量子安全增强的电力5G配网终端技术测试分析 

量子安全增强的电力5G配网终端技术测试分析 

何博1庄原2朱艺超3

1.（南网云南电网有限责任公司生产运营监控中心，云南 650000）2.（南网云南电网有限责任公司曲靖马龙供电局，云南 655000）

3.（南网云南电网有限责任公司大理弥渡供电局，云南大理 675600）

摘要：国网信息通信产业基于电力安全，不断研发新的技术。现如今面向5G智能电网的量子安全系统诞生，以5G+量子安全技术，保障电力信息安全。该技术致力于电力业务全部流程和安全防护需求为导向，创新融合技术，实现电力业务数据运行期间的安全运输。量子安全能够基于终端无线的形式接入，提升系统安全的同时，降低电网运行成本，通过量子加密，为电力业务提供安全通信渠道，保障电网安全运行。

关键词：量子安全；电力网络；5G配网终端；技术测试

引言：电力行业经过长期发展和建设的浪潮，电网基本形成专有的建设模式，为了进一步增强电力自动化水平。需要基于配电网引用5G通信技术，满足电网自动化运行需求，推动业务自动化发展。在电力和能源领域，5G通信技术在电力网络安全的目标下，完成量子保密通信，实现遥信、遥测、遥控的自动化业务，提升系统安全，保证电力行业降本增效，解决以往存在的安全通信问题，切实推动配电网自动化、智能化发展。

一、量子安全通信在电力网络中应用思考

（一）电网发展现状研究

5G作为新一代的通信技术，在网络定制、网络部署等方面都有着较强的优势。将其应用于电力行业，能够满足电力行业超低时延、超高带宽等通信需求。5G网络与电力行业的融合，能够实现为电力物联网赋能，为电力系统提供实时的通信保障，实现电力配网精准调度。随着5G网络技术不断成熟，电力系统也在考虑将5G技术应用在数据传输过程中。但是传输过程中，难以保障数据传输安全。使得电力业务信息受到网络安全威胁，无法保证数据完整性。依靠传统的物理隔离、防控体系，难以抵御现有的网络攻击。因此，基于对电力业务的有效防护，量子加密这一理念诞生。通过利用5G网络建立电力系统量子通信技术，构建电网之间的安全网络，保证数据安全传输，提高系统安全性，实现5G+量子保密在电力系统中的应用。

（二）配电网络通信需求分析

5G技术的存在，为配电通信无线接入提供新的解决方案。通过采用分布式配电自动化，借助5G技术实现网络系统新突破。发挥技术的超低时延、超高带宽等优势，改变传统业务局面，满足更加多样化的业务需求。网络切片在5G技术的支撑下，改变传统作业模式，能够实现定制化业务设计，提升电网运行过程中，企业对网络的可控能力。

配电自动化是当前电力通信的需求，能够基于计算机管理，实现数据传输、控制住等一体化的管理系统。通过改进电能质量，提高供电可靠性。配电自动化能够减轻电力运行成本，实现三遥控制，及时恢复、下达遥控命令，为城市电力进行集中部署。5G通信超低时延，能够保护电力业务，为业务提供实施基础。基于5G计算技术，实现网络纵向部署，实时同步数据至保护设备，提高业务的可靠性。

随着分布式能源、储能装置等设施出现，对配电网安全提出更高要求。传统的配电网难以保障电网自愈需求，较多问题影响系统的灵敏性。采用分布式差动保护，提升系统灵敏度，实现保护装置之间快速通信。契合电力保护业务部署，为配网差动保护提供实施基础，为保护信号传输提供支撑，满足用户的用电需求。

二、通信终端设计方案

（一）关键应用技术

1.5G网络盘切片

网络切片是5G移动通信时代下的新技术，是一种灵活配置网络资源的存在。能够根据不同行业、场景、业务需求等，使用单一网络模拟业务通讯需求，模拟出逻辑子网，根据资源需求灵活定制和调配。5G网络架构包含的网络切片组合，能够基于管理系统对端网切片进行全生命周期管理。根据端到端的距离，使用软切片或是应切片，进行网络端口连接，有效配置各项参数。如图一所示，网络切片通过配置和调度的方式，对资源进行分配。通过网络拓扑资源，按照需求定制虚拟网络。包含多协议标签、虚拟专用网等等，在核心网使用网络须弥功能，于平台上进行网络切片定制，保障数据专享专用。

