電力物聯網通信的安全技術探討

摘?要：介紹物聯網及電力泛在物聯網的發展歷史，介紹國家政策形勢及國家電網公司的戰略目標，針對未來電力泛在物聯網的通信安全提出建議，簡要介紹量子通信和邊緣計算概念及發展，并對其在電力物聯網中的應用提出展望。

關鍵詞：電力泛在物聯網;量子通信;邊緣計算

1 物聯網的概述及安全性、重點通信傳輸

物聯網概念最初由美國麻省理工學院于1999年提出。物聯網根據其實施方式可稱之為“傳感網”，是指將各種信息傳感設備和互聯網結合起來，形成龐大的信息傳輸反饋網絡，對所有終端設備進行遠程識別和控制，形成一個智慧的網絡體系。

2004年，日本總務省提出了u-Japan計劃，致力于實現人與人、物與物、人與物之間的聯系。2006年韓國確立了u-Korea計劃，旨在通過智能型網絡和設備，實現科技智慧服務。2009年歐盟發表了物聯網行動計劃，同時IBM和美國智庫向政府提交了復蘇計劃。同年，溫家寶總理通過“感知中國”的講話，要求推進我國物聯網建設，并在無錫成立了“感知中國”研究中心。

2019年3月，國家電網有限公司發布了《泛在電力物聯網建設大綱》，泛在物聯是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互。泛在電力物聯網是泛在物聯網在電力行業的具體體現，將電力用戶及設備、電網企業及設備、發電企業及設備、供應商及設備，以及人和物連接起來，為用戶、電網、發電、供應商和政府社會服務;以電網為樞紐，發揮平臺和共享作用，為行業和市場提供價值服務。

2 目前電力系統主要通信模式及缺點

電力系統的運行關乎國計民生，因此電力泛在物聯網的建設必須考慮極高的安全性和可靠性。目前電力行業所依賴的信息傳輸主要為通信專網和部分公共通信網絡。隨著電力體制的改革，新能源大規模、高密度接入電網，各種不確定性及擾動增加，電網的的安全穩定運行挑戰增加，電力數據的傳輸及處理的安全性顯的尤為重要。比如電網的自動化調度、電網的日常穩定運行、電力系統中的各種管理系統信息傳輸，是電網穩定運行的基礎。例如2015年烏克蘭電力系統曾因黑客的入侵，造成了大面積的停電事故。因此研究實現物聯網異構系統的安全接入，避免信息泄露、篡改偽造、旁路攻擊，確保信息安全穩定傳輸十分迫切。

3 量子通信及邊緣計算介紹

量子通信按照應用場景及傳輸類型分為“量子密鑰分發”和“量子隱形傳態”兩個方向。目前以量子密鑰分發為基礎的量子保密通信已進入產業化階段，量子隱形傳態利用量子糾纏來傳輸信號，目前處于研究階段。

量子保密通信技術，利用量子的海森堡測不準原理與量子態不可克隆的特性進行安全密鑰分發，攻擊者無法測量和復制密鑰，一旦進行竊聽即被發現，具有比傳統密鑰分發機制更高的安全性，利用量子保密通信技術配合傳統的安全防護措施進行輸電線路及變電站數據采集、用戶身份認證及數據加密等具有很大優勢。

根據國家電網公司發布的《泛在電力物聯網建設大綱》（以下簡稱《大綱》），泛在電力物聯網包括感知層、網絡層、平臺層和應用層四個層次。在網絡層，可以針對采集數據的重要性和優先級別，采用量子保密通信技術。確保核心數據的絕對安全和穩定。

美國韋恩州立大學施巍松教授團隊于2016年對邊緣計算作出正式定義：邊緣計算是指在網絡邊緣執行計算的一種新型計算模型，邊緣計算操作的對象包括來自于云服務的下行數據和來自萬物互聯服務的上行數據。該模型和云計算模型互為補充，可有效減少延遲，減輕數據傳輸帶寬負擔，緩解云計算壓力，提高可用性，確保數據安全和隱私。

邊緣計算模型將原有的云計算部分計算任務遷移到數據源附近，具有實施數據分析處理、安全性高、隱私保護、可擴展性強、位置感知等優勢。

在物聯網的感知層，可建立相應邊緣計算平臺，對各項異端數據進行采集和初步計算，將重要數據結果通過量子通信專網上傳至省級的云計算平臺進行處理，省級云計算平臺可將處理后的重要數據信息傳輸至即將建成的“國網云”平臺。

4 在國內外應用情況

2013年國家批準建設的量子保密通信“京滬干線”，已于2017年建成。該干線連接北京、上海、濟南、合肥四個城域網，全長2000余公里，是世界首條量子通訊主干網絡。

2016年，我國發射了“墨子號”量子科學實驗衛星，是是世界上第一顆具備量子通信終端能力的衛星，目前已成功驗證星地量子通信的可行性，為建立全球量子通信系統奠定基礎。2018年，美國眾議院科學、太空和技術委員會一致通過了“國家量子計劃法案”，提出實施十年國家量子行動計劃，重點將量子相關應用商業化。歐盟從20世紀90年代開始，持續推出各項量子計劃，并已實現了量子漫步、太空和地球之間的量子信息傳輸。

2014年歐洲電信標準化協會成立了移動邊緣計算標準化工作組，同年，AT&T、思科、通用電氣、IBM、英特爾成立工業互聯網聯盟，2016年，電氣和電子工程師協會（IEEE）發起邊緣計算研討會，同年，中科院沈陽自動化研究所等單位成立邊緣計算產業聯盟。2018年，微軟發布“Azure IoT Edge”等邊緣側產品，將業務重心從Windows操作系統轉移到智能邊緣計算方面;亞馬遜公司發布“AWS Greengrass”邊緣側軟件，將AWS云服務無縫擴展至邊緣設備;阿里云宣布2018年將戰略投入到邊緣計算領域，并推出“Link Edge”邊緣計算產品。

5 前景展望

目前我國量子通信產業鏈構架已基本完成，但是基礎理論研究較美、歐仍有差距。傳輸系統造價昂貴，在國內市場普及一般，需要政府給與產品市場支持。針對電力系統的量子通信系統，可以以國家建設的京滬干線為基礎，將電力系統與其連接，實現系統互通。將量子通信技術應用于電力系統，利用其不可破解的優勢和強大的穩定性，可以為泛在電力物聯網的信息傳輸提高高質量的保證。

邊緣計算應用與電力系統感知層，可參考江行智能研發的軟硬件綜合邊緣計算管理平臺EdgeBox，采用高性能的邊緣計算方案。通過該解決方案可對電網通道異常進行檢測，對變電站電池進行預測性維護。對電力網絡優化、電力數據傳輸、電力應用輕量化及智能化方面進行強有力的配合。

參考文獻：

[1]曹莉，景悅林.感知泛在物聯網[J].通信電源技術，2011，28（3）：84-86.

[2]張翼英，張素香.量子通信及其在電力通信的應用[J].2016，14（9）：7-11.

作者簡介：杜小龍（1988-），男，工程師，主要從事輸電線路施工及運行檢修。