāo)體系

1.1 建立指標(biāo)體系的流程

綜合考慮評估電力終端安全涉及到的指標(biāo)因素,采用德爾菲法確定評估指標(biāo),通過指標(biāo)同趨勢化、標(biāo)志變異指標(biāo)和無量綱轉(zhuǎn)化對所選取的評估指標(biāo)進(jìn)行量化。建立電力終端安全評估指標(biāo)體系的流程如圖1所示。

圖1 建立電力終端安全評估指標(biāo)體系的流程示意

1.2 確定評估指標(biāo)

由于電力終端設(shè)備種類繁多,且電力終端的安全涉及內(nèi)容廣泛且復(fù)雜,所以在設(shè)計構(gòu)建電力終端安全評估指標(biāo)體系時,參考電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涉及內(nèi)容,并利用專家規(guī)定程序調(diào)查法[15],綜合考慮指標(biāo)因素的合理性。在電力信息系統(tǒng)終端設(shè)備的應(yīng)用過程中,其信息安全風(fēng)險主要來源于兩個方面:一方面是物理硬件設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)配置規(guī)劃、系統(tǒng)應(yīng)用軟件中的漏洞;另一方面是在終端設(shè)備的安全管理方面存在的風(fēng)險隱患。最終形成指標(biāo)體系3層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力終端安全評估指標(biāo)體系3層結(jié)構(gòu)

建立的指標(biāo)體系可以滿足實際場景中電力終端安全評估的需要。該指標(biāo)體系共有3層:目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。目標(biāo)層指標(biāo)分為物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)軟件安全、數(shù)據(jù)安全和管理安全5大準(zhǔn)則。這5個準(zhǔn)則層指標(biāo)又細(xì)化分為17個方案層指標(biāo),涵蓋了電力終端設(shè)備安全評估的各個方面因素。

1.3 量化評估指標(biāo)

為了保證整個評估方案的科學(xué)性、準(zhǔn)確性,需要對所有的指標(biāo)因素進(jìn)行量化處理。利用數(shù)學(xué)變換來統(tǒng)一評估值的趨勢,完成評估指標(biāo)的量化。

量化過程包括3個步驟:主成分分析中指標(biāo)同趨勢化、 標(biāo)志變異指標(biāo)的標(biāo)識和無量綱轉(zhuǎn)化。若評估指標(biāo)體系中使用了多項指標(biāo),需要先將指標(biāo)同趨勢化,把所有的指標(biāo)方向一致化[16]。其方法可分為逆向指標(biāo)正向化和適度指標(biāo)正向化。指標(biāo)同趨勢化方法及含義解釋如表1所示。

表1 指標(biāo)同趨勢化方法及含義解釋

標(biāo)志變異指標(biāo)可以用于反映總體各單位標(biāo)志值之間的差異程度或離散程度。測量標(biāo)志變異指標(biāo)來標(biāo)識出該指標(biāo)是否需要消除指標(biāo)變異程度上的差異,如果需要消除,就采取指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的辦法,當(dāng)不能消除變異程度大的指標(biāo)數(shù)據(jù)時,采用均值法。

在構(gòu)建評估指標(biāo)體系時,各個評價指標(biāo)的量綱和表現(xiàn)形式對總目標(biāo)的作用趨向各不相同,需要進(jìn)行指標(biāo)的無量綱轉(zhuǎn)化來消除量綱與量綱單位的影響。具體的指標(biāo)無量綱轉(zhuǎn)化方法可以分為直線型、折線型和曲線型3種,根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變異程度來選擇相應(yīng)的量綱轉(zhuǎn)化方法。

2 基于層次分析法的電力終端安全評估方案

層次分析法本質(zhì)上是一種決策思維方式,把復(fù)雜的問題分解為各個組成因素,將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)[17]。根據(jù)電力終端安全評估指標(biāo)體系,準(zhǔn)則層中各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不相同,通過層次分析法得到各種指標(biāo)因素的權(quán)重關(guān)系以供目標(biāo)決策使用。將待解決問題分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層,同一層之間的任意兩元素之間不存在支配和從屬關(guān)系且相互獨(dú)立[18];構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣,計算矩陣是否通過層次一致性檢驗;最后獲取各個指標(biāo)因素的權(quán)重配比,結(jié)合模糊綜合評價得到評估方案。整個評估模型的構(gòu)建流程如圖3所示。

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

為了對各個指標(biāo)因素進(jìn)行準(zhǔn)確量化,可以用尺度1～9度量將模糊問題定量化,假設(shè)給定2個指標(biāo)因素Ind1和Ind2,其定性結(jié)果和對應(yīng)的定量結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)定性結(jié)果和對應(yīng)的定量結(jié)果

根據(jù)表2構(gòu)造判斷矩陣為

A=(aij)n×n=

(1)

式中:aij——指標(biāo)i和指標(biāo)j相比的重要程度,aij>0,aij×aji=1。

2.2 檢驗層次一致性

構(gòu)造完判斷矩陣后,需要對指標(biāo)因素進(jìn)行層次一致性檢驗。如果通過,判斷矩陣就可以用來計算各指標(biāo)因素的權(quán)重,否則進(jìn)行矩陣的修正。

表3 n階判斷矩陣對應(yīng)RI值

通過查找表3找到相應(yīng)的RI,計算一致性比例為CR=CI/RI。當(dāng)CR<0.10時,認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。

2.3 獲取指標(biāo)因素權(quán)重

判斷矩陣通過層次一致性檢驗后,計算各個指標(biāo)因素的權(quán)重配比,算數(shù)平均法獲取指標(biāo)因素權(quán)重的公式為

(2)

幾何平均法獲取指標(biāo)因素權(quán)重的公式為

(3)

