CN117376404A - 基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，属于量子通信技术领域，其包括站控层交换机、监控主机、第一时间同步器和无线量子安全网关，上述部件通过站控层网络连接，并实现数据交换，所述无线量子安全网关连接有多个量子CPE，所述量子CPE通过交换器、协议网关与远动机连接，所述量子CPE连接有第二时间同步器，所述第一时间同步器与第二时间同步器通过GPS主时钟实现时间同步，所述无线量子安全网关与量子CPE之间通过公网远程传输结构进行通信。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别涉及一种基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构。
背景技术
现有的光纤通信为主的电力通信网络存在覆盖深度不够、便捷性不足、网络运维与扩展困难的问题，难以满足变电站庞大繁杂的感知、交互、数据处理的需求，而随着电网规模和变电设备数量的不断增大，设备监控强度不足、运维管理细度不足、支撑保障能力不足等问题日益凸显。租用无线公网组网方便快捷、接入方式简便、初期投资小，有效适配电力行业提出的多样化的业务需求，可作为电力通信“最后一公里”网络建设的必要补充，但电力业务数据公网承载存在更大的安全性风险。
基于此，迫切需要探索基于无线公网的高效、灵活的变电站通信方案，同时以量子保密通信技术为基础，设计公网通信保密策略，构建“无线公网+量子加密”变电站通信架构，拓展变电站通信技术发展空间，提高通信网络的可靠性、易扩展性与可维护性，提升网络的综合业务接入与处理能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，通过智能变电站自动化业务无线接入与远传架构，并与低时延安全服务基础网络与无线公网融合构建变电站通信网架构架，实现变电站系统的数据的安全稳定的通信与使用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，包括站控层交换机、监控主机、第一时间同步器和无线量子安全网关，上述部件通过站控层网络连接，并实现数据交换，所述无线量子安全网关连接有多个量子CPE，所述量子 CPE通过交换器、协议网关与远动机连接，所述量子CPE连接有第二时间同步器，所述第一时间同步器与第二时间同步器通过GPS主时钟实现时间同步，所述无线量子安全网关与量子CPE之间通过公网远程传输结构进行通信。
进一步的，所述站控层网络连接有通信网关机和量子加密CPE模块，所述量子加密CPE模块与电力调度数据网或调控主站通过公网远程传输结构进行通信。
进一步的，所述电力调度数据网或调控主站布置有第三时间同步器，所述第三时间同步器通过GPS主时钟，并实现与第一时间同步器和第二时间同步器的时间同步。
进一步的，所述通信网关机和量子加密CPE模块与站控层网络之间布置有正反向隔离装置。
进一步的，所述通信网关机和量子加密CPE模块与站控层网络之间布置有纵密装置。
基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，包括
S1：第一时间同步器、第二时间同步器和第三时间同步器通过GPS主时钟实现时间同步，并获取当前时间值；
S2：电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE获取同一电力网段内的实时电压值；
S3：将所述实时电压值进行加密处理，并将加密后的密文加上当前时间值的时间戳，并形成量子加密通信的握手密文；
S4：所述通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE之间通过向两两向对方传递握手密文；
S5：所述通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE收到对方的握手密文，通过反向解密，并通过校对当前时间值与实时电压值，当两者匹配时，与之握手，并建立信任通信；
S6：无线量子安全网关、通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE通过量子加密与解密的方式，并通过公网远程传输结构实现通信。
进一步的，在步骤S2中，电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE获取同一电力网段内的实时电压值、实时频率值和实时功率值。
进一步的，在步骤S3中，电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE选择实时电压值、实时频率值和实时功率值中的至少两个进行加密处理。
进一步的，在步骤S3中，通过采用Hash算法或DES算法进行加密处理。
进一步的，在步骤S5中，当两者不匹配时，记录不匹配的数量值，当数量值大于设定值时，给予异常提示。
采用本方案，对比现有技术，具有以下好处：
本方案通过变电站站内、站域自动化业务的高实时、高可靠、高安全的统一承载，遵循“无线公网+量子加密”的技术路线，量子安全服务方案以及无线公网与量子加密认证技术融合架构，实现变电站业务与无线通信技术集成；
本方案基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，通过调研与分析站内与站域自动化业务带宽与数据流向，通过提高可靠性和加密认证保障的方式来优化无线公网接入与网络优化的配置技术；
同时本方案基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，主体采用变电站及同一网段可以获取的实时电压值、实时频率值和实时功率值，作为基础数据（该数据各个端口可以获取，并且其在实时发生变化，并且外部无法获取的特点）来进行加密处理，并通过增加时间戳的方式，并形成量子加密通信的握手密文，进而实现量子加密设备之间的通信基础，从而确保量子加密设备时间通信的信任基础，具有效能高和安全性好的特点，可以为全面的量子加密的数据通信提供支撑，进而能确保整个变电站数据交换的安全性和稳定性。并研究其与无线公网融合架构。
附图说明
图1为变电站自动化业务无线公网承载架构示意图。
图2为低延时安全服务基础网络与无线公网融合示意图。
图3为安全构架融合示意图。
