5G+量子融合安全提升解決方案——面向能源領域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全構建
方案概述
電力行業(yè)是我國重要的工業(yè)領域之一，發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是電力行業(yè)數(shù)字化轉型的必然過程，根據(jù)工信部印發(fā)的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023 年）》的相關內容要求，電力行業(yè)將進一步加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展步伐，持續(xù)推動工業(yè)數(shù)字化轉型。安徽移動面向國網(wǎng)電力安徽公司虛擬電廠、配網(wǎng)保護等生產(chǎn)控制應用，建立5G電力專網(wǎng)，通過RB預留、Flexe硬切片、UPF下沉隔離、網(wǎng)絡邊界一體融合的安全防護體系等技術實現(xiàn)電力業(yè)務網(wǎng)絡承載層面數(shù)據(jù)安全隔離，結合應用層面量子加密系統(tǒng)融入5G專網(wǎng)通信體系，打造網(wǎng)業(yè)一體的電力網(wǎng)絡安全解決方案。
1.方案背景
2020年，中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集中學習，并寫入國家“十四五規(guī)劃”。2021年《國家電網(wǎng)公司能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃》要求，要通過建設堅強骨干網(wǎng)架、彈性靈活配電網(wǎng)、平臺云網(wǎng)融合等，構建能源互聯(lián)網(wǎng)安全防御體系，提高“雙高”“雙峰”背景下電網(wǎng)抗擾動能力和自愈能力，提升信息安全態(tài)勢感知能力和智能化、動態(tài)化網(wǎng)絡安全防護水平，實現(xiàn)更高水平的電力安全保障。2022年，國網(wǎng)“十四五數(shù)字化規(guī)劃”和“十四五”配電數(shù)字化建設應用工作方案，提出要探索研究量子加密技術在海量分布式新能源接入、“源網(wǎng)荷儲”高效互動、配電網(wǎng)等業(yè)務場景的應用。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設，海量分布式新能源并網(wǎng)接入，源網(wǎng)荷儲友好互動，對通信網(wǎng)絡的靈活接入、實時性、可靠性和安全性提出了更高要求。
2.方案簡介
方案通過5G專網(wǎng)+量子加密體系融合，基于5G專網(wǎng)技術，結合量子保密通信在5G通信通道加密、電力業(yè)務數(shù)據(jù)加密和身份認證、鑒權等方面的關鍵技術，攻關“5G+量子＋縱向加密認證技術”和“5G+量子＋橫向加密技術”，提出“5G+量子”方案，建設省級電力量子密鑰服務平臺，研發(fā)首臺5G量子縱向加密認證裝置、首個具有精準時間同步功能的5G量子橫向加密通信終端，將實時更新的量子密鑰融入電力二次安防體系，為5G承載不同電力業(yè)務提供定制化的保密服務，構建新型電力系統(tǒng)堅強護盾。
3.方案目標
以5G專網(wǎng)為承載基礎，結合5G承載電網(wǎng)調控業(yè)務的量子密鑰應用需求，遵循“統(tǒng)一量子密碼服務平臺+定制化密碼應用”的整體思路，積極貫徹落實國家“十四五”規(guī)劃量子科技戰(zhàn)略，建設具有差異化量子密鑰供給能力的量子密服平臺，研制涵蓋“5G+量子+縱向加密、橫向加密”兩款5G量子密鑰應用產(chǎn)品，通過將隨機性更強、更新頻率更高的量子密鑰引入5G通信通道加密和調控業(yè)務數(shù)據(jù)加密環(huán)節(jié)，提升5G承載電網(wǎng)調控類業(yè)務的安全水平。
方案實施概況
