从复杂网络视角评述智能电网信息安全研究现状及若干展望_梅生伟

智能电网中的电力信息化网络安全挑战与应对摘要：智能电网是电力系统与信息通信技术相融合的产物，其发展对于电力行业的现代化建设和电力供应的可靠性、经济性、安全性等方面意义重大。

然而，随着智能电网的不断发展和应用，电力信息化网络安全问题也日益凸显。

电力信息化网络所面临的安全威胁包括来自物理、网络和应用等方面的挑战。

这些安全问题严重地威胁着智能电网的稳定、可靠和安全运行，也使电力行业面临巨大的安全风险。

因此，对电力信息化网络的安全挑战和应对措施进行深入研究，具有重要的现实意义和实践价值。

关键词：智能电网；电力信息化；网络安全；挑战；应对1智能电网的基本概念1.1智能电网的基本概念智能电网是对传统电力系统的升级和变革，实现了电力系统的信息化、智能化和自动化。

其核心技术包括智能感知、智能决策、智能控制和智能优化等。

相比于传统电力系统，智能电网在多个方面都有了很大的改进：1.1.1天然的“弹性能力”——智能电网通过对电力负载的综合调度，可以更好地应对电力系统的需求变化，实现了“零浪费、零排放”的理念。

1.1.2具有自我诊断、自我恢复能力——智能电网基于信息技术的优势，可以实现对电力系统的实时监测和自我诊断，在出现问题时能够自动切换到备用系统，从而具有较强的自我恢复能力。

1.1.3提高了供电质量——智能电网通过智能化监测和控制技术，可以实现对电力质量的精准控制，从而提高供电质量。

1.2智能电网的发展历程智能电网的概念，最早可以追溯到上世纪90年代。

其发展历程大致可以概括为三个阶段：阶段一：智能电网技术的初步探索（1990年-2005年）这个阶段的主要任务是了解智能电网技术原理，研究传统电力系统与信息技术的深度融合程度，初步探索智能电网的技术框架和关键技术。

这个阶段的主要成果是一个智能电网的基本架构，包括智能感知、智能决策、智能控制和智能优化。

阶段二：智能电网技术的开发和应用（2005年-2015年）这个阶段的主要工作是将智能电网技术应用到实际电力系统中，进行系统设计和开发。

智能电网大数据处理技术现状与挑战智能电网是利用先进的信息技术和通信技术对电力系统进行智能化改造和升级的一种新型电力系统。

智能电网的数据处理技术是实现智能电网运行和管理的关键技术之一。

本文将介绍智能电网大数据处理技术的现状和挑战。

智能电网的建设和运行离不开大数据技术的支持。

智能电网通过对电网设备、用户用电行为和环境信息等多种数据进行采集和处理，获取电网的状态信息、故障预测和用电需求预测等重要信息，以实现电网运行和管理的智能化。

目前，智能电网大数据处理技术主要包括数据采集、数据传输、数据存储、数据分析和数据可视化等环节。

在数据传输方面，智能电网需要将采集到的数据传输到数据中心或云平台进行集中处理和存储。

目前，智能电网的数据传输主要通过宽带网络、无线网络和卫星通信等方式实现。

由于智能电网的数据量巨大，传输效率和数据安全性成为了关键问题。

在数据存储方面，智能电网需要通过大数据存储技术对采集到的数据进行存储和管理。

智能电网的数据存储需求不仅包括数据的容量要求，还包括对数据的高可靠性和高可用性要求。

目前，智能电网的数据存储主要采用分布式存储技术、云存储技术和闪存存储技术等。

在数据分析方面，智能电网需要对采集到的数据进行分析和挖掘，以提取有用的信息和知识。

智能电网的数据分析主要包括负荷预测、故障诊断、智能优化和风险评估等方面。

目前，智能电网的数据分析主要采用机器学习、数据挖掘和人工智能等技术。

在数据可视化方面，智能电网需要将分析结果以图形化的方式展示出来，以方便用户直观地了解电网的状态和运行情况。

智能电网的数据可视化主要采用数据可视化技术和虚拟现实技术等。

尽管智能电网大数据处理技术取得了一些进展，但仍然存在一些挑战。

智能电网大数据处理技术需要处理海量的数据，对计算能力和存储能力提出了很高的要求。

智能电网的数据传输需要满足高效、安全和可靠的要求，需要解决数据传输速度和数据安全性等问题。

智能电网的数据分析需要解决数据的分析模型选择和算法优化等问题。

智能电网中的信息安全技术研究一、引言随着能源需求的增长，全球能源生产和消费格局正在发生变化。

传统的电网系统已经不能满足日益增长的能源需求，并且还面临着安全和环保等问题。

为了解决这些问题，智能电网应运而生。

智能电网通过运用新兴的信息技术，实现了对电力系统的全面监控和管理，可以更加高效地分配能源，并且提高了电力系统的可靠性和安全性。

然而，与此同时，智能电网也面临着来自网络攻击和黑客的信息安全威胁。

为了确保智能电网的稳定运行，必须采用一系列的信息安全技术来保护电网系统的安全。

二、智能电网的信息安全威胁智能电网涉及的信息系统十分复杂，其中包括了各种传感器、计算机系统、设备控制器等等。

这些设备通过互联网进行了连通，从而构成了一个庞大的复杂系统。

此外，智能电网还需要通过信息技术将能源的供需信息传输到用户和能源供应商之间，从而实现更加高效的能源管理。

然而，这种对网络的依赖也为黑客提供了破坏智能电网安全的机会。

1.勒索软件攻击勒索软件可以通过网络攻击的方式进入智能电网系统，从而破坏智能电网的稳定运行。

过去几年中，勒索软件攻击事件层出不穷，给企业和政府机构带来了巨大的财产和信息损失。

由于智能电网的信息系统涉及到诸多部门和单位，因此受到勒索软件攻击的风险也相应增加。

在此背景下，建立全面的信息安全保护机制，对于智能电网的稳定运行至关重要。

2.数据泄露智能电网中的各种传感器和设备都是通过互联网进行通信的，因此从这些设备中获取的数据往往包含了很多敏感信息。

一旦这些信息被泄露，可能导致对用户隐私的侵犯，对企业机构的商业机密等敏感信息泄露，对智能电网的安全也构成了威胁。

因此，做好智能电网系统中数据加密和保护工作非常重要。

3.恶意软件攻击恶意软件可以在未经授权的情况下进入智能电网系统，并运行一系列的不良功能。

恶意软件可以通过以下几种方式进入智能电网系统：通过未经授权的入侵成为智能电网系统的一部分，或通过植入病毒、木马等方式实现对系统的攻击。

<*liaracl<-r、'突破瓶颈，连续攻关，为智能电网发展保驾护航——记清华大学电机系教授梅生伟■文/杜浩钧智能电网的概念，最早是由美国专家在2009年提出的，进入新世纪之后，各个国家都在重新审视过去电网建设的模式，探讨未来电网的发展新方向，智能电网正是专家们对这一问题思考、研究的结果。

我国对智能电网的研究、讨论与应用.已经进入了快速发展的轨道，与世界先进水平同步。

交直流电力系统是智能电网发展的新趋势和新常态。

为了保证规模复杂的交直流电力系统正常运行，清华大学电机系教授梅生伟带领他的团队，历经多年技术攻关，成功研发了连锁故障主动防御软件平台，为保障我国特/超高压交直流电力系统安全运行发挥了重要作用，该项目荣获2018年国家科学技术进步二等奖。

梅生伟，清华大学教授，博士生导师，青海大学新能源学院院长，美国电子电气工程师协会会士，英国工程技术学会会士，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者，青海省昆仑学者，基金委创新群体学术带头人。

梅生伟主要从事电力系统鲁棒控制、复杂电力网络理论、电力系统灾变防治和新能源电力系统等研究。

他提出了电力系统非线性鲁棒控制设计原理，解决了复杂电力系统抗干扰控制器设计难题，建立了电力系统非线性鲁棒控制理论，有力推动了现代控制理论的发展；突破了电力系统灾变防治多时间尺度过程分析相互割裂的局限性，建立了电力系统自组织临界理论，开辟了连锁故障机理分析和灾变阻断新途径。

以多目标多决策主体不确定系统综合优化为突破口，提出工程博弈论新方法，研发了压缩空气储能新技术，开创并引领了可再生能源综合利用研究新方向。

在炎炎夏日里，带着对梅生伟的崇敬之情，记者走入了清华园，拜访了这位正直壮年的学者。

宾主一落座，梅生伟就向记者介绍了自己新近获奖的这个项目。

中科技2019年第57期|•13•、«rh・r・rtrr梅生伟教授调研光伏电站梅生伟教授介绍科技成果在交谈的过程中，记者感受到了梅生伟的谦逊之情，始 终将团队的荣誉放在了首位，令记者钦佩。

