基于可信平台模块的能源互联网新型统一安全架构

引用本文

栾文鹏, 刘永磊, 王鹏, 金志刚, 王健. 基于可信平台模块的能源互联网新型统一安全架构[J].吉林大学学报（工学版）, 2017,47(6): 1933-1938
LUAN Wen-peng, LIU Yong-lei, WANG Peng, JIN Zhi-gang, WANG Jian. Novel universal security mechanism for energy internet based on trusted platform module[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017,47(6): 1933-1938 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb201706035
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基于可信平台模块的能源互联网新型统一安全架构

栾文鹏¹, 刘永磊², 王鹏³, 金志刚², 王健²

1.中国电力科学研究院配电研究所,北京 100192

2.天津大学电子信息工程学院,天津 300072

3.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206

通讯作者：刘永磊(1983-),男,在站博士后,讲师.研究方向:无线网络安全.E-mail:liuyonglei@tcu.edu.cn

作者简介:栾文鹏(1962-),男,教授级高级工程师,博士生导师.研究方向:电力系统自动化,智能电网.E-mail:w1213@epri.sgcc.com.cn

基金:国家电网公司科技项目(5442PD130014); 国家自然科学基金项目(61571318); 中国博士后科学基金项目(2016M601265)

摘要

从逻辑和拓扑两个层面对能源互联网的网络体系结构进行了分析,并且将现有能源互联网安全研究归类为安全需求驱动法、安全模型法和系统论方法,采用逼近理想解排序法(TOPSIS)对现有安全防护方法进行分析和比较。针对已有安全机制普遍存在的孤立性和欠缺整体统一方案的问题,提出了基于可信平台模块(TPM)的能源互联网统一安全架构。给出了该方案的安全模型和典型的消费层通信协议并进行了安全性分析。结果表明:新的安全架构能够很好地满足安全需求,有利于安全、可靠地大规模应用能源物联网技术。

关键词: 通信技术; 能源互联网; 可信平台模块; 安全机制; 逼近理想解排序法; 可信计算

中图分类号:TM711 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)06-1933-06

Novel universal security mechanism for energy internet based on trusted platform module

LUAN Wen-peng¹, LIU Yong-lei², WANG Peng³, JIN Zhi-gang², WANG Jian²

1.Institute of Power Distribution,China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China

2. School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

3. School of Electrical & Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China

Abstract

As the core infrastructure for the efficient and secure utilization of renewable energy sources, the energy internet is the important strategic resource and embodiment of the comprehensive national strength. The security of energy internet has attracted more serious attentions. In this work, first, the structure of internet was analyzed from logical and network topological structure aspects. Second, the existing research methods are classified into three classes, the security demand-driven method, security model-driven method and the system-theoretical method; and the existing researches are analyzed and compared using the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). Finally, to solve the problem of vulnerability of isolation and lack of integrated solution in existing security mechanism, a new security mechanism based on Trusted Platform Module (TPM) is proposed. The security model and consuming layer protocol are put forward and security analysis is carried out. The results show that the proposed security mechanism can satisfy the security requirements of the energy internet.

Keyword: communication; energy internet; trust platform module(TPM); security mechanism; technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS); trustworthy computing

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0 引言

能源互联网由Rifkin在《第三次工业革命》中首次提出^[1], 随后国内外学者对能源互联网的定义、网络架构和系统组成进行不断丰富和完善^{[2, 3, 4]}。学术界普遍认为能源互联网是以智能电网为核心, 以新能源技术和信息技术为基础, 与多能源网络、交通网络和信息网络深度融合的复杂网络系统。

当前形势下, 信息和互联网安全已经成为关乎国家和社会稳定的战略资源^[5], 能源互联网作为新能源的核心基础设施, 既是互联网的延伸也是互联网与其他系统的复杂融合体, 其安全性更应得到保证^[2]。然而, 能源互联网的概念和相关研究刚刚起步, 对其安全性的研究多集中在智能电网, 而能源互联网的安全性较之智能电网更为复杂, 但针对其研究较少。因此, 对于能源互联网这一复杂信息物理系统安全性的研究还有待系统、深入地展开。

本文分析了现有能源互联网的网络架构, 并对现有能源互联网安全性的研究工作进行归类, 采用逼近理想解排序法(TOPSIS)分析现有安全防护方法的弱点, 针对其孤立性和欠缺整体统一方案的特点, 提出了基于可信平台模块(TPM)的统一安全架构, 并对该架构中的模型和协议进行了详细分析。

