電力物聯(lián)網(wǎng)通信的安全技術(shù)探討

摘?要：介紹物聯(lián)網(wǎng)及電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史，介紹國(guó)家政策形勢(shì)及國(guó)家電網(wǎng)公司的戰(zhàn)略目標(biāo)，針對(duì)未來電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的通信安全提出建議，簡(jiǎn)要介紹量子通信和邊緣計(jì)算概念及發(fā)展，并對(duì)其在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提出展望。

關(guān)鍵詞：電力泛在物聯(lián)網(wǎng);量子通信;邊緣計(jì)算

1 物聯(lián)網(wǎng)的概述及安全性、重點(diǎn)通信傳輸

物聯(lián)網(wǎng)概念最初由美國(guó)麻省理工學(xué)院于1999年提出。物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)其實(shí)施方式可稱之為“傳感網(wǎng)”，是指將各種信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，形成龐大的信息傳輸反饋網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所有終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程識(shí)別和控制，形成一個(gè)智慧的網(wǎng)絡(luò)體系。

2004年，日本總務(wù)省提出了u-Japan計(jì)劃，致力于實(shí)現(xiàn)人與人、物與物、人與物之間的聯(lián)系。2006年韓國(guó)確立了u-Korea計(jì)劃，旨在通過智能型網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)科技智慧服務(wù)。2009年歐盟發(fā)表了物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃，同時(shí)IBM和美國(guó)智庫(kù)向政府提交了復(fù)蘇計(jì)劃。同年，溫家寶總理通過“感知中國(guó)”的講話，要求推進(jìn)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，并在無錫成立了“感知中國(guó)”研究中心。

2019年3月，國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)布了《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱》，泛在物聯(lián)是指任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間的信息連接和交互。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是泛在物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的具體體現(xiàn)，將電力用戶及設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及設(shè)備、供應(yīng)商及設(shè)備，以及人和物連接起來，為用戶、電網(wǎng)、發(fā)電、供應(yīng)商和政府社會(huì)服務(wù);以電網(wǎng)為樞紐，發(fā)揮平臺(tái)和共享作用，為行業(yè)和市場(chǎng)提供價(jià)值服務(wù)。

2 目前電力系統(tǒng)主要通信模式及缺點(diǎn)

電力系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，因此電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)必須考慮極高的安全性和可靠性。目前電力行業(yè)所依賴的信息傳輸主要為通信專網(wǎng)和部分公共通信網(wǎng)絡(luò)。隨著電力體制的改革，新能源大規(guī)模、高密度接入電網(wǎng)，各種不確定性及擾動(dòng)增加，電網(wǎng)的的安全穩(wěn)定運(yùn)行挑戰(zhàn)增加，電力數(shù)據(jù)的傳輸及處理的安全性顯的尤為重要。比如電網(wǎng)的自動(dòng)化調(diào)度、電網(wǎng)的日常穩(wěn)定運(yùn)行、電力系統(tǒng)中的各種管理系統(tǒng)信息傳輸，是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。例如2015年烏克蘭電力系統(tǒng)曾因黑客的入侵，造成了大面積的停電事故。因此研究實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)系統(tǒng)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(wěn)定傳輸十分迫切。

3 量子通信及邊緣計(jì)算介紹

量子通信按照應(yīng)用場(chǎng)景及傳輸類型分為“量子密鑰分發(fā)”和“量子隱形傳態(tài)”兩個(gè)方向。目前以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏來傳輸信號(hào)，目前處于研究階段。

量子保密通信技術(shù)，利用量子的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理與量子態(tài)不可克隆的特性進(jìn)行安全密鑰分發(fā)，攻擊者無法測(cè)量和復(fù)制密鑰，一旦進(jìn)行竊聽即被發(fā)現(xiàn)，具有比傳統(tǒng)密鑰分發(fā)機(jī)制更高的安全性，利用量子保密通信技術(shù)配合傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施進(jìn)行輸電線路及變電站數(shù)據(jù)采集、用戶身份認(rèn)證及數(shù)據(jù)加密等具有很大優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱》（以下簡(jiǎn)稱《大綱》），泛在電力物聯(lián)網(wǎng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層四個(gè)層次。在網(wǎng)絡(luò)層，可以針對(duì)采集數(shù)據(jù)的重要性和優(yōu)先級(jí)別，采用量子保密通信技術(shù)。確保核心數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全和穩(wěn)定。