智能电网中的电力系统信息安全研究随着信息技术和智能设备的迅猛发展，智能电网已经成为了能源行业的新趋势。

智能电网通过将传统的电力系统与信息通信技术相结合，实现了对更广泛、更智能的能源管理和分配。

然而，电力系统信息安全问题也逐渐显露出来，这对智能电网的可持续发展提出了挑战。

因此，电力系统信息安全研究势在必行。

首先，我们需要了解电力系统信息安全的重要性。

电力系统作为智能电网的核心部分，涉及到能源供应的稳定性和可靠性。

任何对电力系统的攻击都可能导致电力中断、能源浪费，甚至对社会经济带来巨大影响。

因此，保护电力系统的信息安全不仅仅是保护电力系统本身的利益，也是保护整个社会和国家利益的需要。

在智能电网中，电力系统信息安全研究主要包括以下几个方面。

首先是网络安全。

智能电网在实现电力信息化和智能化的过程中，需要依赖广域网传输能源数据和控制信号。

然而，广域网的开放性和复杂性也给电力系统信息安全带来了威胁。

网络攻击者可能通过黑客攻击、病毒传播等方式入侵电力系统，篡改数据、破坏系统。

因此，需要研究和发展网络安全技术，保护电力系统通信网络的安全。

其次是数据安全。

电力系统需要处理海量的能源数据，包括电力消费数据、发电数据、输电数据等。

这些数据的准确性、完整性和保密性对电力系统运行至关重要。

因此，需要研究和开发数据安全的加密、传输和存储技术，防止数据被篡改、窃取。

另外，还需要考虑智能设备的安全问题。

智能电网中的智能设备涉及到能源管理、测量、控制等关键功能。

如果智能设备受到攻击，可能导致电力系统的故障，甚至导致事故发生。

因此，需要研究和发展智能设备的安全技术，确保其正常运行和防范潜在的威胁。

此外，电力系统信息安全研究还需要关注对抗黑客攻击的技术。

黑客攻击者可能通过对电力系统进行入侵和破坏来达到其非法目的。

因此，需要研究和开发防护系统，及时发现和应对黑客攻击，确保电力系统的安全稳定运行。

最后，电力系统信息安全还需要考虑法律法规和政策的支持。

智能电网信息安全研究综述摘要：本文简要概述了智能电网信息安全的主要内容，结合智能电网信息安全方案设计的原则，对智能电网信息安全技术的具体应用进行了研究，意在提高智能电网信息化建设中的信息安全性。

关键词：智能电网；信息安全；研究综述引言近年来，网络应用技术取得了极大的进步，许多领域的生产和管理都在逐步走向信息化，我国电力系统的信息化建设正在日趋完善。

尽管智能电网的发展能为电力部门的运作带来了更大的效益，但其信息化建设还存在许多问题，电力网络信息化会受到的外来入侵、操作失误或设备故障等影响，降低了智能电网的信息化水平。

因此，电力部门要加强对智能电网信息安全的重视，把解决智能电网的信息安全问题当作信息化建设的重点。

一、智能电网信息安全风险1、层次结构智能电网延伸覆盖至发电、输电、变电、配电、用电及调度各个环节，智能电网系统在逻辑上基本都可以分为终端层、通信网络层、主站系统层，其中终端层包括各类监控终端、表计终端、作业终端等设备，是智能电网系统的信息底层，负责收集智能电网各类基础信息；通信网络层采用光纤专网、APN无线专网等运营商虚拟专网，用来传输智能电网数据；主站层是智能电网系统的最高层，由计算机设备及其外设、软件构成，从整体上实现对智能电网的监控、分析、调度、管理和优化等功能。

2、智能特点智能电网具有网络更广、交互更多、用户更泛、技术更新的特点。

网络更广指的是智能电网存在无限局域网、移动通信网络等多种通信方式，具有多种网络协议，通信网络更加广泛和复杂；交互更多指的是智能电网信息系统集成度更高，融合程度更强，各个业务系统之间更加频繁和多样；用户更泛指的是智能终端及表计、移动设备等多种设备共存，并大量接入，智能电网用户类型多样，数量庞大；技术更新指的是智能电网广泛利用了新型无线通讯技术、智能设备、虚拟化、物联网、云计算等前沿高科技技术。

二、智能电网信息安全的内容智能电网信息安全防护对象为公司信息大区、生产控制大区的输电、变电、配电、用电、调度、跨环节相关业务系统和通信网络，最终目标是确保信息的机密性、完整性、可用性和抗抵赖性以及企业对信息资源的控制。

电力信息网络安全现状及防范措施论文电力信息网络安全现状及防范措施论文摘要：电力信息网络的发展对电力系统的安全性运行产生重要的影响，有助于促进电力企业的整体经济效益和社会效益的提升，因而加强电力信息网络安全具有一定的现实意义。

本文就电力信息网络安全因素的特点进行简要分析，提出可行的网络安全措施，仅供相关人员参考。

关键词：电力信息；网络安全；防范措施信息技术的发展，为电力企业的工作效率和管理水平的提升发挥着重要的推动作用。

电力信息的网络化在促进电力企业管理的高效化的同时，也给电力企业的网络安全带来了极大的隐患，因而加强电力信息网络安全性的研究满足电力企业发展的实际需求，对于电力企业的稳定发展具有重要意义。

1影响电力信息网络安全因素的特点就当前电力信息网络的总体情况来看，信息网络安全的影响因素具有综合化和复杂化的特点，随着影响信息网络安全的因素的发展，维护电力信息网络安全逐渐成为电力企业当前所面临的一项重要问题。

信息网络的开放性逐渐提高，一定程度上促进了电力信息网络的不稳定性和不安全性，极易受到多种因素的影响导致信息网络出现问题，从而对电力系统的正常运行产生严重影响。

当前我国部分电力企业依然缺乏有效的安全防范体系设置，并且电力相关数据并未进行备份，这种情况下，一旦电力信息网路出现故障，会对电力企业的运行产生严重的影响。

综合来看，电力信息网络中存在诸多不安全因素，严重威胁着电力系统的稳定运行。

2电力信息网络安全的现状当前我国部分电力企业信息网络的安全意识相对淡薄，相关人员也并未充分认识到电力信息网络安全的重要性，缺乏合理有效的信息网络安全体系来对电力信息网络进行规范化管理，当前电力信息网络的运行缺乏有效的制度支撑，实际管理规范效率较低。

当前维护电力信息网络安全的基础设施并不完善，导致电力系统的稳定运行缺乏可靠的前提和基础。

尤其是电力信息网络中的身份验证存在一定弊端，对于不同身份角色的识别过程中存在极大的信息网络安全隐患，亟待电力企业进行有效改善。

智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响陈来军;梅生伟;陈颖【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2012(029)002【摘要】The present electric grids will definitely be developed into an intelligent power network interdependently composed of the power network and the information network. The characteristics of an intelligent power network are an alyzed and the importance of the information network security is emphasized. Various risks as well as malicious attack scenarios to the intelligent power network are analyzed from the aspect of information security, ranging from the informa tion collection, transmission, management and interaction. Furthermore, the impact from the emergency in the information network on the survivability of an intelligent power system is discussed based on the basic features of the coupling between the two networks. Proposals based on modern power system developments are given to enhance the information security of the intelligent power system in key technologies, standards, policies and training.%目前的电网必将发展成为由电力网和信息网组成的相互依存的复合网络．分析了智能电网网络构成的特点，阐述了信息网络安全在智能电网安全中的重要性．通过对智能电网信息化引入新元素的主要功能和特点的分析，从信息的采集、传输、处理和互动等角度描述了智能电网的信息安全问题，预想了各类攻击条件下的安全性事故场景．从网络功能的耦合性和网络间故障的传播特性探讨了信息网络安全对电力系统生存性的影响．最后，从关键技术、标准体系、政策法规、培训管理等方面提出了加强智能电网信息安全的具体建议，有助于提高智能电网安全性．【总页数】5页(P240-244)【作者】陈来军;梅生伟;陈颖【作者单位】电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室：清华大学电机系,北京100084;电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室：清华大学电机系,北京100084;电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室：清华大学电机系,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TM71【相关文献】1.解析智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响 [J], 杨璞;2.解析智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响 [J], 杨璞3.智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响 [J], 吴青4.试论智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响 [J], 吕勤;罗京5.智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响 [J], 刘思远因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