1 能源互联网体系结构

国内外研究机构都在进行能源物联网研究, 如欧盟的未来智能能源互联网、德国的E-Energy计划、美国的未来可再生电能传输和管理系统以及中国北京延庆能源互联网示范等^[6]。文献[3, 7]对上述研究进行了分析和对比综述。

能源互联网的系统组成和体系结构多借鉴智能电网, 在逻辑层面上由能源层、路由层、运输层、消费层和控制层组成(见图1)。

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	图1 能源互联网逻辑结构Fig.1 Logical structure of energy internet

能源层用来实现传统化石能源以及多种可再生能源的分布式产能, 如燃煤、风力、天然气和太阳能等; 路由层使用能源路由器实现能源的转换和存储^[8]; 运输层通过多种能源网络实现能源的大规模远距离传输以及临近消费终端的能源分配, 如高压输电线路和低压配电箱; 消费层进行个人企业等的能源交易, 电动汽车充电等; 控制层通过通信网络对整个能源互联网进行监视和控制, 如SCADA系统。

从网络拓扑层面来看, 能源互联网以国家级骨干能源网络为顶层结构, 以区域级能源网络为主干, 末端连接能源局域网, 各能源局域网既可并网工作也可独立工作, 如社区的微型能源网络^[9]。

2 能源互联网安全性分析

能源互联网融合了多种物理系统(如电力网和供热网络等)以及多种信息网络(如信息控制网络和电动汽车车载网络等), 其安全问题必然更为复杂。对能源互联网这一新型信息物理系统(Cyber physical system, CPS)的安全性研究尚处于起步阶段, 研究多集中在智能电网, 需要进一步深化和加强^[2]。

2.1 安全需求驱动法

能源互联网的安全需求主要包括:机密性、完整性、可用性、认证性、授权性、不可否认性和可审计性等^{[10, 11]}。安全需求驱动法通过研究攻击行为对各种能源互联网安全需求的破坏和影响, 对攻击场景和行为进行细化、归类、分析和总结^{[12, 13]}。

2.2 安全模型驱动法

Sridhar等^[14]从智能电网入手建立了控制环安全模型(见图2), 针对模型中的物理参数测量、数据采集、控制信息、数据计算和分析、物理设备和执行指令6方面存在的安全弱点和漏洞对攻击行为进行识别和归类。另外有学者使用控制环模型的简化模型, 将模型抽象为控制系统和物理系统两部分。其他的安全模型包括:威胁模型^[15]、攻击树模型、马尔科夫模型和博弈论模型等。

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	图2 控制环模型Fig.2 Control loop model

2.3 系统论(System-theoretic)方法

能源互联网作为复杂的CPS系统, 传统的信息安全方法不能很好地解决物理系统的安全问题, 系统论模型刻画了系统中物理部件之间的物理流, 给出实时的安全视图, 弥补了能源互联网安全性研究的不足。典型的系统论模型包括:线性定常广义系统^[16]、线性连续时间动态系统^[17]、线性控制系统^[18]等。

2.4 基于TOPSIS的安全防护方法比较及分析

目前能源互联网的安全防护措施主要包括:数据加密、认证技术、访问控制、隐私数据保护、设备安全防护、安全通信架构和入侵检测等方面。另外还有一些其他安全技术, 如动态虚拟蜜罐^[19]、上下文感知和智能追踪防火墙等。上述安全防护方法大体分为4种:密码学方法用于保证能源互联网信息系统安全; 无线信道防护方法用于密码学无法防护的物理层和MAC层的无线拒绝服务攻击; 系统论方法用于保护能源互联网物理安全; 设备防护方法用于保护物理设备安全, 如操作系统的病毒防护。

鉴于能源互联网的多网融合性, 单一和孤立的安全防护方法显然不能满足要求, TOPSIS作为一种常用的有限方案多属性决策分析法可为安全方案的选择提供决策支持^[20]。

通过对北京能源互联网运行中安全问题的专家描述以及天津中新生态城智能电网运行中用户安全故障的分析, 本文设计了应用于能源互联网CPS系统的4个备选方案研究框架。首先, 该问题具有4个备选方案:A₁~A₄, 分别对应上述4种防护方法, 目标属性选取G₁~G₆, 分别为机密性、数据完整性、认证性、无线信道可用性、物理系统安全性、设备安全。决策矩阵UA=(u_ij)m× n(见表1)。为计算方便, 可防护时目标属性取值为1, 否则为0, 同时各目标属性同等重要, 令W_j=1, 1≤ j≤ n; m=4; n=6。