特征值獲取指標(biāo)因素權(quán)重的過程如下:根據(jù)最大特征值λmax求得對應(yīng)的特征向量;對求得的特征向量進(jìn)行歸一化處理,最終得到權(quán)重向量。

2.4 模糊綜合評價值

根據(jù)得到的上層指標(biāo)對下層指標(biāo)的權(quán)重向量,采取模糊綜合評價的方法構(gòu)建評價矩陣,建立適合的隸屬函數(shù)從而構(gòu)建好評價矩陣,完成評價矩陣和權(quán)重的合成。

定義電力終端安全模糊綜合評價的評價集為D={很好,好,一般,差,很差}和評價指標(biāo)集合U。構(gòu)建的電力終端安全評估指標(biāo)體系為目標(biāo)層—準(zhǔn)則層—方案層的3層結(jié)構(gòu)。在考慮目標(biāo)層對于準(zhǔn)則層的評價指標(biāo)集合時,UG={物理安全,網(wǎng)絡(luò)安全,系統(tǒng)軟件安全,數(shù)據(jù)安全,管理安全};在考慮準(zhǔn)則層對方案層的評價指標(biāo)集合時,UCi集合中包含的是每個準(zhǔn)則層指標(biāo)對應(yīng)的方案層指標(biāo)。

(4)

其中,*為算子符號,稱之為模糊變換。

對綜合評價矩陣S進(jìn)行矩陣的歸一化得到綜合評價值。

3 實驗過程及結(jié)果

3.1 實驗環(huán)境設(shè)計

結(jié)合本文提出的電力終端安全評估方案,設(shè)計了該方案的實驗應(yīng)用環(huán)境,如圖4所示。各終端設(shè)備連接在數(shù)據(jù)總線上,通過調(diào)用API來獲取數(shù)據(jù),或直接通過相應(yīng)的APP工具進(jìn)行采集。終端資料數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存放各終端的詳細(xì)狀態(tài)信息,同時保留安全情況下各屬性的狀態(tài)備份,通過對比可以發(fā)現(xiàn)各因素的異常變化,進(jìn)而在模糊層次分析中為專家程序調(diào)查提供評價依據(jù)。該仿真系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)和其他電力系統(tǒng)相連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。

圖4 實驗應(yīng)用環(huán)境

3.2 模擬實驗過程

為了驗證本文提出方案的有效性,綜合考慮電力系統(tǒng)中終端安全等級保護(hù)行業(yè)規(guī)范,調(diào)用應(yīng)用程序接口獲取信息,形成一組模擬數(shù)據(jù)作為構(gòu)造判斷矩陣的指標(biāo)定量結(jié)果。目標(biāo)層指標(biāo)G和準(zhǔn)則層指標(biāo){C1,C2,C3,C4,C5}對應(yīng)的判斷矩陣GC為

(5)

各準(zhǔn)則層指標(biāo)和方案層指標(biāo)之間形成相應(yīng)的判斷矩陣CiP。

構(gòu)造判斷矩陣后,利用MATLAB編程得到矩陣最大特征值并進(jìn)行層次一致性檢驗。經(jīng)過計算得到的具體各層權(quán)重歸類如表4所示。在層次分析中對不同獲取權(quán)重值的方法進(jìn)行比較,3種方法下判斷矩陣GC得到的權(quán)重值結(jié)果差異不大,權(quán)重配比合理。

表4 各層指標(biāo)權(quán)重歸類結(jié)果

得到指標(biāo)因素的權(quán)重矩陣后,根據(jù)電力終端安全模糊綜合評價集模擬專家經(jīng)驗數(shù)據(jù),評價電力系統(tǒng)中終端的安全風(fēng)險狀況,得到各準(zhǔn)則評價等級頻數(shù)分布如表5所示。最終歸一化后得到的模糊評價向量為[0.415 9 0.712 4 1 0 0.091 2],不同時空分布下該向量的變化可以反映電力系統(tǒng)中終端安全的風(fēng)險評估狀況。

表5 準(zhǔn)則指標(biāo)評價等級頻數(shù)

3.3 方案效果評估

選用模擬實驗數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,從適用電力終端、不需大量數(shù)據(jù)支撐評測結(jié)果、驗證指標(biāo)權(quán)重、獲取指標(biāo)信息全面、評價結(jié)果客觀5個角度將本文提出的基于層次分析法的電力終端安全評估方案與文獻(xiàn)[8]中基于熵權(quán)法對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)特征的分析評價、文獻(xiàn)[14]中基于層次分析法的電力移動終端安全評估方法進(jìn)行對比評測,驗證本文提出方案的有效性。對比結(jié)果如表6所示。

表6 3種方案的對比結(jié)果

4 結(jié) 語

針對能源互聯(lián)網(wǎng)中電力終端安全風(fēng)險評估問題,綜合考慮行業(yè)規(guī)范以及實際需求,建立了更適用于電力終端的安全評估指標(biāo)體系。通過終端應(yīng)用程序接口、現(xiàn)有工具獲取以及數(shù)據(jù)庫資料分析,結(jié)合專家規(guī)定程序調(diào)查,保證指標(biāo)選取的全面性。在利用層次分析法計算指標(biāo)因素權(quán)重的過程中,對比基于算數(shù)、幾何和特征值3種不同的權(quán)值獲取辦法,驗證了結(jié)果合理性。通過模糊綜合評價方法,最終得到一組可以綜合反映電力系統(tǒng)中終端安全狀態(tài)的歸一化向量。通過設(shè)計實驗環(huán)境和模擬實驗數(shù)據(jù),與以往的方案進(jìn)行了效果對比,結(jié)果說明了本文提出方案的有效性。下一步將針對增強(qiáng)層次分析法評估電力終端安全結(jié)果的客觀性展開研究。