智能电网中的信息安全技术研究在当今数字化和智能化飞速发展的时代，智能电网作为能源领域的重要组成部分，正经历着深刻的变革。

智能电网通过先进的信息技术，实现了电力的高效传输、分配和管理。

然而，随着信息技术在电网中的广泛应用，信息安全问题也日益凸显。

保障智能电网中的信息安全，成为了确保电网稳定运行、保护用户隐私和维护国家能源安全的关键。

智能电网是一个复杂的系统，它融合了电力系统、通信技术、计算机技术和控制技术等多个领域。

在智能电网中，大量的传感器、智能电表和监控设备被广泛应用，这些设备实时采集和传输着海量的电力数据。

这些数据包括电网的运行状态、用户的用电信息以及电力市场的交易数据等。

通过对这些数据的分析和处理，电网运营商可以实现对电网的优化调度、故障诊断和预测维护，从而提高电网的可靠性和经济性。

然而，智能电网的开放性和互联性也给信息安全带来了巨大的挑战。

一方面，黑客、恶意软件和网络攻击等威胁可能会导致电网数据的泄露、篡改和破坏，从而影响电网的正常运行。

例如，攻击者可能会通过入侵智能电表系统，篡改用户的用电数据，从而造成计费混乱和经济损失。

另一方面，智能电网中的信息安全问题还可能会引发电力供应中断、设备损坏甚至危及公共安全等严重后果。

例如，攻击者如果成功破坏电网的控制系统，可能会导致大面积停电，给社会和经济带来巨大的影响。

为了保障智能电网中的信息安全，需要采取一系列的技术措施。

加密技术是其中的关键之一。

通过对电网中的数据进行加密，可以有效地防止数据在传输和存储过程中被窃取和篡改。

目前，常用的加密算法包括对称加密算法和非对称加密算法。

对称加密算法如 AES 算法，具有加密和解密速度快的优点，适用于对大量数据的加密。

非对称加密算法如 RSA 算法，安全性更高，但加密和解密速度较慢，通常用于数字签名和密钥交换等场景。

身份认证和访问控制技术也是保障智能电网信息安全的重要手段。

只有经过授权的用户和设备才能访问电网中的敏感信息和控制设备。

智能电网中电力信息安全性研究随着无线通信、云计算和物联网等技术的迅猛发展，智能电网已经成为电力行业的新趋势。

智能电网通过将传感器、智能计量装置和通信设备应用于电力系统中，实现了能源的高效管理和智能化运营。

然而，智能电网的发展也给电力信息安全带来了新的挑战。

电力信息安全是指保护电力系统中关键信息的机密性、完整性和可用性，防止信息遭到非法获取、篡改或破坏的安全措施。

智能电网的安全性研究需要从以下几个方面进行探讨。

首先，智能电网中的通信网络安全成为关注的焦点。

智能电网中的各种设备通过无线通信建立联系，使得系统的规模化和复杂化增加了系统的安全风险。

常见的攻击手段包括黑客攻击、拒绝服务攻击和网络钓鱼等。

为了提高通信网络的安全性，需要采取一系列的防护措施，例如数据加密、访问控制和网络监测等技术手段。

其次，智能电网中的数据隐私保护也是非常重要的。

智能电网基于大数据分析和智能算法对电力数据进行监测和管理。

然而，这些数据包含用户的用电习惯、生活方式和隐私信息。

如果这些数据泄露或被滥用，将对个人和社会造成严重的风险。

因此，智能电网需要采取相应的隐私保护措施，包括数据加密、数据访问权限控制和用户隐私协议等。

此外，智能电网中的设备安全性也非常重要。

智能电网依赖于各种智能设备，如智能计量器、智能电表和智能仪器等。

然而，这些设备存在硬件和软件漏洞，容易被黑客利用进行攻击和控制。

因此，电力系统需要对这些设备进行安全测试和漏洞修复，并采取物理和逻辑层面的安全措施，保障设备的安全可靠运行。

最后，有必要加强对智能电网中的人员安全教育和培训。

智能电网的安全性不仅仅依赖于技术手段，人员的素质和意识也起着重要的作用。

智能电网系统的运维人员需要具备安全意识和专业知识，能够识别并应对安全事件和威胁。

因此，培训和教育人员，提高其安全意识和技能，对于智能电网的安全性至关重要。

综上所述，智能电网中的电力信息安全性研究是一项重要的任务。

通过加强通信网络安全、数据隐私保护、设备安全性和人员安全教育等方面的研究和措施，可以有效防范电力系统面临的安全威胁。

互联电力网络复杂性研究的若干新进展
梅生伟;倪向萍
【期刊名称】《长沙理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2008(005)002
【摘要】以复杂网络理论为先导,综述了清华大学电机系近两年的研究成果.针对静态电力网络,提出了分解与协调算法和输电线路脆弱度评估算法;针对动态电力网络,提出了简化与等值算法和同步化控制算法.同时提出了网络生长与演化模型,研究了电力网络的生长机制问题.
【总页数】8页(P1-8)
【作者】梅生伟;倪向萍
【作者单位】清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京,100084;清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TM734
【相关文献】
1.非线性网络的动力学复杂性研究的若干进展 [J], 方锦清
2.复杂性研究的若干方法论原则 [J], 黄欣荣;吴彤
3."互联网+"形势下的电力网络与技术安全研究 [J], 黄衍忠
4.“互联网+”形势下的电力网络与技术安全研究 [J], 黄衍忠
5.复杂性研究中的若干问题和意义 [J], 吴彤
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电网信息化技术的综述与展望随着工业化进程的加速以及能源需求的增长，电网系统的规模逐年扩大。