表1 多属性决策矩阵 Table 1 Multiple attribute decision-making matrix

步骤1 将UA按照式(1)进行规范化, 得到规范化矩阵R。

r_ij=u_ij $\begin{matrix} / \sqrt[]{\overset{m}{\sum_{i = 1}} u_{ij}^{2}} \end{matrix}$ , 1≤ i≤ m, 1≤ j≤ n (1)

步骤2 计算加权规范矩阵X, X=(x_ij)_{m× n}=[w_j· r_ij]_{m× n}。在本例中, 经过计算X=U。

步骤3 确定理想解U⁺和负理想解U^-, 如式(2)所示:

$\begin{matrix} \begin{matrix} U^{+} = {(\max_{i} x_{ij} | x_{ij} \in J^{+}), (\min_{i} x_{ij} | x_{ij} \in J^{-})} \\ U^{-} = {(\min_{i} x_{ij} | x_{ij} \in J^{+}), (\max_{i} x_{ij} | x_{ij} \in J^{-})} (2) \end{matrix} \end{matrix}$

式中:J⁺和J^-分别为效益型指标集合和成本型指标集合。

步骤4 计算各安全防护方法A_i与正、负理想解间的欧式距离, 如式(3)所示:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} d_{i}^{+} = \sqrt[]{\overset{n}{\sum_{j = 1}} (x_{ij} - u_{j}^{+})^{2}} \\ d_{i}^{-} = \sqrt[]{\overset{n}{\sum_{j = 1}} (x_{ij} - u_{j}^{-})^{2}} \end{matrix} (3) \end{matrix}$

步骤5 计算各安全防护方法与理想的贴合度c_i, 如式(4)所示, 其中c_i越小, 说明该方案越优。最后对各方案进行排序。

$\begin{matrix} c_{i} = \frac{d_{i}^{+}}{d_{i}^{-} + d_{i}^{+}} (4) \end{matrix}$

在本例中, 取各目标属性的最大值作为理解解, 最小值为负理想解。理想解为(1, 1, 1, 1, 1, 1), 负理想解为(0, 0, 0, 0, 0, 0)。显然, 现有安全方案均与理想解存在一定的欧式距离, 贴合度不足。如c₁=0.5, c₂=0.69。因此, 需要整合现有方案, 提出一种整体的统一安全架构对能源互联网进行防护。

3 基于TPM的安全机制

近年来兴起的可信计算^[21], 通过在系统中引入基于TPM并带有信任根的安全芯片^[22], 通过信任链条, 将信任关系传递到整个系统中的其他组件或程序, 从而形成整体的系统安全解决方案。目前国内外企业已经推出了很多TPM产品^[21]也便于向能源互联网平滑地快速部署和应用。因此, 为了给能源互联网提供全面的安全保证, 本文设计了基于TPM的能源物联网安全新架构和关键协议。

3.1 模型设计

基于TPM的能源互联网的安全模型, 其参与者包括能源互联网各层的物理设备和能源消费者等。由于篇幅所限, 以消费层的安全模型为例进行说明(见图3), 其他各层类似。由于消费层直接面向用户, 而且与互联网直接交互, 其安全问题最突出, 能保证该层安全性的新架构, 可以更容易保证其他层的安全性。

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	图3 消费层的安全模型Fig.3 Security model of consuming layer

假定所有主体都嵌入了TPM模块, 实时通信场景对称式加密优于非对称加密, TPM2.0芯片支持对称式加密, 但其与TPM1.2芯片并不兼容, 而且在市场上主流芯片仍然是TPM1.2, 因此采用TPM1.2芯片的非对称加密算法来实现对称式加密密钥的分发。在能源互联网内设置安全补偿设备, 弥补基于TPM架构的不足, 比如物理层无线链路的干扰攻击以及信息方法检测不到的对物理系统的攻击等。

3.2 工作机制

消费层的安全模型中的参与主体是:控制中心、智能电表和充电桩等智能电子设备以及能源消费用户或电动汽车。基于TPM1.2硬件, 安全前提条件包含:控制中心的公私钥对(PK_Con, SK_Con), 智能电子设备的公私钥对(PK_I, SK_I), 终端用户或电动汽车的公私钥对(PK_C, SK_C)。控制中心在安全数据库中以(I_id, PK_I)和(C_id, PK_C)中存储智能电子设备和用户的公钥。每个智能电子设备和用户已持有控制中心的公钥。代表性场景下的安全过程如下:

(1)系统初始化。能源互联网内的所有设备加电, 通过可信计算平台的信任链技术, 确保设备从BIOS到操作系统再到应用软件处在安全可信状态。

(2)场景1(系统监控)

控制中心需要实时对智能电子设备进行监控, 包括智能电表的设备状态和充电桩的运行环境信息等。此部分监控信息对实时性要求较高, 因此需要采用对称性加密。

步骤1 智能电子设备生成用于对称式加密的会话密钥SK_Con-I, 并发送如下信息:

I-> Con:{M₁||{M₁}SK_C}PK_Con, 其中M₁为I_id||N₁||SK_Con-I。

步骤2 控制中心收到消息后, 使用自己的私钥解密消息然后根据I_id在安全数据库中检索I_id的公钥PK_I, 并解密{M₁}SK_C, 若相等则确认使用该SK_Con-I, 并发送如下信息:

Con-> I:{M₂||{M₂}SK_Con}PK_C, 其中M₂为N₁||N₂, N₂用于确保新鲜性抵御重放攻击。

步骤3 智能设备收到消息后, 使用自己的私钥解密消息, 然后查看N₁是否等于先前发送的N₁, 若相等, 则使用控制中心的公钥解密{M₂}SK_Con, 若M₂相等, 则最终确认使用该SK_Con-I, 并进行后续数据的传输。

步骤4 双方使用SK_Con-I进行对称式加密数据传输。

(3)场景2(用户查看电表/电动汽车充电)

终端用户需要查看自己的电表数据(如用电量, 剩余电费等), 电车汽车则需要在充电桩充电获得电能。此时都需要用户登录到控制中心, 通过验证后获得对于智能电子设备的使用许可。此场景内用户或电动汽车往往多次使用电表或充电, 因此使用“ 一次一密” 的对称式加密方式。

步骤1 用户通过场景1中类似的协议交互方法与控制中心共享SK_Con-C。智能设备通过场景1中的协议交互方法与控制中心共享SK_Con-I。

步骤2 用户向控制中心申请某智能电子设备的使用许可。并发送如下信息:

C-> Con:C_id||{N₃||I_id}SK_Con-C。

步骤3 控制中心根据C_id检索到密钥SK_Con-C并解密, 得到用户申请使用的设备并审核, 若用户具备使用权限, 则发送如下消息:

Con-> C:{N₃||I_id||SK_I-C||C_I}SK_Con-C||{M₃}SK_Con-I

式中:M₃为N₃||N₄||C_id||SK_I-C||C_I, SK_I-C为控制中心为用户C_id与智能电子设备I_id之间指定的会话密钥; C_I为使用权限信息, 包括SK_I-C密钥的有效期、能源的使用量(如所授权的充电量)等。

步骤4 用户收到消息后解密消息的前一部分, 获得SK_I-C密钥。并使用SK_I-C密钥向智能电子设备申请使用能源, 发送如下消息:

$\begin{matrix} C - > I : R | | {C_{id} || N_{3}} S K_{I - C} | | {M_{3}} S K_{Con - I} \end{matrix}$

式中:R为申请使用电子智能设备标识。

步骤5 智能电子设备收到消息后, 解密消息最后一部分得到控制中心指定的会话密钥SK_I-C, 使用此密钥解密消息前面的部分, 并对比C_id||N₃, 若相等则根据CI的信息为该用户开放使用, 比如后续使用SK_I-C传输电表数据和按CI的授权为电动汽车充指定的电量等。

3.3 安全性分析

本节将从新提出的安全机制是否贴近第2节中的理想解来分析其安全性。由于消费层是能源互联网中安全性最薄弱的环节, 其中代表性场景是能源互联网的常见应用场景, 对其关键场景的安全性验证就代表了对消费层安全性的验证。

(1)双向认证性。在场景1中双方采用非对称加密算法(基于TPM的RSA算法), 消息发送方采用对方公钥加密, 接收方使用自己私钥解密, 而且消息中发送方均使用自己的私钥进行签名, 保证了通信双方可以相互认证对方身份。在场景2中, 用户与控制中心拥有相同的预共享密钥, 保证通信时的相互认证, 后续协议交互中, 用户与智能电子设备通过可信的控制中心完成相互认证。两个场景中的Nonce保证协议的新鲜性, 抵御重放攻击, 同时接收方比对Nonce也是辅助认证手段。

