面向配電網(wǎng)的量子加密信息安全防護技術(shù)研究

錢 錦，李 昂，徐李冰，張 吉

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，海量風力發(fā)電、光伏及分布式電源等新能源終端的不斷接入，使得電源出力的間歇性、波動性加劇，同時傳統(tǒng)無線通信方式難以滿足電網(wǎng)涉控類業(yè)務(wù)的安全可靠性要求，增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的潛在風險。如何確保電力設(shè)備的運行安全以及新能源終端穩(wěn)定高效的接入是電網(wǎng)成功轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，而5G+量子技術(shù)正是解決此類問題的有效手段。

1 概況

當前，國內(nèi)電網(wǎng)的電力自動化技術(shù)應(yīng)用已具備較高水平，投運各類配電自動化終端50 萬余套，其中采用無線公網(wǎng)通信方式有49 萬余套，占比96.14 %，采用光纖通信19 000 余套，占比3.86 %，約10 %的終端開關(guān)可實現(xiàn)遙控操作[1]。由于信息安全與通信傳輸?shù)某杀締栴}，導(dǎo)致大多數(shù)智能配網(wǎng)設(shè)備無法開啟無線遠程遙控功能，尤其在保電、安全演練等特殊時期，無線接入設(shè)備一直是電網(wǎng)管理最大的安全隱患。因此，為提升電力系統(tǒng)控制的潛力，將海量通信資源充分利用起來，就必須進行信息的加固防護。在配電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)?G 電力虛擬專網(wǎng)+量子加密信息安全防護技術(shù)進行融合，針對配電網(wǎng)業(yè)務(wù)建立無線安全接入信息安全防護技術(shù)體系，不僅能夠保障電力系統(tǒng)更加安全可靠的運行，還能有效降低建設(shè)和運維成本。

2 配電網(wǎng)量子加密信息安全防護技術(shù)方案

2.1 配電網(wǎng)終端情況

配電網(wǎng)終端主要指智能配電網(wǎng)系統(tǒng)中最末端設(shè)備，用于實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)測、控制和管理，是智能電網(wǎng)的重要組成部分之一，其主要通過信息通信技術(shù)將配電網(wǎng)中各種數(shù)據(jù)進行集中管理和處理。配電自動化是利用先進的信息、通信和控制技術(shù)，對配電系統(tǒng)進行智能化管理和控制的過程。通過配電自動化系統(tǒng)，可實現(xiàn)對配電網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)測、遠程操作、自動調(diào)節(jié)和故障診斷等，以提高電網(wǎng)的操作效率、可靠性和安全性。

目前，常見的配電網(wǎng)自動化終端主要有配電終端單元(DTU)、饋線終端設(shè)備(FTU)及臺區(qū)智能融合終端設(shè)備(TTU)。DTU 主要安裝在常規(guī)的開閉所/站、戶外小型開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、各類變電站等處，完成對開關(guān)設(shè)備的位置信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能量等數(shù)據(jù)的采集與計算，并對開關(guān)進行分合閘操作，實現(xiàn)對饋線開關(guān)的故障識別、隔離和對非故障區(qū)間的恢復(fù)供電；FTU 是裝設(shè)在饋線開關(guān)旁的開關(guān)監(jiān)控裝置，負責在架空線上監(jiān)控負荷開關(guān)的通斷；TTU 主要監(jiān)測并記錄配電變壓器運行狀態(tài)，根據(jù)低壓側(cè)三相電壓、電流采樣值，定時計算一次電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能等運行技術(shù)參數(shù)，并記錄、保存一段時間[2]。

2.2 電力5G 虛擬專網(wǎng)情況

電力5G 虛擬專網(wǎng)是指在運營商5G 網(wǎng)絡(luò)中，基于網(wǎng)絡(luò)切片、多接入邊緣計算(multi-access edge computing，MEC)等技術(shù)，通過無線傳輸、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)虛擬出一張面向電力行業(yè)的專用網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)與電力信息通信專網(wǎng)跨域融合，完成電力場景下端到端的業(yè)務(wù)承載、高可靠的安全隔離以及通信資源管理[3]。5G MEC 是一種移動邊緣計算技術(shù)，其使得數(shù)據(jù)處理和存儲更近地與用戶連接，從而提高移動網(wǎng)絡(luò)的速度和效率。在電力領(lǐng)域，5G MEC 實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更低的延遲，從而支持智能電網(wǎng)的實現(xiàn)。