然而，传统电网系统存在许多问题，例如能源消耗量大、能源转换效率低、环境污染等。

因此，电网信息化技术成为全球电网发展的一种趋势，其目标是建立集信息处理、能源管理和环境保护于一体的智慧电网。

当前，电网信息化技术呈现出快速发展的态势。

在该领域，智慧电网、电力物联网、电力云计算、智能电表等技术的商业化应用正在加速，逐步变为了电网建设的重要构成部分。

一、智慧电网智慧电网是由传统电网演变而来的一种新型电网。

该电网可以在能源质量、配电方案以及能量利用率等方面进行有效的管理与控制。

其最大的优势在于随着外部条件和负载变化，其可根据需求对控制策略进行优化，提高电网的效率性。

智慧电网的结构一般由用户侧、发电侧和配电侧三个主要部分构成，各部分之间通过互联网实现信息交换，根据数据和信号进行调控。

该技术在能源重载状况和其他应急状况时，还可以通过智能控制策略进行调整，确保供电持续稳定。

二、电力物联网电力物联网是基于物联网技术应用于电力系统的新技术，是目前电力系统实现智能化、自动化和可持续性发展的一种重要途径。

其由多种智能化设备、传感器和数据采集设备构成，可以实现对电网内部的各项数据进行实时监测和控制。

通过数据采集和监测，可以实现对各类关键信息的监管和处理。

当前，随着物联网技术的快速发展，电力物联网得到了各界的广泛认可和重视。

在未来，该技术还将进一步应用到智慧城市、智能制造、智能农业等领域。

三、电力云计算电力云计算技术指的是基于云计算技术应用于电力系统的一种新型技术，可以有效实现信息共享和协作，提升电力系统的管理和服务能力。

其主要思想是将分散的、分布式的数据存储到云端服务器中，通过垂直和水平扩展，实现数据的共享和业务的可靠性。

电力云计算技术可以对大量数据进行处理和存储，并提供分析和管理服务，为电力系统的服务提供商和供应商提供了更加精细的业务。

第29卷第2期2012年2月控制理论与应用Control Theory&ApplicationsV ol.29No.2Feb.2012智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响文章编号:1000−8152(2012)02−0240−05陈来军,梅生伟,陈颖(电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室;清华大学电机系,北京100084)摘要:目前的电网必将发展成为由电力网和信息网组成的相互依存的复合网络.分析了智能电网网络构成的特点,阐述了信息网络安全在智能电网安全中的重要性.通过对智能电网信息化引入新元素的主要功能和特点的分析,从信息的采集、传输、处理和互动等角度描述了智能电网的信息安全问题,预想了各类攻击条件下的安全性事故场景.从网络功能的耦合性和网络间故障的传播特性探讨了信息网络安全对电力系统生存性的影响.最后,从关键技术、标准体系、政策法规、培训管理等方面提出了加强智能电网信息安全的具体建议,有助于提高智能电网安全性.关键词:智能电网;电力网;信息网;信息安全;复合网络;生存性中图分类号:TM71文献标识码:ASmart grid information security and its influence onpower system survivabilityCHEN Lai-jun,MEI Sheng-wei,CHEN Ying(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments;Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)Abstract:The present electric grids will definitely be developed into an intelligent power network interdependently composed of the power network and the information network.The characteristics of an intelligent power network are an-alyzed and the importance of the information network security is emphasized.Various risks as well as malicious attack scenarios to the intelligent power network are analyzed from the aspect of information security,ranging from the informa-tion collection,transmission,management and interaction.Furthermore,the impact from the emergency in the information network on the survivability of an intelligent power system is discussed based on the basic features of the coupling between the two networks.Proposals based on modern power system developments are given to enhance the information security of the intelligent power system in key technologies,standards,policies and training.Key words:smart grid;power network;information network;information security;coupling network;survivability1引言(Introduction)智能电网从提出至今,尚没有一个统一的概念.不同国家和地区根据自身电网的特点和发展的需要,制定了相应的智能电网发展规划[1–3];不同科研机构和学者根据自己的理解阐述了具有学科特色的智能电网[4–7];不同的公司作为参与智能电网建设的商业主体,从自身的业务范围和经营利益出发描绘了智能电网应具备的功能和特点[8–11].虽然各方对智能电网的定义并不相同,但其基本思想大体上可以表述为通过数字化和信息化将电能的生产、输送、分配和使用等各个环节紧密联系在一起,通过智能化的控制实现“经济高效、灵活互动、友好开放、清洁环保”的新一代电力系统.其中,信息化是实现智能电网基础功能的重要前提.随着信息技术在电力系统基础设施和高级应用中的深度渗透,相互依存的信息网和电力网将成为未来智能电网的重要组成部分[12].可以预见,随着智能电网实践的深入,电力企业和电力用户侧的信息化将得到极大的提高.对电力企业而言,信息化的深入为企业带来更高的生产效率和管理水平;对电力用户而言,信息化的普及则意味着更经济的用电方式和更好的用户体验.然而,信息化的深入和普及在为电力企业和用户带来众多利好的同时,也给智能电网的运行安全埋下诸多隐患.一方面,信息技术发展十分迅速,许多技术发展过程中遗留的安全漏洞并没有得到有效解决,甚至还有不少尚未发现的安全隐患[13–16],近年来发生的利用信息网络攻击工业系统的重大事件更是引发了广泛的关注和担忧[17–18];另一方面,信息网和电力网相互影响和作用的机理目前尚不明确,针对二者构成收稿日期:2011−06−17;收修改稿日期:2011−09−28.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50807026,50977047);中国博士后科学基金资助项目(20110490351).第2期陈来军等:智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响241的相互依存复合网络脆弱性的恶意攻击很有可能造成大范围的连锁停电事故[19–21].因此,有必要分析智能电网运行过程中的信息安全隐患,并从复合网络的角度探讨信息安全对电力系统生存性的影响.需要说明的是,有关智能电网信息安全的研究,笔者在文献[12]中已从复杂网络的角度予以综述和展望,而本文则从电力信息安全的角度思考未来电网安全性问题,即可认为是对文献[12]的有益补充和深入.本文首先介绍了智能电网信息化条件下的网络特征,分析了信息化背景下智能电网中存在的安全性问题,并针对各类隐患预想了特定攻击条件下可能的安全性事故场景.进一步,探讨了信息网络安全对电力系统生存性的影响.最后,讨论了提高智能电网信息安全水平和电力系统生存性的可行对策和改进措施.2智能电网网络特征(Network characteris-tics of smart grid )未来智能电网从总体上可以视为由信息网和电力网这两个相互依存的网络构成的一个复合网络,如图1所示.图1电力网和信息网构成的复合网络Fig.1Interdependent network composed by power grid andinformation grid为了叙述方便,将电力网中的节点简化为电源节点和负荷节点两大类,二者通过输电线进行连接.在双向通信的条件下,将信息网络中的节点也简化为两类:一类是信息采集/指令执行节点,负责对控制范围内的负荷和电源的状态信息进行采集和上传,并根据接收到的控制指令对负荷和电源节点的状态执行调整操作;另一类是信息处理/指令生成节点,负责对采集到的信息进行汇总分析和生成控制指令.信息网络中的节点通过光纤和无线网等实现连接.电力网和信息网的相互依存主要体现在两个方面:信息网络中节点的正常运行需要电力网中邻近的电源节点提供工作电源;电力网络的安全、可靠、经济运行有赖于信息网中各节点的正常工作.从网络的规模来看,电力网和信息网均属于超大规模的复杂网络.文献[21]指出,复合网络的运行安全风险在某些情况下远大于单一的复杂网络.从这个角度来看,智能电网的安全性不容忽视,这其中,信息网络的安全性则是重中之重.主要原因如下:1)从网络发展的成熟度来看,信息网存在的安全隐患更多.即使在信息技术高度发达的今天,信息网络中仍有许多已知的安全漏洞尚未解决,且还会出现更多的新漏洞,这为攻击提供了许多可能的渠道.与之不同的,对电力网的攻击往往需要借助于物理手段,攻击的成本比较高,且受天气和地理条件的限制较多.2)从运行过程中的相互依赖关系来看,电力网的正常运行对信息网的依赖程度更高.电力网中电源节点出力的调整和负荷节点的投切等操作均是借助于信息网络来实现.如果信息网络出错或崩溃,电力网络一般很难保持正常运行.另一方面,信息网络虽然需要借助于电力网络的电源支持,但由于重要的信息网络通常配有不间断电源系统,短时停电并不会对信息网络造成大的影响.3)从网络故障的传播特性来看,信息网的故障更容易造成大范围的停电.由于信息流动的成本远低于能量流动的成本,这使得信息网络比电力网络具有更强的互联互通性,信息流可以在较大的范围内频繁地进行交互.因此,信息网络出现故障时受影响的范围将更为广泛.智能电网的网络结构决定了其运行风险既来源于电力网络的安全性,也来源于信息网络的安全性,而这其中,信息网的安全及其对电网带来的运行风险需要引起大家的高度重视.3智能电网信息安全(Smart grid information security )智能电网信息化的主要特点可以归纳为两个方面,一是对传统电力系统中发电、输电、配电、用电等各个环节的高度信息化,二是促进“售电”和“受电”参与各方的信息互动化.信息化为未来智能电网的安全运行带来了许多问题:1)信息采集环节的安全性.在智能电网中,各类高级传感器和测量表计将广泛用于对电力系统和电力用户状态进行监测.电力系统和用户状态的高度信息化为保障智能电网的安全、可靠和经济运行提供了重要基础.比如,借助于各类智能表计采集的大量数据,可以对电网设备的健康状况和电网的完整性进行评估,对潜在的危险进行预警和有效的规避,还可以通过智能表计发布实时电价和优惠政策,实现与用户的沟通,协助用户制定经济的用电策略.未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统,取而代之的是可以使电力公司与用户进行242控制理论与应用第29卷双向通信的智能固态表计.出于成本的考虑,智能表计一般不会加入复杂的加密技术,这导致智能表计比较容易被破解和控制.一旦这些设备受到控制,则攻击者既可以利用其向电网提供虚假用电信息,影响电网供给;又可以通过其向用户提供不合理的电价信息,影响用户侧的用电方式.极端情况下,还可以使大量智能表计与电网断开通信,使电网无法实时掌握系统用电情况,从而造成更大的事故.2)信息传输环节的安全性.建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础.一方面,大量从智能表计获得的数据需要通过高速通信网络及时地传输到数据处理中心;另一方面,电力企业也需要将电价信息和相关优惠政策通过通信系统实时地进行发布.相比于传统电网,智能电网中需要监测和控制的设备数量更多,分布更广.为了实现全面和实时的监控,成本低廉的无线通信网和分布广泛的公用因特网将在智能电网通信系统中占有越来越多的比重.通过无线网络和公用因特网可以方便地构建多通道的冗余通信网络,从而实现可靠的通信.然而,电力系统中公用网络的大量接入为恶意攻击提供了更多的入口.由于无线网络的安全标准目前尚处在早期应用阶段,有许多已经暴露出来的安全性漏洞还没有得到妥善解决,信息传输的安全性还有待进一步提高.文献[13]指出,只需要70美元左右的成本即可对基于IEEE802.15.4无线传感器网络发起一次拒绝服务攻击.此外,对于专业的攻击者而言,多入口的公用因特网环境为发起多点协调的攻击提供了可能性,这将为电网和用户带来更大的危害.3)智能控制的安全性.从电网侧来看,智能控制系统可以利用搜集到的各类信息对电网状态进行分析、诊断和预测,并及时采取适当的措施对电网运行状态进行调节,使之运行在安全、可靠和经济的状态;从用户侧来看,内嵌有智能控制技术的家用电器,如热水器、空调和电动汽车等,可以根据电网状态自动调节用电计划,从而获得实实在在的经济利益.此外,公共用电场合,如公交汽车充电站、写字楼等还可以通过其中用电设备之间的智能协调控制来降低整体用电成本.然而,上述应用成功的前提条件是智能电器的控制权得到正确的使用,如果智能电器之间的信息交互安全性缺乏保障,则很有可能被攻击者利用,不仅电器不能正常工作,还很有可能因大量电器的控制权被攻击者获取用于对电网负荷形成较大规模的冲击.4)电网和用户互动环境下的安全性.智能电网的重要特征之一是鼓励用户参与,实现电网和用户的互动化.电网通过将用户纳入电力系统的运行和管理以更好地实现供需平衡关系,提高系统运行的可靠性和经济性.而用户则根据其电力需求和电力系统当前的状态来制定科学的用电方式,从而获得经济上的收益.这一互动过程使得用户用电行为受系统状态的影响也越来越广泛.专业的攻击者可以利用互动过程对电力系统造成更大的破坏.比如通过信息网络向用户侧发布虚假的低电价信息,使得大量智能负荷,如电动汽车充电站、智能热水器和智能空调等,同时启用造成系统过负荷;与此同时,通过控制传感器网络向电网侧提交伪造的低负荷信息使得电网减少电力供应,从而对电力系统的稳定和用户的用电安全造成巨大的危害.5)其他安全性问题.出于信息交互的需要,每个家庭的用电负荷、设备构成以及用电规律等个人隐私将出现在信息网上.同时,电力市场化的需要使得电力企业的实时电价政策等重要信息也将在网络上传输.这些信息均有可能被不法分子截获、篡改甚至用于其他非法用途.4信息安全与电力系统生存性(Information security and power system survivability)一般而言,生存性是指系统在遭受攻击、出现故障或发生意外事故时,依然能够及时完成任务的能力[22].未来智能电网从宏观上看将演变成一个由信息网和电力网为主体的复杂交互网络.在发生系统内部故障、恶意攻击以及自然灾害等情况时均有可能导致电网瓦解,进而引发大面积停电事故.因此,为了保障电力系统的安全运行,不仅要控制和消除电力系统信息化新元素带来的安全隐患,还要从系统完整性的角度研究系统局部失效或遭受攻击之后整个系统的生存性.信息安全对电力系统生存性的影响主要表现在以下两个方面：1)网络间功能的强耦合性.一方面,分布广泛的信息网络需要与之配套的电力网络为其提供工作电源.另一方面,电力网络中几乎所有功能的实现都需要借助于信息网络提供的服务.电力网和信息网的这种强耦合性,使得大停电事故更加容易发生.例如,通过对信息网中的关键节点发动攻击,使得相应的电力网络中的关键电厂停机或重要输电线出现过载,可以造成与该信息节点对应的电力节点失效.换言之,在智能电网条件下,信息网络和电力网络之间的故障可以相互转化.由于信息网络目前具有许多已知安全漏洞,可以用来发起攻击的入口很多,且不受时间、地点和天气等因素的影响,所需成本极低且攻击手段更为隐蔽,因而对电力系统的危害性也更大.因此,未来对智能电网的攻击形式很有可能从传统的对物理电力系统的直接攻击转为对与之相对第2期陈来军等:智能电网信息安全及其对电力系统生存性的影响243应的信息系统的攻击.2)网络间故障的传播性.目前,关于电力系统连锁故障的研究已有了许多成果,但研究对象大多局限于电力系统内部传播的故障.在信息网和电力网相互依存的智能电网中,故障的传播形式有了更多的可能性.对于相互依存两个网络,当其中一个网络中的某个节点失效时,将会引发另一个网络中相关节点的失效.随着这一过程在两个网络中的交替出现,失效节点数将迅速增加,网络出现大面积故障,最终导致全网崩溃.值得担忧的是,未来的智能电网为网络间故障的传播提供了很好的平台.文献[21]指出,相互依存网络和单一网络的复杂性特征也有很大的不同.比如对于单一网络而言,网络的度分布越平均,则其对于随机故障越鲁棒,而对于相互依存的网络而言,网络的度分布越平均则其对于随机故障越脆弱.这表明,对于由相互依存网络构成的智能电网,其内部故障传播的条件也与以往研究中的单一电力网有了很大的不同.需要指出的是,文献[21]中构成复合网络的两个子网络均采用的是随机图模型,而对于智能电网这一具体的复合网络,其中的信息网多为无标度网,电力网则多呈小世界网,一旦信息网络出现连锁故障,更容易造成全网出现崩溃.5建议和对策(Suggestions)1)加强信息安全技术研究.智能电网的信息安全需要从信息的采集、传输、处理和交互等各个环节加强保障.针对智能仪表数据采集和储存开展数据加密存储和传输的研究;开展对无线网络中安全传输协议以及有线网络中防火墙技术和安全认证技术的研究;完善网络与信息安全预警、通报、监控和应急处置平台,形成有效的安全技术防护体系.2)制定信息安全标准体系.目前,国外关于智能电网信息安全标准体系的研究已经走在了前列.在加强对国外相关安全标准的研究和借鉴先进的研究成果的同时,还应由既了解我国电网实际情况,又了解信息安全的专家组对我国信息安全标准体系进行科学的规划,以此为指导制定信息安全标准体系.同时,还要推进信息安全标准在行业内的合理部署和实施.如此,则有望避免智能电网的无序建设引入的大量安全隐患.3)完善相关的政策法规.智能电网的建设牵涉到政府、用户、电力企业、IT公司和设备制造商等众多参与者.政府需要根据参与各方在智能电网中扮演的角色制定合理的政策.通过出台政策规定各方应承担的责任和义务,同时要制定相应的法律法规来规范参与各方的行为,切实保护用户隐私和电力企业关键信息的安全,使智能电网的建设和运营更加的科学、有序.4)建立信息安全培训体系.对于大多数用户而言,信息安全还是一个十分复杂的概念,而用户作为智能电网中参与数量最多的一个主体,其安全意识的高低直接影响到智能电网运行的整体安全水平.因此,完善的信息安全培训体系是提高智能电网信息安全的重要保障.5)加强对相互依存网络相关理论的研究.如前所述,全面地掌握相互依存网络的行为特性是防止未来智能电网发生大停电事故的前提,为此需要研究并解决很多关键科学问题.如相互依存网络的静态和动态特性的数学描述模型;相互依存网络故障传播的理论和分析方法;相互依存网络的脆弱性、可靠性等指标评价体系.此外,不同国家和地区的电力网和信息网的发展水平和网络特点也不尽相同,需要结合实际情况进行建模和分析.6结论(Conclusions)未来智能电网从整体上可以看作是由电力网和信息网构成的相互依存复合网络,其中信息网络的安全及其对电力系统运行安全带来的风险不容忽视.本文通过分析未来智能电网的网络结构特征,阐明了信息网络安全对智能电网安全的重要性.从信息的采集、传输和交互等各个环节分析了智能电网的信息安全问题.进一步,结合相互依存网络的特点,分析了信息网络安全对智能电网安全带来的影响.从关键技术的研究、技术标准的制定以及政策法规的完善等几个方面提出了提高智能电网安全性的建议.参考文献(References):[1]United 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Electrical Engineering,2009, 29(34):1–8.)244控制理论与应用第29卷[7]武建东.智能电网与中国互动电网创新发展[J].电网清洁能源,2009,25(4):5–8.(WU Jiandong.Innovative development of smart power grid and in-teractive smart grid in China[J].Power System and Clean Energy, 2009,25(4):5–8.)[8]IBM Corporation.Powering an energy transformation the intelligentutility network from IBM[EB/OL].[2009-05-01].http://www-03.ibm.com/industries/global/files/energyu powering an energy transforma tion2.pdf.[9]MARTIN L.Cisco:Smart grid will eclipse size of Internet[EB/OL]./8301-111283-10241102-54.html.[10]MARTIN L.Microsoft eyes smart grid with utility software[EB/OL]./8301-111283-10374771-54.html.[11]BERST J.Google Jumps into Smart Grid[EB/OL].[2009-02-09]./artman/publish/companies/GoogleJumps Into Smart Grid.html.[12]梅生伟,王莹莹,陈来军.从复杂网络视角评述智能电网信息安全研究现状及若干展望[J].高电压技术,2011,37(3):672–679.(MEI Shengwei,WANG Yingying,CHEN Laijun.Overviews and prospects of the cyber security of smart grid from the view of com-plex network theory[J].High Voltage 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智能电网大数据处理技术现状与挑战经济的飞速发展及科学技术的不断进步，在给人们带来利益的同时也使得全球能源问题日益严重。