(2)机密性。场景1和场景2中的所有协议交互, 均采用非对称加密RSA算法或对称式加密AES, 且被正确配置, 因此保证了整个过程数据的机密性。

(3)数据完整性。场景1和场景2中虽然没有使用保证数据完整性常用的HMAC算法, 但采用私钥签名, 或采用对称性加密。因此即使攻击者对消息进行了篡改, 接收方通过验证签名错误、解密失败和解密后对比原始消息失败可以发现数据被非法篡改, 保证了数据的完整性。

(4)物理设备安全。由于所有物理设备采用信任链技术, 保证了整个硬件系统的安全性。

(5)可用性。通过安全补偿设备, 如设置无线设备物理层的跳频通信机制抵御干扰攻击, 保证了可用性。

(6)物理系统安全性, 通过安全补偿设备, 完成对物理系统内攻击行为的检测, 比如使用系统论方法。

因此, 基于TPM的统一安全架构方案在上述6个方面均可良好地保护能源互联网安全性, 利用第2节的方法, 可以看出其与理想解的欧氏距离和贴合度相比其他4种方法都好。

4 结束语

本文从逻辑和网络拓扑两个层面对能源互联网的体系结构进行了详细的分析和建模。对国内外针对能源互联网的安全研究进行了总结和综述, 并进行了归类, 利用TOPSIS方法发现现有安全研究较为孤立, 缺乏整体解决方案的特点, 提出了基于TPM的新的安全机制, 并给出了典型的系统安全模型和协议交互模型, 分析了新机制的安全性。结合TOPSIS方法说明提出的新安全机制比现有方法好。

随着智能家庭、智能车联网等技术和系统的发展, 这些相关系统同样具有物理系统安全性、互联网安全性以及融合系统安全性的问题。本文提出的基于TOPSIS的安全性分析机制可以扩展到类似的CPS系统中。此外, 通过对智能家庭系统、智能车联网的体系架构进行分析, 针对其薄弱层次和典型应用场景建模也可以提出与本文类似的新安全架构, 并且提升整体系统的安全性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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From smart grid to energy internet: basic concept and research framework

从智能电网到能源互联网:基本概念与研究框架

Dong Zhao-yang , Zhao Jun-hua , Wen Fu-shuan

董朝阳, 赵俊华, 文福拴

The traditional way of economic and social development，characterized by centralized utilization of fossil fuel energy，is gradually changing.On the other hand，the third industrial revolution is now rising.As the core technology of the third industrial revolution，the Energy Internet aims at facilitating large-scale utilization and sharing of renewable energy by integrating renewable energy and internet technologies.It will enhance the merging of electricity，transportation and natural gas networks，change the way of energy utilization，and finally achieve the goal of promoting sustainable economic and social development.Given this background，an overview of the Energy Internet is first provided，and a basic research framework developed.A definition of the Energy Internet is then suggested，followed by its basic architecture and main components.Several main research challenges to the Energy Internet，such as the wide-area coordination and control of distributed devices，the integration of the power system with the transportation system and natural gas network，as well as the cyber physical modeling and security，are next discussed in more details.

以化石能源集中式利用为特征的传统经济和社会发展模式正在逐步发生变革，而以新能源技术和互联网技术为代表的第三次工业革命正在兴起。作为第三次工业革命的核心技术，能源互联网力图结合可再生能源技术与互联网技术，推动分布式可再生能源的大规模利用与分享，促进电力、交通、天然气等多种复杂网络系统的相互融合，最终实现改变能源利用模式，推动经济与社会可持续发展的目的。在此背景下，展望了能源互联网的发展前景，并试图建立其基本的研究框架。首先，给出了能源互联网的初步定义，并概述了能源互联网的基本架构及其组成。随后，针对广域内分布式设备的协调与控制、电力系统与交通系统的融合、电力系统与天然气网络的融合、信息物理建模及安全等几个核心问题，探讨了能源互联网研究中可能面临的主要挑战。

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Information technology for energy internet: a survey

