储能系统SSB蓄电池管理系统网络安全需求分析：整合国际标准与国内技术规范
2026-10-30 20:39:14
摘要
本研究通过双轨方法论，探讨了储能系统（ESS）中电池管理系统（BMS）的网络安全需求。首先，该研究与现有的国内过程控制系统网络安全框架保持一致，以确保监管的一致性。其次，它纳入了对国际工业控制系统标准（如国际电工委员会62443）的分析。通过应用差距分析和威胁建模，本研究为BMS设备量身定制了一套网络安全需求。研究结果增强了储能系统的网络安全韧性，并为监管机构制定BMS网络安全测试标准和验证方法提供了关键的技术基础。关键词：
电池管理系统（BMS）; 网络安全; 储能系统 (ESS)
1. 引言
随着全球向绿色能源的转型，太阳能和风能等可再生能源的占比显著增加。其间歇性和不可预测的特性给大规模电网接入过程中的频率和电压稳定性带来了挑战，可能导致供需失衡。在此背景下，储能系统（ESSs）变得不可或缺，通过提供调频、削峰填谷和辅助服务，确保电力基础设施的稳定运行。因此，确保能源存储系统（ESS）中关键控制组件的安全，对于国家电力安全和关键基础设施保护（CIP）而言是一项至关重要的问题。
储能系统（ESS）由四个子系统组成：电池模块、电池管理系统（BMS）、功率转换系统（PCS）和能量管理系统（EMS）[1]。PCS负责双向交流/直流转换和功率调度，而EMS实现监控、控制和数据采集功能。BMS充当电池模块的“守门员”，直接测量电芯级的电压、电流和温度，计算荷电状态和健康状态，并执行均衡操作以及过充、过放和过热切断的异常保护。
尽管BMS和PCS紧密协作，但它们面临不同的攻击面和保护重点。PCS暴露在外部网络和电网调度指令的风险之下，而通常位于内部控制网络中的BMS则面临网络安全风险，如控制器局域网（CAN）总线、Modbus等内部通信协议被劫持、数据欺骗以及恶意固件替换。成功的虚假数据注入（FDI）攻击会导致BMS向PCS或EMS传输错误的电压或温度数据，从而引发错误的充放电决策。此类违规行为可能损坏电池模块、缩短其使用寿命，或在需要电网支持时使其无法运行。因此，为BMS设备构建端到端的纵深防御体系至关重要。
为应对电源侧保护问题，标准检验局（BSMI）发布了《2024年储能与电力转换系统安全测试技术规范》[2]。通过自愿产品认证（VPC），固定式储能装备正逐步纳入强制检验，自2027年7月1日起生效[3《储能用电力转换系统网络安全技术规范（2024版）》要求容量超过20–100 kW的PCS具备网络安全能力。然而，目前BMS设备尚无同等网络安全要求，存在显著的监管空白。
本研究旨在通过双轨方法弥补这一差距。首先，在方法论方面，采用国内PCS网络安全规范的架构作为基准，以确保政策的连续性并最大限度地减少对行业的影响。其次，我们对国际工业自动化和控制系统（IACS）网络安全标准进行了对比分析，包括国际电工委员会（IEC）62443系列（中国国家标准62443-4-2）、美国国家标准与技术研究院特别出版物800-82修订版3，以及美国国家标准与技术研究院机构间报告7628：智能电网网络安全指南7628。在差距分析和威胁建模的基础上，为BMS设备制定了一套定制的网络安全要求。这些要求具体、可衡量，并纳入了安全分级。其成果填补了国内ESS底层控制组件网络安全标准的空白，为原始设备制造商（OEM）、系统集成商（SI）和测试实验室提供了可操作的技术指南，并为相关部门制定未来BMS网络安全标准和验证方法提供了技术参考。
2. 文献综述
比较国际标准与国内法规有助于建立与全球框架及现有国内检测体系相一致的BMS网络安全要求。本研究对涵盖通用工业控制系统和智能电网应用的核心标准进行了基准测试。
BSMI发布了《储能与电力转换系统安全测试技术规范（2024版）》[2]以规范国内储能网络安全政策。该规范将技术要求分为五个维度：物理防护；身份识别、认证与授权安全；数据存储安全；数据传输安全；以及系统安全。该结构涵盖了硬件、数据流和系统运行。参考文献[的附录D2]概述了第三方实验室的检验方法。尽管PCS和BMS具有不同的通信接口和控制目标，但两者都是ESS的关键控制组件。因此，我们采用这五个维度并整合国际框架，以构建具体的BMS要求。
IEC和国际自动化协会制定了IEC 62443系列标准《工业自动化和控制系统安全》，该系列标准适用于操作技术环境。中国国家标准62443-4-2与特定组件标准IEC 62443-4-2保持一致[4,5]。该标准将工业组件分类为软件应用、嵌入式设备、主机设备或网络设备。由于BMS与物理系统交互、运行实时操作系统，并在有限的计算资源下运行，因此符合嵌入式设备的定义。该标准强制执行七项基础要求（FRs）：