在这样的一个时代大背景下，世界上各个国家都开展了智能电网的研究工作。

经过长时间的发展，智能电网技术已经得到了前所未有的提高，并向着更高的目标迈进，努力使智能电网覆盖整个电力系统，主要包括发电、输电及变电等。

但是这并不意味着现如今我们在智能电网的应用中没有任何的障碍，可以说在智能电网的使用方面我们还存在着一定的不足和很大的发展空间，特别是智能电网的大数据处理技术，众所周知，智能电网需要全景的状态数据。

智能电网在运行的过程中或者是在检修的状态下会产生大数据，如何能够高效的、快速的进行处理、存储和访问也是一直以来困扰我们的问题，单单从这一角度来讲，智能电网的发展在现阶段存在着太多的机遇与挑战，而要在这样的现状下迎难而上创造更多的利润首先我们应当做到的就是正确认识现如今智能电网发展的现状和存在的挑战。

标签：智能电网；大数据处理技术；现状；挑战目前，大数据已经成为了人们讨论的重要的话题，这主要是因为云计算的广泛应用，云计算的广泛应用会产生大量的，丰富的异构数据。

而为了更好的、更加高效的处理这些数据，各界都提出了相关的方法，并进行了进一步深入地研究同时在相关层面投入了大量的资金，就拿谷歌这一家公司来说，仅仅2009年这一年的时间内在大数据业务方面对美国的经济投入就已经达到了540亿USD，而这仅仅是其在大数据层面投入的一部分而已。

谷歌也绝不是唯一在相关方面投入如此巨大的企业，类似的还有淘宝、百度等，很多的大企业在相关方面都投入了巨资，而使他们投入巨大资金的原因就在于，在智能电网中大数据产生于各个环节，更好的利用智能电网就要求我们更好的处理和应用这些大数据，随着近几年的发展，从全球角度来看，我们的智能电网大数据处理技术已经得到了很大程度上的提升，一些技术已经走向了成熟期，但是不可否认的是，我们还有很大的发展空间，如何促进相关技术的进一步的成熟，首先我们应当做到的是了解智能电网大数据处理技术的现状和我们面临的一系列的挑战。