5G網(wǎng)絡引入網(wǎng)絡功能虛擬化、網(wǎng)絡切片、邊緣計算、網(wǎng)絡能力開放等關鍵技術，一定程度上帶來了新的安全威脅和風險，對數(shù)據(jù)保護、安全防護和運營部署等方面提出了更高要求。本方案通過建設5G專網(wǎng)安全防護體系，結合業(yè)務應用安全要求特點，將5G專網(wǎng)與電力應用加密網(wǎng)絡二網(wǎng)融合，建立面向業(yè)務的端到端安全防護體系。
1. 方案總體架構和主要內容
基于5G+AICDE，為安徽電力打造5G業(yè)務專網(wǎng)，形成網(wǎng)絡+業(yè)務的的一體化安全解決方案，以5G專網(wǎng)安全為基礎，設計了面向通道加密、身份認證、數(shù)據(jù)加密的差異化量子密鑰應用策略，設計了首套支持量子隨機數(shù)、多廠家多制式QKD密碼源，支持多種量子密碼應用策略，支持對外提供統(tǒng)一API接口的量子密碼服務平臺，并在國網(wǎng)安徽省電力公司統(tǒng)一部署，滿足不同電力業(yè)務的差異化量子密鑰應用需求。
圖2-1 安徽移動電力5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構
2. 網(wǎng)絡、平臺或安全互聯(lián)架構
（1）打造面向客戶的網(wǎng)絡安全方案
圍繞SDN、安全資源池、云安全管理平臺3大模塊，構建云化網(wǎng)絡防護能力，安全能力部署在UPF近源側，通過分流減壓縱深化檢、安全編排云邊協(xié)同、虛擬資源彈性伸縮多維度安全協(xié)同，為企業(yè)客戶打造專屬的安全解決方案，對企業(yè)網(wǎng)絡進行全流量安全監(jiān)控，保障園區(qū)資產(chǎn)的安全訪問與使用。
圖2-2 安徽移動電力5G專網(wǎng)網(wǎng)絡安全系統(tǒng)架構
（2）融合業(yè)務應用提升業(yè)務側安全能力
通過部署“5G+量子＋縱向加密認證技術”，使用支持5G通信、量子密鑰和縱向加密認證功能的5G量子縱向加密認證裝置，并在分布式新能源群調群控和虛擬電廠兩個業(yè)務場景開展業(yè)務安全部署。通過攻關“5G+量子＋橫向加密技術”，研發(fā)具有精準時間同步功能的5G量子橫向加密通信終端，并在配網(wǎng)保護業(yè)務場景落地使用。
圖2-3 安徽移動電力5G專網(wǎng)應用安全系統(tǒng)架構
3. 具體應用場景和安全應用模式
（1） 面向電力企業(yè)主網(wǎng)調控的“5G+量子縱向加密”安全應用
針對新型電力系統(tǒng)分布式新能源并網(wǎng)、“源網(wǎng)荷”友好互動、虛擬電廠等業(yè)務安全接入需求，在主站側對縱向加密認證裝置進行量子化升級，在終端側部署5G量子縱向加密認證裝置，基于5G專網(wǎng)安全的承載通道，利用量子密碼服務平臺實時分發(fā)和統(tǒng)一調度的量子密鑰構建縱向加密隧道，選取典型分布式新能源場站開展業(yè)務部署驗證，探索5G+量子加密技術在分布式新能源群調群控和虛擬電廠等主網(wǎng)調控業(yè)務中應用的可行性，為安全電網(wǎng)運行提供端到端一體化安全防護能力。
（2）面向電力企業(yè)配網(wǎng)調控的“5G+量子橫向加密”應用
針對配網(wǎng)差動保護業(yè)務安全提升需求，結合人工智能技術預測配網(wǎng)差動保護業(yè)務狀態(tài)，提出差異化的量子密鑰應用策略，通過具備精準時間同步功能的5G量子橫向加密通信終端，利用量子密碼服務平臺實時分發(fā)和統(tǒng)一調度的量子密鑰，構建量子加密隧道，實現(xiàn)對5G無線通道的加密，并選取典型的配網(wǎng)保護業(yè)務場景開展示范應用，驗證面向配網(wǎng)保護業(yè)務的5G與量子密鑰融合技術應用的可行性。
4. 安全及可靠性
（1）面向電力企業(yè)的5G網(wǎng)絡安全
面向電力企業(yè)業(yè)務場景，構建集5G安全自動化檢測、全業(yè)務/全通道數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、云安全自適應防護、AI智能化分析、安全編排與響應于一體的5G網(wǎng)絡安全整體防護能力，通過部署防火墻、IPS及WAF 3種安全組件，保障企業(yè)設備數(shù)據(jù)交換間的傳輸安全。
