張 泰，楊 雪，汪曉帆

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司眉山供電公司，四川 眉山 620010)

0 引 言

配電網(wǎng)是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著保障國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活質(zhì)量的重要使命。當(dāng)前，隨著分布式電源、柔性負(fù)荷大量接入以及供需互動(dòng)用電不斷深入，配電網(wǎng)的故障特性發(fā)生了顯著改變，給配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，配電網(wǎng)分布廣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、中性點(diǎn)接地方式多樣，發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)查找、隔離與恢復(fù)極為困難，如不能及時(shí)排除，將威脅人身及設(shè)備安全，甚至引發(fā)大面積停電事故。

隨著配電網(wǎng)逐漸往主動(dòng)配電網(wǎng)過渡[1-3]，新的構(gòu)建模式使得配電網(wǎng)的運(yùn)行面臨新的挑戰(zhàn)：1)分布式電源的引入將電網(wǎng)由單端輻射型網(wǎng)絡(luò)變成了多源異構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)可能面臨傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)失去選擇性和靈敏性降低的風(fēng)險(xiǎn)；2)分布式電源類型復(fù)雜，短路電流難以準(zhǔn)確計(jì)算，傳統(tǒng)三段保護(hù)之間的級(jí)差配合困難；3)當(dāng)變電站出線斷路器跳閘，將導(dǎo)致后級(jí)多條線路均被納入故障停電范圍；4)故障發(fā)生后，當(dāng)前恢復(fù)送電策略使恢復(fù)供電時(shí)間較長。因此，傳統(tǒng)的過流保護(hù)作為配電網(wǎng)線路的主保護(hù)存在無法兼顧快速性和選擇性要求以及定值困難等問題，其誘發(fā)越級(jí)跳閘和大范圍停電事件的風(fēng)險(xiǎn)越來越高，難以滿足用戶對(duì)供電可靠性不斷提高的要求。配電網(wǎng)差動(dòng)與區(qū)域保護(hù)具有可以實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間的快速定位與隔離、定值易整定等優(yōu)點(diǎn)，但光纖通信敷設(shè)的縱聯(lián)通道方案，存在成本高、難度大、通道利用率低等問題，無法適應(yīng)分布式電源日益增多的接入電網(wǎng)需求。

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)推進(jìn)，大量電廠、電網(wǎng)、用電側(cè)的設(shè)備接入國家電網(wǎng)公司網(wǎng)絡(luò)。在主網(wǎng)通信接入網(wǎng)建設(shè)方面，主要依賴光纖組網(wǎng)方式滿足保護(hù)、安控等控制類業(yè)務(wù)的通信傳輸需求。在配電網(wǎng)的通信建設(shè)方面，在A+、A類供電區(qū)域，為確保電力的可靠供應(yīng)，與之配套的電力通信網(wǎng)往往采用光纖專網(wǎng)的方式進(jìn)行，但建設(shè)成本居高不下，運(yùn)行維護(hù)壓力巨大，無法滿足配電網(wǎng)對(duì)通信傳輸可靠性的要求。此外，A+、A類供區(qū)，城市建設(shè)快、市政施工頻繁導(dǎo)致配電網(wǎng)引起的光纖中斷后無法快速恢復(fù)，配電網(wǎng)自動(dòng)化只能采用盲調(diào)方式，嚴(yán)重制約配電網(wǎng)自動(dòng)化的運(yùn)行效率。隨著配電自動(dòng)化的建設(shè)推進(jìn)，在B、C、D類供電區(qū)域，如果仍然采用光纖專網(wǎng)的方式將給公司帶來巨大的經(jīng)營壓力，組網(wǎng)及維護(hù)成本過高等問題始終難于解決。