第39卷第2期自动化学报Vol.39,No.2 2013年2月ACTA AUTOMATICA SINICA February,2013智能电网中的若干数学与控制科学问题及其展望梅生伟1朱建全2摘要从智能电网的内涵和工程需求出发,归纳和提炼智能电网建设和发展所面临的若干基础科学问题,包括预测、储能、控制、调度、运筹及评估等6项关键技术及其所共有的工程博弈论研究.这些基础问题分别属于数学、控制科学或二者的交叉,它们的解决不仅是实现智能电网的前提,更能促使数学及控制科学产生新的学科增长点,因而具有重要的理论和工程研究价值.关键词智能电网,工程博弈论,控制科学,人工复杂系统,生命力评估引用格式梅生伟,朱建全.智能电网中的若干数学与控制科学问题及其展望.自动化学报,2013,39(2):119−131DOI10.3724/SP.J.1004.2013.00119Mathematical and Control Scientific Issues of Smart Grid and Its ProspectsMEI Sheng-Wei1ZHU Jian-Quan2Abstract Taking into account the connotation and engineering demand of smart grid,this paper summarizes and extracts several basic scientific issues of smart grid during its construction and development process,including prediction, energy storage,control,dispatching,planning,assessment,and their common engineering game theory.These basic scientific issues respectively belong to the mathematics,control science or their cross discipline.The solution of these issues not only is the precondition of the realization of smart grid,but also can promote the application perspective of mathematics and control science.Thus,it possesses a significant value in the theory and engineering research.Key words Smart grid,engineering game theory,control science,artificial complex system,survivability assessment Citation Sheng-Wei Mei,Jian-Quan Zhu.Mathematical and control scientific issues of smart grid and its prospects. Acta Automatica Sinica,2013,39(2):119−131智能电网是电力行业在全球能源、环境、经济、技术等诸多因素的共同驱动下形成的一个整体解决方案.现阶段,能源短缺的问题越来越突出,气候变暖的压力越来越大,用户对电力供应服务水平的要求越来越高,这些事实给电力行业再来了新的挑战.另一方面,量测、通信、IT、控制等新技术不断进步,这为电力行业的转型创造了条件.在这种背景下,电力行业进入了一个新的发展阶段,通过智能电网吸纳更多的可再生能源,提高供电可靠性及电能质量,同时关注客户满意度、社会节能环保效益以及能源经济的发展.收稿日期2012-10-31录用日期2012-11-08Manuscript received October31,2012;accepted November8, 2012国家自然科学基金(50977047)资助Supported by National Natural Science Foundation of China (50977047)本文为黄琳院士约稿Recommended by Academician HUANG Lin1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1000842.华南理工大学电力学院广州5106401.State Key Laboratory of Power Systems,Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing1000842. School of Electric Power Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640该文的英文版同时发表在Acta Automatica Sinica,vol.39,no.2, pp.119−131,2013.目前,世界各国正在掀起智能电网建设的热潮.美国智能电网的建设重点有三个:1)注重电网基础设施的升级和更新,从而实现可靠供电;2)将信息、通信、计算机等方面的技术优势最大限度地应用于电力系统;3)通过先进的表计改进其基础设施,并进一步实现电力企业与用户间的互动.围绕上述目标,美国早在2001年就开始对智能电网(Intelligent grid)进行了研究.此后,2003年美国能源部(DOE)发布了“Grid2030”计划并成立了智能电网联盟[1]; 2004年,DOE又进一步启动了智能电网的项目研究工作;2005年,GE、IBM、Siemens、Google、Intel 等企业相继开展智能电网研究[2];2008年,美国科罗拉多州的波尔德市开始打造智能电网示范城市[3]; 2009年,随着奥巴马的经济复兴计划的出台,智能电网被提升为美国的国家战略.按照美国的相关规划,2010年∼2020年美国的家电设备将能实现远距离控制;2030年美国的各种电器设备将能实现自动控制.欧洲智能电网的主要关注点是将智能电网建设作为提高新能源利用率的重要平台,以应对能源、气候和环境问题[4].欧盟各国于2004年开始120自动化学报39卷倡议成立未来电网欧洲技术论坛以推动欧洲电网的发展;2005年,“智能电网(Smart grids)欧洲技术论坛”正式成立;2006年,“智能电网欧洲技术论坛”出台了《欧洲可持续、竞争和安全的电能策略》,并提出了建设智能电网的愿景[5];2009年,欧盟公布了能源战略计划(SET-plan).按照该计划,2020年欧盟的可再生能源将可以承担35%的电力供应;2050年欧盟的电力将主要由新能源供应.至此,欧洲电网将成为一个可再生能源超级电网.我国智能电网的主要关注点是保障国民经济持续高速发展的能源供给.这具体包括两方面:1)加强输电环节的建设,通过智能电网实现能源的大范围调配,从而解决我国能源和负荷分布不平衡的问题;2)加强配电和用电环节的建设,提高电力供应的可靠性和电能质量.2005年,国家电网公司通过“SG186”工程提出了数字化电网的建设规划,同时清华大学联合南方电网进行“数字南方电网”的研究和建设[6];2007年,华北电网公司对智能电网进行立项研究[7];2009年,国家电网公司正式提出了智能电网的建设目标:建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展,具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网战略,分三步建立“坚强智能电网”[8].综上所述,欧美及我国智能电网的研究与建设虽方兴未艾,但各方的关注点各有不同.在这种背景下,迄今为止智能电网尚未形成一个统一的公认的定义.尽管如此,智能电网所蕴含的基础科学问题是具有共性的,其区别主要体现在外在形式或者具体技术层面.上世纪80年代初,本文第一作者读到钱学森先生的一篇文章,该文的主题是将自然科学研究归结为数学和物理两个学科的基础研究.后因有学者提出异议,钱先生将其观点修正为“自然科学归结为数学和系统科学的基础研究”.尽管如此,钱先生的这篇文章因立论新颖、观点独到和逻辑缜密引起了很大的反响.那个时候最优秀的理科学生都选读数学和物理专业,钱先生的观点无疑极大地鼓舞了科技人员尤其是年轻学子(当然包括本文第一作者本人)的科研攻关信心.三十年时光匆匆而过,回到今日的智能电网,遵循钱先生的思想,本文旨在梳理总结智能电网的技术内涵,提炼与智能电网紧密相关的数学及控制基础问题,以期产生新的学科生长点,并最终为智能电网的建设提供科学依据.1智能电网内涵智能电网又被称为未来电网或下一代电网.从欧、美、日等各国的发展情况看,为了保障能源供应,建设可靠电网,并加强用户与电网的互动,这些国家均致力于将量测、通信、控制等先进技术应用于能源电力领域,以实现传统电网的升级改造.我国当然亦不例外,为了更好地理解智能电网,以下从智能电网的来源、特征、与传统电网的区别、主要研究内容及关键技术问题等方面对智能电网的内涵进行分析,为进一步总结和提炼智能电网基础科学问题作准备.1.1智能电网的两大来源智能电网的来源可以追溯到清华大学卢强院士提出的数字电力系统[9]和东京电力公司提出的友好电网[10].卢强院士将数字电力系统定义为物理电力系统全方位的数字化描述与再现,包括电力系统的物理结构、运行状态、技术性能、经营管理和企业文化等.这一定义最早从信息化的角度指出了电力行业的发展方向,可以视为智能电网的雏形.东京电力公司则从用户需求的角度,提出了友好的配电网的发展理念.2009年,卢强院士根据最新的电网发展情况,在原有的数字电力系统定义的基础上,明确提出了智能电网的定义:具有多指标自趋优运行能力的110千伏及以下电压等级的智能电力系统[11−12].1.2智能电网的七大特征智能电网具有与电力用户互动、适应多种电源送电需求、支持成熟电力市场、满足高质量电能需求、资产优化、自我修复以及反外力破坏和攻击七大特征[13].其中,通过与电力用户互动,可以将用电设备纳入电网设计和运营管理中;适应多种电源送电需求是指电力系统能满足不同的电源分布模式和发电模式;支持成熟电力市场是指支持充分竞争的电力市场;满足高质量电能需求是指能向居民生活和生产提供高质量、不间断的电能;资产优化是指通过信息系统和监控技术对资本性资产进行持续优化,从而降低运行维护成本;自我修复是指出现故障时,能够迅速识别、分析和处理故障,快速恢复供电;反外力破坏和攻击是指电力系统具有规避和抵抗外部物理破坏和信息攻击的能力.1.3智能电网与传统电网的区别智能电网作为下一代电网,在发、输、配、用环节以及通信方式等方面与传统的电网存在着显著的区别,具体如表1所示.从表1中可以看出,智能电网由于利用了更为先进的材料、设备和技术,其发电方式灵活,电网结构坚强,控制方式多样,能吸纳大量的可再生能源,并在完善的电力市场环境下实现电网的高效运行与管理,刺激用户与电网互动,实现能源和信息的双向流动与控制.相对于传统电网来说,智能电网在电网2期梅生伟等:智能电网中的若干数学与控制科学问题及其展望121设备、技术、能源的开发利用方式和理念方面均具有较大的先进性.表1智能电网与传统电网的对比情况Table1Comparison between smart grid andtraditional grid项目传统电网智能电网集中式发电:主要集中式与分布式发电将传统化石能源转并存;将可再生能化为电能源转化为电能输电超高压输电特高压输电配电常规变电站智能变电站用电单向用电供需互动通信方式单向通信双向通信控制方法常规控制智能控制电力体制不成熟成熟1.4智能电网的社会经济效益智能电网是利用先进技术和理念对电力系统进行的一次重大革新,通过采用新系统、新成份(能源、设备、员工、用户)、新技术(信息技术、系统分析技术和控制技术)、新政策及新理念(电力系统管理理念和能源利用理念),智能电网将为用户、投资者和社会带来显著的效益.用户将获得更高的电能质量、更优质的服务并节省电费开支;投资者将减少基建投资,降低输电损失,减少运维费用,提高电网效率;在社会层面,智能电网将能避免停电损失,提高能源安全、能源效益和环保效益,促进经济发展.