图一端到端的网络切片分类图

2.量子保密技术

量子通信则是基于量子论和信息令的新领域，研究过程中，量子保密通信技术以量子加密，保障电力网络通讯安全传输。为通信双方提供安全的通信传输通道[1]。量子信息的单元是量子比特，能够遵从量子力学规律，对信息进行编码、存储，有效对信息进行处理。量子保密通信技术是当前较为安全的技术，也是达到产业化水平的技术。该方法能够通过实时加密，保证通信传输无条件安全性。

三、量子安全加密5G技术在电网中的应用

（一）应用

1.设计方案

（1）量子加密+5G技术结合

近些年来，我国在量子通信技术研究方面，针对量子加密进行系统性研究，并推动技术实用化发展。基于光纤网络的量子密钥技术，能够覆盖一定范围为具有光纤网线的用户提供量子加密服务。量子加密后续的推广是技术应用的关键，提升无线通信系统安全，是电力数据业务传输安全关注的重要话题。

（2）基于5G网络的量子服务平台

基于现有的量子保密通信技术，构建量子服务平台，加大量子技术在通信领域的应用，满足各行业保密通信需求。量子密钥分发设备、量子随机数生成密钥分发网络，形成开放平台，为各个行业需要量子加密的业务提供服务。因此，根据量子密钥分发网络，将其应用在电力终端设备中，与5G网络相结合，构建安全服务平台。基于5G配电自动化实现快速定位和隔离恢复，量子安全服务同时生成系统，为前端提供量子密钥支撑[2]。

2.应用方案

（1）系统架构设计

基于5G的量子保密通信，其切片需要承载电力相业务，建立一体化的电网安全管理体系。量子保密与5G硬切片相结合，需要综合多个维度，针对性的进行设计。对整体系统架构设计时，考虑技术的能力定位。分析电力配电网应用以及设备类型，确定好带宽、时延、隔离等关键要素，针对生产控制区域和信息管理情况，对不同业务进行相应设计。整体系统架构以量子保密技术作为数据加密的关键技术，切实发挥5G技术解决配网通信的痛点问题。实现量子技术在数据端的安全加固，解决日益增长的数据安全问题。

（2）量子保密通信方案

为了实现电力配网量子秘钥距离安全分发，需要建立以量子密钥为平台的中心。基于客户机为载体，构建量子保密通信网络。传输方式上，采用量子密钥与区域供电收发系统端连接的模式，使用单芯裸光纤，结合链路保障量子保密通信的可行性。架构方面则是基于5G硬切片专网设计，专网主要优势在于能够将电力与其他行业的通信业务隔离，保证电力通信业务的独立性。还能够将电力生产控制和管理信息隔离。便于无线电接入网、承载网、核心网的接入设计。

图二 5G硬切片配网应用系统架构

接入时选择网络切片选择辅助（NSSAI）与终端建立切片信息，预先定义的切片，通过5G进行调度。针对电力业务高标准的隔离要求，采用预留技术，保证基站预留的资源充足，保障电力业务顺利开展。5G承载网在传统以太网的架构基础上，引入新的技术，对介质访问。应用过程中，配网业务数据进入基站，由数据合并使用、通道化等过程，将电力业务与其他业务进行物理隔离。验证量子安全网，需要使用量子设备与电力系统对接，根据量子安全网底层的以太网结构，保证设备正常对接。并基于量子通信在实际应用的中的量子比特误码率，根据信道衰减参数、误码率，验证量子通信系统在电网业务中应用的可行性[3]。