同時，電力5G 虛擬專網(wǎng)需要滿足電力行業(yè)基本的安全防護要求，即“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認證”的原則。尤其是電力生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)，電力5G 虛擬專網(wǎng)需達到等同于物理隔離的網(wǎng)絡(luò)專用程度，因此生產(chǎn)控制大區(qū)相關(guān)專屬網(wǎng)元要獨立部署，以滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護要求(國能安全〔2015〕36 號)。

2.3 量子加密信息安全防護技術(shù)

隨著量子力學與信息科學的結(jié)合，量子信息技術(shù)逐漸形成，其中量子加密技術(shù)使用較為頻繁。量子加密技術(shù)通過測量量子物理系統(tǒng)中內(nèi)秉的隨機特性產(chǎn)生真隨機數(shù)的量子隨機數(shù)發(fā)生器(quantum random number generator，QRNG)，每次輸出的密鑰隨機性是由量子力學基本原理所形成的，相較于其他隨機數(shù)產(chǎn)生而言更具安全性[4]。因此，利用光量子產(chǎn)生不可預(yù)測結(jié)果的百變特性，研制出量子加密安全服務(wù)平臺和加密模塊，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都通過該模塊進行加密，由于量子密鑰“隨機生成、一次一變”的特性，可以確保交互指令不易被破解。

2.4 量子加密信息安全防護方案設(shè)計

2.4.1 量子加密和配電網(wǎng)改造工程

近年來，我國在量子信息技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性發(fā)展。在具體應(yīng)用中，不僅有基于有線光纖網(wǎng)絡(luò)和量子密鑰分發(fā)技術(shù)，通過發(fā)射墨子號衛(wèi)星形成星地一體化傳輸體系，并形成一定規(guī)模的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供更加安全可靠的點對點量子信息防護手段；還有結(jié)合量子密鑰分發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，通過4G/5G 無線通信技術(shù)將海量無線終端設(shè)備和業(yè)務(wù)應(yīng)用接入，提升無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體安全性。

隨著國家能源局《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》以及工信部《5G 應(yīng)用“揚帆”行動計劃(2021—2023 年)》的發(fā)布，基于5G 技術(shù)的數(shù)字化牽引新型電力系統(tǒng)正在全面開展。2022 年，國網(wǎng)浙江省電力有限公司正式啟動了配電網(wǎng)5G 通信設(shè)備改造工程，推進架空線路智能化升級工作。

2.4.2 基于MEC 的量子加密應(yīng)用架構(gòu)組成

現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)由量子密鑰分發(fā)設(shè)備、光量子真隨機數(shù)發(fā)生器、量子安全網(wǎng)關(guān)組成。光量子真隨機數(shù)發(fā)生器能夠生成海量的量子密鑰，這些密鑰由密鑰管理系統(tǒng)統(tǒng)一進行管理，再通過量子安全服務(wù)平臺，推送給需要使用量子密鑰的配電網(wǎng)業(yè)務(wù)和終端。基于量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將量子密鑰的應(yīng)用關(guān)口前移，將防護前移至無線安全接入?yún)^(qū)前，提出基于5G 網(wǎng)絡(luò)的量子安全服務(wù)平臺應(yīng)用模式(見圖1)。系統(tǒng)通過量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)生成量子密鑰，在量子安全服務(wù)平臺注冊后，通過量子密鑰充注方式將量子密鑰充注到量子密鑰移動介質(zhì)(TF 卡、U-Key 等等)，再用于量子移動終端。

圖1 量子安全服務(wù)平臺應(yīng)用模式

5G 電力虛擬專網(wǎng)中通過MEC 部署應(yīng)用，包括身份認證應(yīng)用、量子安全服務(wù)平臺、UPF 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)等，并利用5G 特性與運營商進行能力互動，可實現(xiàn)將安全防護關(guān)口前移、安全事件的毫秒級快速響應(yīng)、身份二次鑒權(quán)提升安全性等。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用環(huán)境設(shè)計