- FR 1（身份识别与认证控制）：使用密码强度指标、公钥基础设施和不受信任的网络访问控制来验证用户和软件进程（CR 1.1、CR 1.2）；
- FR 2（使用控制）：实施最小特权和基于角色的授权，以限制参数修改；
- FR 3（系统完整性）：防止恶意篡改。对于嵌入式设备，嵌入式设备要求（EDRs）3.10和3.11强制要求安全更新验证和物理篡改检测；
- FR 4（数据机密性）：强制使用加密算法保护静态和传输中的数据（CR 4.1, CR 4.3）；
- FR 5（受限数据流）：要求进行网络分段，以阻断OT网络中的横向流量移动；
- FR 6（事件及时响应）：生成并保护审计日志（CR 2.8, CR 2.9），用于事件取证；
- FR 7（资源可用性）：确保确定性输出，并在拒绝服务攻击期间保持降级运行模式。
NIST IR 7628《智能电网网络安全指南》概述了互联电力系统的安全框架，其中储能系统（ESS）单元作为关键节点 [6]. 该指南将要求分为治理、风险与合规；通用技术要求；以及特定领域的技术要求。它针对机密性、完整性和可用性，为逻辑接口分配低、中或高影响等级。遵循此方法论时，BMS控制逻辑接口在完整性和可用性方面被赋予高影响等级，因为BMS电池数据和控制指令直接决定电网稳定性。该指南关于访问控制（SG.AC）、审计与问责（SG.AU）、配置管理（SG.CM）以及系统与通信保护（SG.SC）的规定，将通用安全原则转化为电网特定的实践。
NIST SP 800-82《操作技术安全指南》涵盖了工业控制系统、建筑自动化和交通运输[7]。该指南将IT安全优先级与OT环境区分开来；IT侧重于机密性，而OT则优先考虑安全性和系统可用性。为了保护这些系统，NIST SP 800-82详细介绍了一种纵深防御架构，将物理、网络、硬件和软件安全分层。本研究纳入了这些OT约束条件，例如实时性能要求、旧有装备限制和容错机制，以确保所提出的规范在不中断可用性的情况下保护关键的BMS控制功能。
3. 储能系统BMS的网络安全要求
综合上述国内法规和标准对齐情况，确定了ESS中BMS的网络安全要求。BMS接收来自EMS的指令，并根据这些指令做出适当响应以管理储能电池。图1展示了技术测试的范围，涵盖了具备和不具备TCP/IP网络通信能力的BMS。
图1。BMS技术测试范围。
我们为BMS定义了五个网络安全维度：(1) 物理保护安全，(2) 身份识别与认证安全，(3) 数据存储安全，(4) 数据传输安全，以及(5) 系统安全。这些网络安全维度的目标描述如下：
- 物理保护安全：BMS的物理外壳应具备基础防御能力。例如，系统实施防止外壳拆卸的屏障，并禁用不必要的物理端口，以降低攻击者通过物理接口渗透操作系统或篡改数据的风险；
- 身份识别与认证安全：BMS必须唯一识别并认证用户，结合凭据管理机制，以防止未经授权访问敏感数据或提升权限；
- 数据存储安全：BMS必须采用经批准的加密技术和密钥管理机制，以保护静态敏感数据；
- 数据传输安全：BMS必须建立安全的网络通信，以保护传输中的敏感数据免受未经授权的访问；
- 系统安全：系统必须最大限度地减少可利用的操作系统漏洞，并通过最小化网络端口、安全日志记录和自动安全更新来确保完整性。
表1展示了核心BMS网络安全要求与国际标准之间的对应关系。每个维度都阐明了其保护目标和具体技术要求，并将其精确映射到相应的国际标准条款中，以确保该框架的可信度和可追溯性。
表1。BMS网络安全要求与国际标准的映射关系。
4. BMS网络安全分级
IEC 62443-4-2安全等级框架将保护强度划分为多个层级。储能系统（ESS）的应用场景多样，包括住宅储能、商业表后备用电源以及兆瓦级表前电网站点。由于这些环境中的威胁和破坏影响各不相同，国内电力转换系统网络安全标准定义了三个不同的安全等级。我们根据风险影响和技术实现复杂度，将BMS安全要求划分为1级和2级。1级缓解无意操作错误、低成熟度威胁或资源有限的攻击者发起的蓄意攻击，2级缓解资源充足的对手发起的复杂蓄意攻击。
表2展示了这些级别对应的技术规范和要求。然而，信息安全需要持续的风险管理；遵守这些规范并不能保证完全免受恶意攻击。
表2。信息安全维度与要求概述。
5. 结论与未来工作
储能系统（ESS）稳定可再生能源并网，直接支持国家绿色能源转型和电网稳定。尽管国际和国内网络安全标准主要保护PCS和能源EMS（因其具备外部通信能力），但并未涵盖BMS，后者负责管理底层电池层和物理安全限制。通过双轨分析方法，我们将国际工业级电网安全标准映射到国内监管保护的五个现有维度上。由此得出的ESS中BMS网络安全要求，提供了一条既符合全球标准又确保本地操作可行性的安全实施路径。该框架可用于制定针对BMS的国家网络安全检查标准，从而加强台湾ESS的整体网络安全基础设施。