（2）面向應用場景的端到端業(yè)務安全
通過5G專網(wǎng)與量子加密技術融合，為電力配網(wǎng)保護、虛擬電廠等電力關鍵業(yè)務運營提供專屬的安全防護能力。
密碼隨機：密鑰隨機性由量子力學原理保證；
一次一密：量子密服平臺實時更新會話密鑰；
高頻更新：會話密鑰的更新頻率秒級可配置；
深度融合：5G網(wǎng)絡、量子加密與電力業(yè)務需求深度融合；
冗余備份：支持量子密鑰、經(jīng)典密鑰的無縫切換；
本方案安全方案經(jīng)驗證可滿足新型電力系統(tǒng)背景下主配網(wǎng)調控業(yè)務的大帶寬、高并發(fā)、低延時的差異化安全通信需求。
5. 其他亮點
國內首個電力行業(yè)專網(wǎng)安全應用，融合5G專網(wǎng)通信技術、量子加密技術，為電力企業(yè)對安全性要求較高的生產(chǎn)業(yè)務提供端到端安全保障。方案獲得第五屆“綻放杯”5G應用征集大賽智慧能源專題賽三等獎（支持新型電力系統(tǒng)的省域5G專網(wǎng)及示范應用）、2022年安徽省“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”十大創(chuàng)新應用（安徽國網(wǎng)新型城市5G智能電網(wǎng)繼電保護）。
下一步實施計劃
1. 主網(wǎng)調控業(yè)務場景推廣部署
在國網(wǎng)電力安徽公司信義6期10kV光伏站點開展分布式新能源群調群控應用示范，在蔚來換電站開展虛擬電廠應用示范，進一步驗證“5G+量子縱向加密認證”技術，制定全省推廣計劃，通過5G專網(wǎng)二期方案逐步分地市進行全覆蓋。
2. 配網(wǎng)保護業(yè)務場景推廣部署
一期通過5G專網(wǎng)覆蓋區(qū)域，在合肥城區(qū)部分開閉所開展配網(wǎng)保護業(yè)務5G+量子加密全場景覆蓋測試，驗證“5G+量子+橫向加密”技術，制定全省推廣計劃，通過5G專網(wǎng)二期方案逐步分地市進行全覆蓋。
方案創(chuàng)新點和實施效果
1. 方案先進性及創(chuàng)新點
（1）方案研發(fā)了首臺支持電力專用加密算法和國調證書體系的5G量子縱向加密認證裝置，可實現(xiàn)分布式新能源群調群控業(yè)務安全接入調度自動化系統(tǒng)進行遠程控制，提升分布式新能源廠站信息無線接入的安全性，解決部分新能源廠站光纜未覆蓋、重要信息無線傳輸不安全的問題。
（2）方案研發(fā)了首臺支持高精度授時技術、電力專用算法的5G量子橫向加密網(wǎng)關，可接入配網(wǎng)差動保護等典型業(yè)務，提升配網(wǎng)保護業(yè)務的無線接入安全性，大幅縮短配電網(wǎng)故障隔離時間。
（3）方案通過采用的隨機性更好、更新頻率更高的量子密鑰，在5G網(wǎng)絡基礎上構建電力專用量子加密隧道，大幅提升了主配網(wǎng)控制類業(yè)務的安全性。
2. 實施效果
（1）助力電力企業(yè)5G承載電網(wǎng)調控業(yè)務安全提升
關鍵技術設備國產(chǎn)化
量子密鑰生成設備、調度設備和應用設備均已實現(xiàn)全國產(chǎn)化，推動了量子科技進步和實用化水平，進一步提升了5G承載電網(wǎng)調控業(yè)務的安全性，保證業(yè)務接入、承載、安全及端到端的自主管控。
具有良好地社會效益
通過將5G通信、量子密碼技術、電網(wǎng)調控業(yè)務深度融合，構建了一道安全可靠的電力應用網(wǎng)絡，有效的解決電力智慧系統(tǒng)的安全和接入的問題，助力電力企業(yè)數(shù)字化轉型，增強供電可靠性。
（2）形成了可復制、可推廣的“5G+量子+調控業(yè)務安全提升”典型方案
