计及电网通信信息安全预警与决策支持的停电防御系统

随着通信信息技术的广泛深入应用，现代电力系统已经发展为由物理电力系统和通信信息系统构成的复杂耦合系统-电力信息物理融合系统(Cyber Physical System, CPS)。电力CPS对信息通信的依赖越来越强，这也使得信息通信系统的安全在整个电力系统中变得越来越重要。

随着特高压跨区互联电网的发展，及通信新技术的应用，信息传输的延时误码的特征将变得更复杂。其对电网运行控制的影响将不可忽视。

因此有必要研究通信信息对电网停电防御的影响，将停电防御向通信信息系统拓展。为有效防御通信信息故障对电力系统的影响，必须在线跟踪通信信息系统的状态变化，制定通信信息故障后的通信信息系统的控制策略，使电网制定控制策略时，能了解通信的实际状态，并能及时应对通信信息系统的故障，使电网的控制策略更可靠、更有效、也更经济。

1.电网与通信信息融合的电力系统停电防御架构

经典概念中的电力系统的停电防御系统已在现场实际应用，功能如图1的上部分所示。作为经典概念中的通信信息系统，已有对通信信息设备的监测，及对设备故障的定量描述，而且也已有自愈保护、自动重路由和应急通信等保护措施。但在通信信息系统中，没有将其保护和控制措施像电力系统的三道防线一样进行系统的分类，因而也没有完整的防御体系的概念。为实现电网和通信信息融合的电力系统的停电防御，首先是要实现通信信息的系统化的安全防御(图1中的下部分)，形成与电力系统三道防线类似的防御体系，为电网和通信信息的协调防御奠定基础。

图1给出了电网和通信信息融合的电力系统的停电防御与经典概念中的电网停电防御和通信信息系统防御间的关系。图中的红色部分表示要实现电网和通信信息融合的电力系统的停电防御需要开展的工作。

图1 电网与通信信息融合的电力系统的停电防御

2.通信信息三道防线

电力系统的“三道防线”意在通过不同的控制手段尽量降低电力故障造成的损失。借鉴电力系统三道防线的概念，提出通信信息的三道防线的定义：

通信信息第一道防线：是指在故障未发生时可采取加强通信信息网规划和业务路径的优化等措施来实现通信信息的预防控制功能;

通信信息第二道防线：是指通信信息发生业务中断等故障时采取网络自愈保护、备用通道快速切换、环网倒换等紧急控制策略来实现业务路径的快速恢复功能;

通信信息第三道防线：是指对中断业务短期故障无法解决的，采取自动重路由和应急通信等校正控制手段来保证业务的临时畅通。

和电力系统类似，在通信信息的第三道防线的校正控制实施后，通信信息系统处于部分信息缺失、性能指标非最优的状态，因此也需要采取恢复控制措施使之回到最优的正常通信状态。

通信信息三道防线的定义如图2所示。

3.通信信息安全防御系统

通信信息安全防御系统主要是基于通信信息安全三道防线的定义，结合继电保护、安稳控制等电力实时控制业务对通信信息实时性和可靠性的特殊需求，通过对通信信息系统的中断、延时、误码等指标的评估，对通信信息网络资源进行预防控制、紧急控制和校正控制，实现对通信信息的预警分析和决策控制，以及通信信息故障的快速定位和通信信息业务的快速恢复，从而提高通信信息系统应对各类故障的反应和处理能力。通信信息安全防御系统的总体架构如图3所示。

图3 通信信息安全防御系统的框架结构

通信信息安全防御系统通过统一的外部接口与电网停电防御系统进行交互，定时向电网停电防御系统输出各通信信息信道当前的、以及预想通信信息故障发生后(采用了紧急控制和预防控制后)的传输中断概率、延时、误码率等指标。这将有助于电网停电防御系统制定更可靠、更经济的控制策略。

4.电网紧急控制与通信信息控制的协调

在传统的电网停电防御系统中，一般有两套策略：离线策略和在线追加策略。这两类策略制定时，一般假定策略(切机、切负荷等)的动作时间为一固定值(如200ms)。当将通信信息系统的信息引入到电网停电防御系统后，不但策略的套数会增加，策略的动作时间也可以依据实际的通信信息延时值进行估计。一般这个通信信息延时值都会比传统的固定值小，这样需要调整的控制量会较小，从而可以用较小的控制代价获得相似的控制效果。

电力紧急控制与通信信息系统三道防线的协调流程如图4所示。当考虑电网紧急控制与通信信息的三道防线协调后，停电防御系统将有六套紧急控制策略：

1)通信信息正常时。只考虑电网预想故障的离线控制策略A1，和在线追加控制策略A3。

2)考虑通信信息故障，而且相应的通信信息紧急控制措施正常执行时。对电网/通信信息的组合故障，有离线控制策略A2，和在线追加控制策略A4。

3)考虑通信信息故障，而且相应的通信信息紧急控制措施失效时。此时，对电网/通信信息的组合故障，可以基于通信信息紧急控制失效后的通信信息状态，决定在线追加策略A5;或基于通信信息校正控制后的通信信息状态，决定在线追加策略A6。在线追加策略A5和A6之间由于有控制成本的差异，因此需要优化计算和比较。

图4 电力紧急控制与通信信息三道防线协调流程图

5.研究成果与建议

本文提出了通信信息三道防线的概念，实现了能对通信信息风险进行预警、对通信信息故障进行决策支持的通信信息安全防御系统。并给出了计及通信信息安全预警与决策支持的停电防御系统的实现方法。

目前实现的系统，主要还是针对通信信息系统的自然故障。作为一个完整的停电防御系统，还必须具备应对通信信息恶意攻击的能力。这也将是下一步工作的方向。