图4为典型的变电站无线公网与量子加密构网络架构示意图。
具体实施方式
本方案的初衷是提供一种安全高效的通信解决方案，以实现变电站内外的信息传输与交换。本方案架构基于无线公网和量子加密技术，通过合理布局无线公网来实现变电站内部设备与外部通信网络的安全连接，从而减少传统网络结构的布置，减少传统网络的使用风险，并在变电站的扩容或调整时，可以快速进行扩张和连接；同时利用量子加密技术，实现数据交换的低延时、高吞吐和高安全运作，最终确保数据链传输的安全可靠，为变电站及整个电网的有序稳定可控的运行提供支持。
参考图1至图4，基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，包括站控层交换机、监控主机、第一时间同步器和无线量子安全网关，上述部件通过站控层网络连接，并实现数据交换；站控层网络包含自动化系统、站域控制系统、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或多个一次设备的测量和控制功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能，站控层功能应高度集成，可在一台计算机或嵌入式装置实现，也可分布在多台计算机或嵌入式装置中。
无线量子安全网关连接有多个量子CPE（CustomerPremises Equipment 客户端设备），量子 CPE通过交换器、协议网关与远动机连接；远动机，通俗的说就是“远方动作机器”，是一种物联网通讯设备，电网中有一些电厂或者变电所内的设备，电网调度侧也应当能够监视或者控制，在变电站中通过装设在两端的远动机将信号调制下载，可以在变电设备与供电管理部门之间传输信号，以方便供电管理部门监控变电设备的运行，故量子CPE通过交换器、协议网关和远动机能够彼此接收或发送数据，进而通过远动机控制和管理各种变电站终端设备。
量子CPE连接有第二时间同步器，所述第一时间同步器与第二时间同步器通过GPS主时钟实现时间同步，时间同步器可以接收GPS卫星或者我国的北斗卫星信号，通过卫星授时信号主板处理后，可以标准时间信号，本方案中，第一时间同步器和第二时间同步器能够确保两者的毫米级时间同步，并且具有自我校对功能，确保长时间使用的时间同步功能。
无线量子安全网关与量子CPE之间通过公网远程传输结构进行通信，该公用网络可以泛指为网络服务提供商建设，供公共用户使用的通信网络，也可以特指为如移动或电信所提供的4G或5G无线网络。
站控层网络连接有通信网关机和量子加密CPE模块，该量子加密CPE模块与电力调度数据网或调控主站通过公网远程传输结构进行通信，故电力调度数据网或调控主站通过量子加密CPE模块及通信网关机和站控层网络，可以实现数据通信，进而实现信息互动、管理或控制的操作。
同时为了实现电力调度数据网或调控主站与量子加密CPE模块之间更快捷更安全的通信，在电力调度数据网或调控主站布置有第三时间同步器，第三时间同步器也通过GPS主时钟，并实现与第一时间同步器和第二时间同步器的时间同步。
为了提高通信的安全性，依据相关配套文件，所述通信网关机和量子加密CPE模块与站控层网络之间布置有正反向隔离装置和纵密装置，由于场站必须加强户外就地采集终端的物理防护，强化就地采集终端的通信安全；站控系统与终端之间网络通信部署加密认证装置，实现身份认证、数据加密、访问控制等安全措施，从而强化站控系统与风机、光伏发电单元的就地控制终端之间的通信安全。
本方案的另一内容是基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，包括
S1：第一时间同步器、第二时间同步器和第三时间同步器通过GPS主时钟实现毫米级时间同步，并获取当前时间值；
S2：电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE获取同一电力网段内的实时电压值；
S3：将所述实时电压值进行加密处理，并将加密后的密文加上当前时间值的时间戳，并形成量子加密通信的握手密文；
S4：所述通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE之间通过向两两向对方传递握手密文；
S5：所述通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE收到对方的握手密文，通过反向解密，并通过校对当前时间值与实时电压值，当两者匹配时，与之握手，并建立信任通信；
当两者不匹配时，记录不匹配的数量值，当数量值大于设定值时，给予异常提示，必要时对该点对点进行通信中断操作；
S6：无线量子安全网关、通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE通过量子加密与解密的方式，并通过公网远程传输结构实现通信。
具体的说，同一电力网段，比如10KV的同一网段，其实时电压值、实时频率值和实时功率值是在波动运行的，以电压值为例，10KV的变电站结构中，允许其在±5%的值范围内波动，实际的说，变电站在工作时，其电压值允许在10.05-10.5Kv之间波动，故通常来说实时电压值是一个极为精准的小数，比如10.4556Kv，并且在实时电压值在该网段的前端和后端均保持一致，或者说通过变压器及网段设备可以推导并精确获取；故在在步骤S2中，电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE能够获取同一电力网段内的实时电压值、实时频率值和实时功率值。
故在步骤S3中，电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE选择实时电压值、实时频率值和实时功率值中的至少两个进行加密处理，并通过采用Hash算法或DES算法进行加密处理。
其中，hash算法是将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值，这个小的二进制值称为哈希值；而DES算法设计中使用了分组密码设计的两个原则：混淆（confusion）和扩散(diffusion)，其目的是抗击敌手对密码系统的统计分析。混淆是使密文的统计特性与密钥的取值之间的关系尽可能复杂化，以使密钥和明文以及密文之间的依赖性对密码分析者来说是无法利用的。扩散的作用就是将每一位明文的影响尽可能迅速地作用到较多的输出密文位中，以便在大量的密文中消除明文的统计结构，并且使每一位密钥的影响尽可能迅速地扩展到较多的密文位中，以防对密钥进行逐段破译。