美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍松教授團(tuán)隊(duì)于2016年對(duì)邊緣計(jì)算作出正式定義：邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算操作的對(duì)象包括來自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和來自萬物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)。該模型和云計(jì)算模型互為補(bǔ)充，可有效減少延遲，減輕數(shù)據(jù)傳輸帶寬負(fù)擔(dān)，緩解云計(jì)算壓力，提高可用性，確保數(shù)據(jù)安全和隱私。

邊緣計(jì)算模型將原有的云計(jì)算部分計(jì)算任務(wù)遷移到數(shù)據(jù)源附近，具有實(shí)施數(shù)據(jù)分析處理、安全性高、隱私保護(hù)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、位置感知等優(yōu)勢(shì)。

在物聯(lián)網(wǎng)的感知層，可建立相應(yīng)邊緣計(jì)算平臺(tái)，對(duì)各項(xiàng)異端數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和初步計(jì)算，將重要數(shù)據(jù)結(jié)果通過量子通信專網(wǎng)上傳至省級(jí)的云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行處理，省級(jí)云計(jì)算平臺(tái)可將處理后的重要數(shù)據(jù)信息傳輸至即將建成的“國(guó)網(wǎng)云”平臺(tái)。

4 在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

2013年國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)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(jì)南、合肥四個(gè)城域網(wǎng)，全長(zhǎng)2000余公里，是世界首條量子通訊主干網(wǎng)絡(luò)。

2016年，我國(guó)發(fā)射了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，是是世界上第一顆具備量子通信終端能力的衛(wèi)星，目前已成功驗(yàn)證星地量子通信的可行性，為建立全球量子通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。2018年，美國(guó)眾議院科學(xué)、太空和技術(shù)委員會(huì)一致通過了“國(guó)家量子計(jì)劃法案”，提出實(shí)施十年國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃，重點(diǎn)將量子相關(guān)應(yīng)用商業(yè)化。歐盟從20世紀(jì)90年代開始，持續(xù)推出各項(xiàng)量子計(jì)劃，并已實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)成立了移動(dòng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作組，同年，AT&T、思科、通用電氣、IBM、英特爾成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，2016年，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)起邊緣計(jì)算研討會(huì)，同年，中科院沈陽自動(dòng)化研究所等單位成立邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。2018年，微軟發(fā)布“Azure IoT Edge”等邊緣側(cè)產(chǎn)品，將業(yè)務(wù)重心從Windows操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到智能邊緣計(jì)算方面;亞馬遜公司發(fā)布“AWS Greengrass”邊緣側(cè)軟件，將AWS云服務(wù)無縫擴(kuò)展至邊緣設(shè)備;阿里云宣布2018年將戰(zhàn)略投入到邊緣計(jì)算領(lǐng)域，并推出“Link Edge”邊緣計(jì)算產(chǎn)品。

5 前景展望

目前我國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)架已基本完成，但是基礎(chǔ)理論研究較美、歐仍有差距。傳輸系統(tǒng)造價(jià)昂貴，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)普及一般，需要政府給與產(chǎn)品市場(chǎng)支持。針對(duì)電力系統(tǒng)的量子通信系統(tǒng)，可以以國(guó)家建設(shè)的京滬干線為基礎(chǔ)，將電力系統(tǒng)與其連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互通。將量子通信技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，利用其不可破解的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的穩(wěn)定性，可以為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸提高高質(zhì)量的保證。

邊緣計(jì)算應(yīng)用與電力系統(tǒng)感知層，可參考江行智能研發(fā)的軟硬件綜合邊緣計(jì)算管理平臺(tái)EdgeBox，采用高性能的邊緣計(jì)算方案。通過該解決方案可對(duì)電網(wǎng)通道異常進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)變電站電池進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、電力數(shù)據(jù)傳輸、電力應(yīng)用輕量化及智能化方面進(jìn)行強(qiáng)有力的配合。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹莉，景悅林.感知泛在物聯(lián)網(wǎng)[J].通信電源技術(shù)，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(yīng)用[J].2016，14（9）：7-11.

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