配電自動化應(yīng)用通過使用5G 電力虛擬專網(wǎng)，可實現(xiàn)高可靠的配電網(wǎng)保護，實現(xiàn)故障的快速定位與隔離快速恢復(fù)、負荷精準控制、視頻監(jiān)控的高效傳輸?shù)取Ｔ趯嶋H使用過程中，整個5G 配電網(wǎng)量子加密環(huán)境主要包含部署在MEC 中的量子安全服務(wù)平臺(應(yīng)用服務(wù)側(cè))、傳輸過程中5G 的安全能力交互、配電終端應(yīng)用的量子加密模塊(終端側(cè))。

量子安全服務(wù)平臺主要包括量子密鑰生成、量子密鑰統(tǒng)一調(diào)度管理以及兩端的量子密鑰應(yīng)用[5-6]。

在應(yīng)用服務(wù)側(cè)，量子密鑰生成主要是利用光量子隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生不可預(yù)測結(jié)果的密鑰，再進行量子加密，形成最終的加密量子密鑰。在量子密鑰的統(tǒng)一調(diào)度管理過程中，還需要量子密鑰管理機、交換密碼機、量子密碼服務(wù)平臺以及量子密鑰充注系統(tǒng)。量子密鑰管理機主要負責管理和存儲量子密鑰；交換密碼機主要負責在傳輸過程中控制量子密鑰的輸出與交換；量子密碼服務(wù)平臺主要負責量子密鑰的對外調(diào)度使用，確保量子密鑰可以安全有序地分發(fā)至需要使用的應(yīng)用系統(tǒng)；量子密鑰充注系統(tǒng)主要負責將量子密鑰通過U 盾/TF 卡等方式進行充注，并在量子加密終端使用[5]，確保初始密鑰也得到安全保障。在終端側(cè)，量子加密終端由量子安全網(wǎng)關(guān)、量子加密模塊和5G 傳輸終端(如客戶端設(shè)備CPE 等)，通過利用量子安全加密傳輸通道，提升5G 終端接入、傳輸?shù)陌踩燃墸_保電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸更加安全可靠。

3.2 系統(tǒng)測試

3.2.1 延遲測試

選取配電網(wǎng)DTU 進行測試，用筆記本電腦1 模擬104 主站，筆記本電腦2 模擬本地主站。DTU 終端通過5G CPE 無線連接至本地主站系統(tǒng)，另一端連接至測試筆記本電腦1，做“三遙”(遙測、遙信、遙控)測試，通過104 主站與本地模擬主站收到的相同報文時間差作對比，即可以得到報文延時時間，如圖2 所示。同時在主站側(cè)部署5G 環(huán)境和5G+量子環(huán)境分別進行傳輸測試。

圖2 DTU 終端測試

由測試結(jié)果可知：在5G 部署環(huán)境下，1 000次測試中最大延遲為121.23 ms，而5G+量子環(huán)境下最大延遲為200.23 ms，符合配電網(wǎng)的通信要求。

3.2.2 遙信突變下的延遲測試

DTU 終端通過使用5G CPE 無線連接至本地主站系統(tǒng)，通過遙信突變分析主站報文收到時間與報文生成時間的事件順序記錄(SOE)時標時間差，即可以得到報文延時時間。通過測試得到“三遙”相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1、2 和3 所示。

表1 5G DTU 遙信測試

表2 5G DTU 遙測測試

表3 5G DTU 遙控測試

將各項測試得到的報文延時的結(jié)果與系統(tǒng)要求的響應(yīng)時間進行對比，測試結(jié)果均符合電力系統(tǒng)響應(yīng)時間的要求。

4 結(jié)論

針對配電網(wǎng)終端無線通信的安全問題，提出了在電力5G 無線網(wǎng)絡(luò)MEC 環(huán)境中引入量子加密防護技術(shù)，為配電自動化業(yè)務(wù)使用“三遙”功能提供安全支撐。試驗證明，應(yīng)用該方案系統(tǒng)響應(yīng)時間符合電力業(yè)務(wù)規(guī)范要求。后續(xù)可通過不斷放開“三遙”等功能，大幅縮短故障隔離和恢復(fù)送電時間等，也為實現(xiàn)故障快速定位與隔離恢復(fù)，以及精準負荷控制、實時視頻監(jiān)控等提供技術(shù)支持。