設計了“5G專網(wǎng)+應用安全”的整體安全解決方案架構，在5G專網(wǎng)基礎上，建設量子密碼服務平臺，支持光纖QKD、量子隨機數(shù)、量子衛(wèi)星密鑰源，支持量子密鑰的生成、統(tǒng)一管理和靈活調度；在應用側，針對不同調控業(yè)務場景，提出了涵蓋“5G+量子+縱向加密”“5G+量子+橫向加密”的主配網(wǎng)安全提升整體解決方案，部署5G+量子加密定制化裝置，融入現(xiàn)有安全防護體系，構建量子加密通道實現(xiàn)主配網(wǎng)調控業(yè)務安全提升，為“5G+量子”技術在電網(wǎng)調控領域的應用提供了重要參考。
單位基本信息
本方案由中國移動通信集團有限公司信息安全管理與運行中心牽頭。2011年11月，中國移動通信集團有限公司信息安全管理與運行中心成立（以下簡稱“信安中心”），具備“管理+生產(chǎn)”雙重職能，負責歸口信息安全管理與不良信息治理，開展不良信息集中治理與信息安全集中運營。2018年8月，集團成立中國移動網(wǎng)絡安全領導小組，領導小組辦公室設在我中心，負責集團網(wǎng)絡安全相關工作統(tǒng)籌和協(xié)調。信安中心深入學習貫徹習近平總書記關于網(wǎng)信工作的重要指示精神，以建設網(wǎng)絡強國為己任，工作范圍覆蓋終端安全、網(wǎng)絡安全、應用安全、業(yè)務安全、內容安全等多領域，形成了全國“一盤棋”的工作格局，相關工作整體能力與水平始終保持行業(yè)領先。近年來，信安中心在開展網(wǎng)絡安全重保、防范打擊電信詐騙、組織網(wǎng)絡安全攻防競賽、開展網(wǎng)絡安全研發(fā)等方面卓有成效。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，特別成立了專門的研發(fā)中心，開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全防護解決方案的研制和推廣。
中國移動通信集團安徽有限公司作為本次方案聯(lián)合申報單位，下轄16個市分公司、64個縣（市）分公司及1個全資子公司，擁有各類員工16700余人。公司以滿意服務為宗旨，以創(chuàng)無限通信世界，做信息社會棟梁為使命，全面實施服務與業(yè)務領先戰(zhàn)略，努力為安徽經(jīng)濟的騰飛服務。中國移動安徽公司自成立以來，運營收入平均增速達20%，成為區(qū)域主導通信運營企業(yè)。2002年上市以來，累計上繳中央和地方稅收達119億元。移動通信網(wǎng)絡已全面覆蓋全省各市、縣、鄉(xiāng)、村。中國移動安徽公司大力推進行業(yè)應用，助推政府和企業(yè)信息化建設。公司一直致力于以移動信息化助推當?shù)?/span>經(jīng)濟社會發(fā)展。企業(yè)發(fā)展不忘回報，積極開展教育扶貧、捐資助學，支持農村教育、科技和文化事業(yè)發(fā)展。公司近年的發(fā)展得到了社會各界充分肯定，先后獲得“全國五一勞動獎狀”、“中央企業(yè)先進集體”、“全國履行社會責任貢獻突出獎”、“全國通信行業(yè)用戶滿意企業(yè)”、國家級“誠信維權單位”、“全國優(yōu)秀外商投資企業(yè)”、“全國內部審計先進單位”、“全省外商投資經(jīng)濟效益先進企業(yè)、經(jīng)濟效益最好企業(yè)”、“全省模范勞動關系和諧企業(yè)”等榮譽稱號。
國網(wǎng)安徽省電力有限公司信息通信分公司于2010年3月成立，是國網(wǎng)安徽電力的信息通信業(yè)務支撐機構，承擔信息通信系統(tǒng)的建設與運行維護工作。主要負責安徽省境內一二三四級骨干通信網(wǎng)的運行監(jiān)視和三四級骨干通信網(wǎng)的調度指揮，承擔500kV及以上變電站通信系統(tǒng)運維檢修和工程建設。負責省公司信息通信機房的建設與運維工作，承擔主機、存儲及網(wǎng)絡設備的日常運維工作，負責省級集中部署業(yè)務應用系統(tǒng)的建設和運維工作。承擔省公司數(shù)據(jù)中臺建設運營和數(shù)據(jù)價值挖掘應用等工作。負責網(wǎng)絡與信息安全保障工作，承擔網(wǎng)絡保密檢查監(jiān)測中心、商用密碼服務中心日常運營工作。
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