由于实时电压值、实时频率值和实时功率值具有时刻发生变化的特点，并且能够在同一网段内同时能够精确获取，并且外部设备无法进行获取的典型特点，故其特别适合作为加密通信的秘钥或通信握手使用，同时采用实时电压值、实时频率值和实时功率值特定的一个、两个或三个进行组合（该组合方式可以在每次报送时，进行选择性变动操作），并增加加密处理，可以使外部及时截取秘钥文本，也无法进行反向破译会推导，可以大大提供秘钥交换的安全性，同时由于网段的各段均可以对应获取实时电压值、实时频率值和实时功率值，当设备收到秘钥后，进行解密处理并与对应的实时电压值、实时频率值或实时功率值比对时，不仅方便，而且也能够大大减低比对操作的数据处理量，进而提高系统效能。
故最终无线量子安全网关、通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE通过本握手方式进行信任通信，后通过量子加密与解密的方式，并通过公网远程传输结构的实现通信。
综上所述，本方案通过变电站站内、站域自动化业务的高实时、高可靠、高安全的统一承载，遵循“无线公网+量子加密”的技术路线，量子安全服务方案以及无线公网与量子加密认证技术融合架构，实现变电站业务与无线通信技术集成；
本方案基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，通过调研与分析站内与站域自动化业务带宽与数据流向，通过提高可靠性和加密认证保障的方式来优化无线公网接入与网络优化的配置技术；
同时本方案基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，主体采用变电站及同一网段可以获取的实时电压值、实时频率值和实时功率值，作为基础数据（该数据各个端口可以获取，并且其在实时发生变化，并且外部无法获取的特点）来进行加密处理，并通过增加时间戳的方式，并形成量子加密通信的握手密文，进而实现量子加密设备之间的通信基础，从而确保量子加密设备时间通信的信任基础，具有效能高和安全性好的特点，可以为全面的量子加密的数据通信提供支撑，进而能确保整个变电站数据交换的安全性和稳定性。
Claims (10)
1.基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，其特征在于：包括站控层交换机、监控主机、第一时间同步器和无线量子安全网关，上述部件通过站控层网络连接，并实现数据交换，所述无线量子安全网关连接有多个量子CPE，所述量子 CPE通过交换器、协议网关与远动机连接，所述量子CPE连接有第二时间同步器，所述第一时间同步器与第二时间同步器通过GPS主时钟实现时间同步，所述无线量子安全网关与量子CPE之间通过公网远程传输结构进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，其特征在于：所述站控层网络连接有通信网关机和量子加密CPE模块，所述量子加密CPE模块与电力调度数据网或调控主站通过公网远程传输结构进行通信。
3.根据权利要求2所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，其特征在于：所述电力调度数据网或调控主站布置有第三时间同步器，所述第三时间同步器通过GPS主时钟，并实现与第一时间同步器和第二时间同步器的时间同步。
4.根据权利要求1所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，其特征在于：所述通信网关机和量子加密CPE模块与站控层网络之间布置有正反向隔离装置。
5.根据权利要求1所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信网架架构，其特征在于：所述通信网关机和量子加密CPE模块与站控层网络之间布置有纵密装置。
6.基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，其特征在于：包括
S1：第一时间同步器、第二时间同步器和第三时间同步器通过GPS主时钟实现时间同步，并获取当前时间值；
S2：电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE获取同一电力网段内的实时电压值；
S3：将所述实时电压值进行加密处理，并将加密后的密文加上当前时间值的时间戳，并形成量子加密通信的握手密文；
S4：所述通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE之间通过向两两向对方传递握手密文；
S5：所述通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE收到对方的握手密文，通过反向解密，并通过校对当前时间值与实时电压值，当两者匹配时，与之握手，并建立信任通信；
S6：无线量子安全网关、通信网关机、量子加密CPE模块与量子CPE通过量子加密与解密的方式，并通过公网远程传输结构实现通信。
7.根据权利要求6所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，其特征在于：在步骤S2中，电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE获取同一电力网段内的实时电压值、实时频率值和实时功率值。
8.根据权利要求7所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，其特征在于：在步骤S3中，电力调度数据网或调控主站和监控主机以及量子CPE选择实时电压值、实时频率值和实时功率值中的至少两个进行加密处理。
9.根据权利要求6所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，其特征在于：在步骤S3中，通过采用Hash算法或DES算法进行加密处理。
10.根据权利要求6所述的基于无线公网与量子加密的变电站通信量子加密的通信方法，其特征在于：在步骤S5中，当两者不匹配时，记录不匹配的数量值，当数量值大于设定值时，给予异常提示。
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