由此可见,智能电网的发展将形成一个多赢的局面,从而产生显著的社会经济效益.1.5智能电网主要内容及关键数学与控制科学问题智能电网是对传统电力系统的发电、输电、配电和用电四大环节的全面升级改造.为了更好地建设智能电网,在发电环节,需要进行新能源发电厂规划、选址、投资以及成本和设备管理等方面的研究;在输电环节,需要对电网规划、可再生能源并网、运行调度、广域控制、安全防御等内容进行研究;在配电环节,需要研究的内容主要包括高级量测体系、通信技术、信息安全技术、微网运行技术、电动汽车充电站、高级配电自动化等;在用电环节,需要研究智能楼宇、智能电器调控方式、用户用电行为特性、供需互动方式与激励策略等方面的内容.以上的研究内容涉及预测技术、储能技术、控制技术、调度技术、运筹技术和评估技术6种关键数学与控制论基础问题,并催生工程博弈论的研究.其中,预测技术和储能技术主要应用于发电和用电环节;控制技术、调度技术、运筹技术和评估技术则应用于发电、输电、配电和用电4个环节;工程博弈论则是这6项基础问题引申出的一个新的基础学科方向.2关键数学与控制科学问题2.1预测技术智能电网的电源和负荷都具有较大的不确定性.为应对负荷侧的不确定性,通常要求运营商能够精确预测用电需求,拟定供电计划和实时故障解决方案.尽管目前负荷预测技术已有了长足的进展,但由于无法达到足够的精度,供电商只能在用电高峰期开启多台备用机组以保证电量平衡,往往造成严重的资源浪费和环境污染.在智能电网环境下,更严重的挑战来自电源侧的不确定性.具有波动性和间歇性的大规模可再生能源发电的接入(典型者如风光发电),会对电网造成较大的冲击,并引发电力系统一系列的安全、稳定问题,这对预测科学和技术提出了极大的挑战.以下主要以风电为例进行简要介绍.2.1.1风电背景风能是一种丰富清洁的可再生能源.据统计,全世界的风能总量约为1300亿千瓦,其中,我国约占16亿千瓦.近年来,在能源短缺和气候变暖的背景下,风力发电在全球范围内得到了快速的发展.2009年底,全球风电装机总容量达到1.58亿千瓦,其中我国占4400万千瓦,同比增长108%,在装机总容量上跃居世界第一.风电由于其随机性和波动性,并网后会引起如下两大问题:1)难以制定准确的发电计划;2)给电网带来很大的冲击.毫无疑问,若能准确地预测风电的出力,将能更好地减小其随机性和波动性给电网运行调度带来的一系列安全稳定问题.2.1.2风电预测风电预测是指利用风电场的气象资料、地形地貌、风电机组运行状态等各种数据建立其出力预测模型,从而对风电场未来的功率输出情况进行预测[14−15].由于风电预测对于风能开发利用的重要性,国内外许多学者对其进行了研究,并提出了多种具有代表性的方法.在这些方法中,以基于时间序列算法的功率预测方法[16]、基于BP(Back propagation)人工神经网络的功率预测方法[17]、组合算法[18]三类算法最具典型意义.其中,第一类主要根据历史统计数据建立一个时间序列模型(差分自回归滑动平均模型(Autoregressive integrated moving average model,ARIMA)),进而通过该模型所描述的风速统计规律对风电出力情况进行预测;第二类方法能够利用天气、温度等影响因素与风电之间的关联进行122自动化学报39卷预测,操作简单,非线性拟合能力较强;第三类方法根据不同预测模型的特点,通过等权组合、方差组合、回归组合等方式对不同模型所得的预测结果进行组合,有利于提高预测精度.风电场功率预测的准确性是由多个因素共同决定的,其中风速的预测精度尤为关键.根据美国气象学家Lorentz的发现,长期天气预报往往会因一些微小的因素变化而出现巨大的偏差[19].由于天气的影响因素的变化情况是难以准确把握的,这使得长期天气预报极为困难.这一发现被称为“蝴蝶效应”,它形象地揭示了风气预报的精度欠佳的根本原因.据相关资料显示,目前德国太阳能研究所开发的风电功率管理系统是商用的比较成熟的预测系统,但其预测误差仍达到装机容量的7%∼19%[17],而其他风电功率预测方法的平均误差一般也高于15%[20].幸运的是,风电的“集群效应”可以作为克服风电预测问题的重要手段.受大量确定和非确定因素的影响,含风电的电力系统的供电和用电在本质上呈现高度随机性和波动性.例如天气的突然变化会造成北京城区数百万人启停空调或照明设备,华北地区数千万人由于生活、工作的需要开关电灯、电视、电脑等用电设备.此外,电厂、输电线路发生故障或出现极端天气(输电线路对树放电或结冰,出现对水电和核电影响尤为严重的干旱天气等)也会对供电可靠性造成影响.因此,供电和用电都具有不确定性.由此也不难看出,风电高效利用的关键问题并不是风能本身的不稳定性或间歇性,而是如何预测这种不确定性,进而为设计先进的管理和控制技术提供依据.换言之,只有把风能资源的不稳定性放到整个电力系统的背景下进行研究才有意义,而不能只是针对某一个风电场或某一台风电机组进行分析及相应的平滑输出控制.虽然风是连续的,但某一地方的风停了,其他地方往往风吹依旧,即对广域分布的风场而言不会有太大的影响.换言之,尽管某一个地方并不是一直有风,但整体而言仍然可以利用风能发出可靠的电力.这就是要发挥风电“集群效应”的原因所在.例如,陕北三边风电场共300公里,风速误差为11%;北美东海岸共2500公里,风速误差为5%.从目前的技术水平看,很难通过精确建模实现局部的风电功率的准确预测.但是可以利用风电的“集群效应”,在大电网的背景下对风电功率进行预测,这有利于抵消其不确定性,从整体上得到比较准确的预测结果.2.1.3其他预测问题预测技术主要用于解决智能电网的电量平衡问题,因此除了上述的风电预测问题外,还涉及光伏发电预测、地区负荷预测、铁路输运能力预测、大范围气候变化对预测结果的影响等问题.以光伏发电为例,随着光伏并网容量的逐年增加,光伏发电预测日益重要[21].由于光伏发电受到太阳辐照强度等气象条件的影响,其出力具有很大的随机性,因而很难进行准确预测.目前关于光伏发电预测的研究比较少,主要的方法包括自回归滑动平均模型法、神经网络法等[22].相对而言,负荷预测是电力领域的一个传统问题,长期以来得到更多的研究和关注.负荷量是由用户的需求决定的,具有复杂性、时变性、随机性等特征.可以说,单个负荷的情况是难以预测的,一般需要根据其“集群效应”从总体上进行预测,具体的预测方法包括时间序列法、趋势外推法、回归分析法、灰色模型法等.这些预测问题的解决对智能电网的发展规划和运行调度具有重要的意义.总之,预测技术是智能电网各个利益主体为了追求各自的利益最大化而进行博弈的基础.电厂可以根据各个电厂的发电情况和竞价行为制订相应的竞价上网策略;电力公司可以按照供需预测情况形成相应的调度控制计划;电动汽车等用户可以根据电价预测情况参与电力系统的互动.这些预测与决策行为便构成了一种复杂的博弈关系.2.2储能技术2.2.1储能技术的分类储能技术按照其能源储存方式,可以归为机械储能、电磁储能和电化学储能三类.具体的储能类型、容量和应用方式如表2所示[23].储能技术本质上属于物理学范畴.由于电能(功率)的瞬时平衡性,研制大容量及具有快速吞吐能力的储能设备可以说是建设和实现智能电网的重中之重,对于智能电网的自愈、坚强、互动、兼容等功能的实现具有重要意义.但需要说明的是,在可预见的未来,大容量且具有可快速吞吐能力的储能设备仍难以取得突破性研究进展.一个可行的思路是研究和发展先进的小容量储能设备群的控制及调度方法(包括充放电管理),如此则可将储能技术纳入数学与控制科学范畴.2.2.2储能技术在智能电网中的应用新能源的接入对电网安全运行存在诸多不利影响.受风速、日照强度等自然条件的影响,风能和太阳能发电具有较强的随机性和间歇性,这使其成为电力系统的扰动源.比如在风能利用时,风电机组容易因无法进行低电压穿越而引发连锁故障.此外,风电的波动性也会引起电力系统的电压闪变,使电能质量降低.2期梅生伟等:智能电网中的若干数学与控制科学问题及其展望123表2储能技术在电力系统的应用情况Table 2Application of energy storage technology in power systems储能类型典型功率额定典型能量额定应用方向机抽水储能100∼2000MW 4∼10h 日负荷调节、频率控制和系统备用械CAES 100∼300MW 6∼20h 调峰发电厂、系统备用电源储Micro-CAES 10∼50MW 1∼4h 调峰能飞轮储能5kW ∼1.5MW 15s ∼15min 调峰、频率控制、UPS 、电能质量调节电SMES UPS 、电能质量调节、输配电系统稳定性磁电容器10kW ∼1MW 5s ∼5min 电能质量调节、输电系统稳定性储超电容器1∼100kW1s ∼1min与FACTS 结合能化铅酸电池1kW ∼50MW 1min ∼3h 电能质量、可靠性、频率控制、备用电源、黑启动、UPS学先进电池技术,如VRLA 、NaS 、Li 等千瓦级至兆瓦级1min ∼数小时各种应用储液体电池,如ZnBr 、NaBr 等100kW ∼100MW1∼20h电能质量、可靠性、备用电源、削峰、能量管理、再生能源集成能从理论上看,应用储能设备是提高电力系统对风电场和光伏发电场发出电力的消纳能力,并减少这些新能源的扰动性对电力系统的不利影响的重要途径.储能设备可以在新能源发电场的发电量过剩时储能,并在发电量不足时进行释放.因此,从系统端看,新能源发电场的功率波动显著降低.但是,大容量储能技术的研发水平仍然不足,建设和维护成本相对较高.此外,电池等储能设备在生产、运行和废弃过程中引起的环保问题仍难以有效解决,这在很大程度上限制了电力系统储能设备的大规模应用.电动汽车是智能电网的一种重要的储能资源,可以作为可控的电源或负荷,对电网起到削峰平谷的作用[24−27].要充分利用这种储能资源,实现电动汽车用户与电网的互惠互利,就要解决电动汽车充放电行为的引导问题.这关键在于遵循“高峰放电、低谷充电”的原则,引导电动汽车用户根据电力系统的需求进行充电和放电,这实际上是一类典型的非线性混合整数规划问题.除了电动汽车以外,常规的抽水蓄能也是智能电网的一种重要蓄能方式.电动汽车和抽水蓄能同时具有电源和负荷的特性,并涉及电厂、电网和用户的利益,相互之间便形成了一个随机动态博弈格局.风电、太阳能等可再生能源通过发电获得经济利益,但本身的不确定性需要通过储能进行平衡;电动汽车和抽水蓄能电站的效益又与风电和太阳能等可再生能源发电所引起的不确定性情况紧密相关.由此可见,可再生能源与蓄能之间存在着相互依存和制约的关系.同时,风电与太阳能之间以及电动汽车和抽水蓄能之间也存在着竞争的关系.因此,智能电网的蓄能问题可以归结为一个多方为了实现各自的利益(或目标)而进行博弈的问题,通过该博弈问题的求解,便可以对电网的储能设备进行有效的管理和调度,进而达到削峰填谷的目的.2.3控制技术智能电网是先进控制技术的一个重大科研方向[28].本节重点介绍智能电网背景下的网络控制、分散控制、混成控制及协同自律控制.其中,前二者主要用于解决电网参数和电网各种分散资源的控制问题;后两者是大电网智能化控制的重要方式,对于我国以特高压为骨架的“坚强智能电网”建设具有较大的借鉴意义.以下分别予以介绍.2.3.1网络控制技术网络控制是智能电网控制的新手段.一般网络系统控制手段只集中在节点(比如电力系统的发电厂和变电站),对于联络线则无能为力.FACTS (Flexible AC transmission system)技术的引入,极大拓展了网络控制的效能.通过对SVC (Static VAR compensator)、STATCOM (Static syn-chronous compensator)、TCSC (Thyristor con-trolled series compensation)、SSSC (Static syn-chronous series compensator)、TCPST (Thyris-tor controlled phase shifting transformers)、UPFC (Unified power flow controller)等FACTS 设备的控制,可以按照系统需要对电力网络参数进行连续调节,在不改变网络结构的情况下,能有效改善潮流分布情况,提高功率输送能力,提高电压和功角稳定性.例如通过对UPFC 的控制,可以有效解决电力。