（二）测试

根据上述设计和应用方案，采用模拟试验的方式，基于应用数据进行无线终端（DTU）、业务自动化（FTU）测试。测试时，将DTU装置网口通过5G无线，与电网独立的主站系统连接。利用另一个端口与本地计算机连接，模拟主站做三遥控制，对比无线终端和模拟终端通信时间差，获取通信延时时间。计算机装置了主站软件，DTU通过无线连接至主站，对受到的通信数据分析，测试数据结果，以发生时间、后台收到时间、延时三个维度进行分析，对开关闭合、过流保护、接地告警等进行遥信测试。

（三）结果

1.DTU分析

对DTU进行测试时，需要分别进行三遥测试，保证不同测试的结果符合标准要求。将各项测试的延时结果与系统响应时间比对，检验测试结果是否达标。测试后，根据获得的数据，能够看出DTU三遥测试结果符合系统要求。能够将其深入应用在系统中，具体数据分析如表1所示。经过测试比对，遥信、遥测、遥控测试延时时间差均符合系统要求。

表1 遥信、遥控、遥测测试结果

2.FTU分析

FTU测试时，也是分别进行三遥测试，从而根据报文延时和系统响应时间比对，根据测试结果，验证是否符合系统应用标准。FTU测试需要基于现场的开关闭合、过流保护等动作进行测试，验证后台各项数据，对延时时间差计算。遥测测试则根据电流为例，对其数据分析。遥控测试利用5G+量子进行远程操控，按照系统执行和预置动作对比，根据动作时间比对，验证是否符合要求。经过一系列的测试比对，FTU的遥信、遥测、遥控延时时间差均符合要求。

（四）成果

通过对量子安全增强技术研究，将其与5G网络相融合，应用在电力系统终端。基于量子通信保密进行测试，实现对配电自动化，三遥业务的优化。通过5G配电自动化实现配电网高效保护，能够快速实现故障定位和隔离恢复。通信速率快，保证运行期间的精准控制，有效保障电力系统稳定运行[4]。

可以看出近些年来5G网络、量子通信技术的发展，为电力系统创新优化提供新的契机。不仅面向电力行业发展出5G+量子终端、5G+量子通信层，还能基于电力行业各项业务，提供针对性的服务保障。实现电网生产控制自动化，改变传统业务存在的通信难题。利用量子保密通信技术，不仅加强了技术的安全性，还能够提高无线通信强度，实现电力行业业务创新。量子加密通信，能够实现远程遥控管理，极大程度上提高了电力行业的工作效率。日后电力行业发展，还将面向输变电等业务领域持续探索，为电力生产控制、管理信息提供支撑服务。面向配电自动化、负荷控制等不同业务需求，逐步推出新的产品，用于电力行业规模化部署。使用切片通道和量子保密技术，为分区域网络接入通信提供保障，实现通信远程灵活接入，使任务更加高效便捷，推动电力系统创新发展，逐步实现各地电力业务数据在运营环境下的安全传输。

结论：综上所述，针对于电网运行通信安全问题，提出基于量子安全的电力5G配网终端，通过对电网进行自动化控制，增强通信安全。开发量子加密系统，构建安全服务平台，经过试点投入验证技术，符合现有通信传输要求，整体符合电力业务预期效果。试点范围内的通信系统有效节约成本，是基于电网业务的创新，值得在行业内进行推广。当前该技术应用还未能全国大面积推广，相信随着不断研发和探索，5G+量子通信终端，能够全面应用在电力行业中，完成规模化部署，助力新型电力系统建设。

参考文献：

[1]柴王军,巩紫豪,师浩轩等.数字技术赋能大型体育赛事碳中和的作用机理与实现路径[J].武汉体育学院学报,2023,57(10):12-21.

[2]陈凤仙,欧阳日辉,刘嘉瑞.元宇宙助推数字经济高质量发展的运行机理与实践路径[J/OL].新疆师范大学学报(哲学社会科学版):1-14[2023-10-26].

[3].福建省人民政府办公厅关于印发福建省新型基础设施建设三年行动计划(2023—2025年)的通知[J].福建省人民政府公报,2023(09):14-22.

[4]王鹏博,石润华.智能电网中支持用户追踪和撤销的轻量级访问控制方案[J/OL].小型微型计算机系统:1-12[2023-10-26].