能源互联网信息技术研究综述

Wang Ji-ye , Meng Kun , Cao Jun-wei

王继业, 孟坤, 曹军威

1 ( State Grid Corporation of China, Beijing 100031); 2 (Computer School, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101); 3 (Research Institute of Information Technology, Tsinghua University, Beijing 100084); 4 (Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084); 5 (Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology, Beijing 100084)

The drastic increasing demand for energy aggravates the shortage of energy state. Using green renewable energy paves a way to solve the above problem, however, how to access and control these types of intermittent energy faces more challenges. Energy Internet (or Internet of energy), differentiated from the Internet of only transferring and sharing information, has been forecasted as a typical representative of the coming industry revolution. Comparing with the Internet, energy Internet must have the ability of efficiently managing the energy lifecycle including energy production, energy transmission and distribution, and energy consumption. Its objective contains conveniently switching in and switching out, efficiently dispatching energy and dedicatedly fulfilling all consumers' demand etc. In this paper, we analyze the potential requirements of the future energy system, state the related concepts and characters of energy Internet, survey all results with respect to the information technology in energy Internet，and conclude an energy Internet infrastructure and its support technologies. In addition, we discuss the opportunities and challenges of information technology during developing the energy Internet.

可再生能源将在一定程度上缓解能源供给的紧张局势，但实现与已有能源系统的有机融合存在诸多问题，使得当前的能源体系面临着新一轮变革.借鉴信息领域的互联网理念、方法与技术等成果，能够保证从能源生产、传输到消费全过程的开放对等、便捷接入、智慧用能的能源互联网成为了重要发展方向.本文从基础架构角度讨论能源、信息基础设施发展的一般规律，阐述了能源互联网概念和基本特征；在总结能源互联网体系结构与技术框架、综述国内外相关信息技术研究成果的基础上，详细分析了发展能源互联网过程中信息技术所面临的关键问题和挑战.

2012

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2011

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. 2011, 41(5):1421-1425

Security trust model for multi-hop wireless ad hoc networks

面向多跳无线自组织网络的安全信任模型

Du Jun , Li Wei-hua.

杜君, 李伟华

2015

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. 2015, 39(9):26-40

Design of hierarchy and functions of regional energy internet and its demonstration applications

城市能源互联网功能体系及应用方案设计

Huang Ren-le , Pu Tian-jiao , Liu Ke-wen

黄仁乐, 蒲天骄, 刘克文

... 1 能源互联网体系结构国内外研究机构都在进行能源物联网研究,如欧盟的未来智能能源互联网、德国的E-Energy计划、美国的未来可再生电能传输和管理系统以及中国北京延庆能源互联网示范等^[6] ...

2015

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. 2015, 35(14):3482-3494 DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.002

Technical forms and key technologies on energy internet

能源互联网技术形态与关键技术

Tian Shi-ming , Luan Wen-peng , Zhang Dong-xia

田世明, 栾文鹏, 张东霞

1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. Fudan University, Shanghai,Yangpu District 200433,China

At present, internet has been widely used in the world and will promote the development of renewable energy by integrating renewable energy technology with cloud computing and big data technologies. This paper deeply analyzed and summarized the research programs and expert interpretations of energy internet. Firstly, an investigation of the current situation of domestic and foreign research programs had been made. Secondly, this paper tried to point out the academic connotation, technical characteristics, technical elements, and technical forms. Finally, the paper tried to propose the basic technologies for energy internet. We hope to provide reference for the development of energy internet of China.

目前,互联网技术已经得到广泛应用,云计算和大数据技术正逐步与能源技术相融合,将推动可再生清洁能源发展。文章针对能源互联网前期已开展项目和学术观点展开深入分析,首先分析欧洲、美国和我国开展的能源互联网科研和实践工作,然后提出能源互联网的技术内涵和技术特征,并分析能源互联网的技术要素和技术形态,最后提出能源互联网关键技术,以期为我国能源互联网的发展提供参考。

2014

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. 2014, 44(6):714-727

An energy internet and energy routers

能源互联网与能源路由器

Cao Jun-wei , Meng Kun , Wang Ji-ye

曹军威, 孟坤, 王继业

... 路由层使用能源路由器实现能源的转换和存储^[8] ...