智能电网技术安全性评估：探讨智能电网在数据传输与隐私保护方面的安全性随着科技的不断发展，智能电网成为了能源行业的重要组成部分。

然而，智能电网的安全性问题备受关注。

本文将重点探讨智能电网在数据传输与隐私保护方面的安全性，并从技术和政策两个层面提出相应的解决方案。

一、数据传输安全性评估智能电网作为一个巨大的信息系统，数据传输的安全性是智能电网安全的重中之重。

首先，智能电网需要采用强大的加密算法来保护数据的传输过程。

目前，常用的加密算法有AES、RSA等。

这些算法能够有效地防止黑客攻击，并保护数据的完整性和保密性。

其次，智能电网还需要建立起高效的身份认证机制。

只有合法的用户才能够访问智能电网系统，从而避免非法用户的潜在风险。

据此，智能电网可以引入双因素认证、指纹识别等先进技术，提高身份认证的安全性。

此外，智能电网需要加强对数据传输过程中的中间节点的监控与管理。

数据在传输过程中，可能会经过多个中间节点，而这些节点往往是黑客攻击的目标。

因此，智能电网应建立起完善的网络安全监控系统，对中间节点进行持续的监控与管理，及时发现和应对潜在的安全威胁。

二、隐私保护安全性评估隐私保护是智能电网发展中不可忽视的问题。

智能电网需要采取一系列措施来保护用户的隐私信息，避免因信息泄露带来的风险。

首先，智能电网应建立起完善的用户数据隐私保护机制。

用户的隐私数据在收集、存储和使用过程中，需要严格遵守相关法律法规。

智能电网可以采用数据脱敏、数据匿名化等方式来处理用户数据，从而避免用户隐私信息的泄露。

其次，智能电网还需要加强对第三方服务提供商的监管。

智能电网的发展中，不可避免地需要与一些第三方合作，这些合作涉及到用户的隐私信息。

因此，智能电网应加强对第三方服务提供商的筛选与监管，确保其具备足够的安全保障措施，并与其签署明确的数据隐私保护协议。

此外，智能电网还可以采用先进的加密技术来保护用户的隐私信息。

例如，采用同态加密技术可以在保护用户隐私的前提下，对数据进行有效的计算和处理。

智能电网信息安全保障技术研究及应用随着社会的发展，电力行业也随之进行了颇多更新、升级。

智能电网就是其中之一，它是借助物联网技术，实现对全国范围内电网的实时感知、监控以及管理。

智能电网是一种数字化、信息化的电力系统，它可以更加智能高效地运行，给用户带来更好的电力体验。

然而，在智能电网的建设中，信息安全问题成为了亟待解决的难题。

因此，怎样保障智能电网的信息安全，是电力企业需要探索的技术瓶颈。

一、智能电网信息安全的困境分析智能电网的建设离不开大数据、物联网等技术，这些技术的应用使得电力系统的模型变得复杂多样，新的数据传输方式和通信协议也为黑客攻击、恶意软件等带来了更多的机会。

由此，智能电网信息安全的需求也越来越迫切。

好在，智能电网与传统的电力系统相比，具有充分的可控性，可以采取更多的技术手段来提高信息安全保障。

二、智能电网信息安全保障技术1.加密技术在智能电网系统中，加密技术是其中最关键的一环。

电力系统中的许多数据非常重要，若被黑客窃取或攻击，后果不堪设想。

因此，加密技术可以有效地避免这种情况的发生，增加了数据传输的保密性和完整性。

目前，加密技术主要采用的有对称加密和非对称加密两种。

2.身份验证技术身份验证技术是电力系统管理中的一个重要环节，可以通过验证用户或者设备，保证只合法用户和设备才能访问电力系统。

目前，身份验证技术主要有PC认证、数字证书认证以及生物识别认证等。

3.数据备份与恢复技术数据备份和恢复技术能够有效地防止数据的丢失，提高了系统的稳定性和可用性。

在实际应用中，可以采用日志备份系统和容错技术等手段，这些技术都能够提高系统的抗攻击能力。

三、智能电网信息安全保障技术的应用智能电网的信息安全保障技术，需要在具体应用中不断地摸索和实践。

目前，很多电力企业已经在智能电网中开始使用这些技术手段，市场上也出现了很多针对电力行业的信息安全产品。

比如说，有一些电力企业为了保护透明运营中产生的企业机密信息，采用了虚拟化和数据备份技术，使得这些信息得以保护；而在风险处理方面，许多企业也推出了专门的应急预案，以防止网络攻击和数据泄露等风险事件的发生。