2015

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. 2015, 35(14):3503-3510 DOI:doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.004

A unifying network topological model of the energy internet macro-scope structure

能源互联网宏观结构的统一网络拓扑模型

Cai Wei , Zhao Hai , Wang Jin-fa

蔡巍, 赵海, 王进法

As the energy internet is a massive-large complex network system fusing with the society, information and physics, the topological structure of its information infrastructure is the essential theoretical framework for studying the complexity problems of the energy internet. A unifying network topological model of energy internet was proposed by combining the frontier methodologies of complex networks modeling, based on a wide survey on the research works using complex network theory to analyze the traditional power grid, the modern smart grid and the future energy internet. The proposed model considers the organizing features and the functional connotations of the energy internet, and it contains as many aspects of the future energy internet as possible, considering the backbone power grid as the supported frame while the distributed new energy self-organized networks as the main parts. The experimental results show that, the topological structure of energy internet which generated by proposed model is quite different from the traditional power grid, and very alike to the Internet. The network topological model of energy internet could provide a theoretical fundamental and experimental platform for the complexity problems studies of the energy internet, and also a research base for works on the energy internet related to strategy studies, design and optimizing, evolution mechanisms by using complex network theories.

能源互联网作为社会、信息、物理相互依存的超大规模复杂网络,其信息基础结构的拓扑结构是研究能源互联网若干复杂性问题的基础理论框架。该文综述了利用复杂网络理论研究传统电网、现代智能电网和能源互联网的相关文献,并结合复杂网络建模发展沿革与前沿方法,提出一种能源互联网宏观结构的统一网络拓扑模型。该模型考虑了能源互联网的组成特点和功能内涵,涵盖了主干网络为支架,分布式新能源自组织网络为主体的能源互联网各组成部分。仿真表明,由该模型生成的拓扑结构在形态上与传统电网有明显区别,而与信息互联网有更多的相似性。网络拓扑模型为研究能源互联网的若干复杂性问题提供了理论基础和实验平台,也为以复杂网络理论为指导的能源互联网相关策略研究、能源互联网的设计与优化、能源互联网的演化,提供了研究基础。

... 从网络拓扑层面来看,能源互联网以国家级骨干能源网络为顶层结构,以区域级能源网络为主干,末端连接能源局域网,各能源局域网既可并网工作也可独立工作,如社区的微型能源网络^[9] ...

2014

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... 1 安全需求驱动法能源互联网的安全需求主要包括:机密性、完整性、可用性、认证性、授权性、不可否认性和可审计性等^[10,11] ...

2012

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... 1 安全需求驱动法能源互联网的安全需求主要包括:机密性、完整性、可用性、认证性、授权性、不可否认性和可审计性等^[10,11] ...

2012

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... 安全需求驱动法通过研究攻击行为对各种能源互联网安全需求的破坏和影响,对攻击场景和行为进行细化、归类、分析和总结^[12,13] ...

2013

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... 安全需求驱动法通过研究攻击行为对各种能源互联网安全需求的破坏和影响,对攻击场景和行为进行细化、归类、分析和总结^[12,13] ...

2012

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... 2 安全模型驱动法Sridhar等^[14]从智能电网入手建立了控制环安全模型(见图2),针对模型中的物理参数测量、数据采集、控制信息、数据计算和分析、物理设备和执行指令6方面存在的安全弱点和漏洞对攻击行为进行识别和归类 ...

2015

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... 其他的安全模型包括:威胁模型^[15]、攻击树模型、马尔科夫模型和博弈论模型等 ...

2013

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... 典型的系统论模型包括:线性定常广义系统^[16]、线性连续时间动态系统^[17]、线性控制系统^[18]等 ...

2015

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... 典型的系统论模型包括:线性定常广义系统^[16]、线性连续时间动态系统^[17]、线性控制系统^[18]等 ...

2013

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... 典型的系统论模型包括:线性定常广义系统^[16]、线性连续时间动态系统^[17]、线性控制系统^[18]等 ...

2014

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... 另外还有一些其他安全技术,如动态虚拟蜜罐^[19]、上下文感知和智能追踪防火墙等 ...

2015

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... 鉴于能源互联网的多网融合性,单一和孤立的安全防护方法显然不能满足要求,TOPSIS作为一种常用的有限方案多属性决策分析法可为安全方案的选择提供决策支持^[20] ...

2011

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... 3 基于TPM的安全机制近年来兴起的可信计算^[21],通过在系统中引入基于TPM并带有信任根的安全芯片^[22],通过信任链条,将信任关系传递到整个系统中的其他组件或程序,从而形成整体的系统安全解决方案 ...

... 目前国内外企业已经推出了很多TPM产品^[21]也便于向能源互联网平滑地快速部署和应用 ...

2015

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