2019年6月6日，工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電四家運(yùn)營商發(fā)放5G商用牌照，這標(biāo)志著中國正式進(jìn)入5G商用元年。5G技術(shù)的低時(shí)延、高可靠、海量連接特征，與國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)狀態(tài)全息感知、數(shù)據(jù)全面連接、業(yè)務(wù)全程在線、服務(wù)全新體驗(yàn)的“能源互聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)目標(biāo)高度吻合。5G主要在4G技術(shù)體系基礎(chǔ)上的終端接入速率、基站終端連接容量和業(yè)務(wù)基礎(chǔ)時(shí)延方面顯著提升，在電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景[4-6]包括：1)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(enhanced mobile broadband，eMBB)，在人口密集區(qū)為用戶提供1 Gbps用戶體驗(yàn)速率和10 Gbps峰值速率，較4G接入速率提升10倍，適用于高清視頻監(jiān)控、無人機(jī)巡檢、維修培訓(xùn)等對(duì)帶寬的需求非常高的業(yè)務(wù)。2)超高可靠與低延遲的通信(ultra reliable low latency communications，URLLC)，提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證，適用于配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)控制等對(duì)時(shí)延的要求高的業(yè)務(wù)。3)大規(guī)模機(jī)器類通信(massive machine type of communication，mMTC)，提供具備超千億網(wǎng)絡(luò)連接支持能力，適用于電網(wǎng)信息的采集、狀態(tài)檢測(cè)等海量連接和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場(chǎng)景。此外，5G通信技術(shù)具有高帶寬、低時(shí)延及安全可靠的特點(diǎn)，可以滿足配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)與區(qū)域保護(hù)縱聯(lián)通道數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的要求。利用5G通信技術(shù)承載配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)通道，可在較低成本投入下實(shí)現(xiàn)保護(hù)快速準(zhǔn)確動(dòng)作，并兼顧保護(hù)間的優(yōu)化配合，可快速隔離故障區(qū)間，最大程度縮小故障停電范圍和停電時(shí)間。

1 基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)架構(gòu)

目前，配電網(wǎng)保護(hù)可采用過流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)和基于GOOSE的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔Ｗo(hù)，主流方式仍然是采用基于過流速斷的級(jí)差保護(hù)機(jī)制，均通過光纖連接實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，尚無10 kV線路站內(nèi)開關(guān)過流I段設(shè)置級(jí)差的最佳方案，10 kV城網(wǎng)線路無法實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的快速和最小范圍隔離。隨著配電網(wǎng)絡(luò)不斷延伸擴(kuò)容、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，過流保護(hù)定值在復(fù)雜配電網(wǎng)配合困難、選擇性差、速動(dòng)性差的問題日益凸顯。此外，配電通信網(wǎng)覆蓋范圍大，覆蓋終端數(shù)量多，大量設(shè)備安裝于戶外，運(yùn)行情況復(fù)雜，光纖通信線路受市政施工破壞嚴(yán)重，使用缺陷量大，缺陷處理任務(wù)繁重。且由于10 kV配電網(wǎng)新投入運(yùn)行時(shí)異動(dòng)量較大，導(dǎo)致相應(yīng)的通信接入網(wǎng)頻繁變動(dòng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響大，光纖敷設(shè)難度大且成本高?；?G承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，且是踐行國家數(shù)字新基建的具體舉措。

配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)試點(diǎn)工程架構(gòu)如圖1所示，在保留原過流保護(hù)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了10 kV相關(guān)5G差動(dòng)保護(hù)設(shè)備，包括5G保護(hù)裝置(實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)及相關(guān)配電網(wǎng)自動(dòng)化功能)、客戶端前置設(shè)備(customer premise equipment，CPE，實(shí)現(xiàn)通道5G數(shù)據(jù)的收發(fā)傳輸)、對(duì)時(shí)裝置(接受北斗/GPS衛(wèi)星對(duì)時(shí)，輔助兩側(cè)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)采樣同步)，并采用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(本次試點(diǎn)工程采用移動(dòng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò))。

圖1 基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)架構(gòu)

2 基于5G的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)安全概述

2.1 5G技術(shù)的安全挑戰(zhàn)[7-8]

相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G不僅要考慮語音和數(shù)據(jù)的安全性，更要考慮萬物互聯(lián)場(chǎng)景下垂直行業(yè)的應(yīng)用安全。此外，面對(duì)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(如4G、WiFi等)和設(shè)備的接入，5G相較于過往的移動(dòng)通信技術(shù)具有新的安全挑戰(zhàn)。

首先是新的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的安全，5G的三大場(chǎng)景對(duì)安全的要求不同。在eMBB場(chǎng)景下，AR/VR的安全和行業(yè)應(yīng)用安全不同；在mMTC場(chǎng)景下，存在設(shè)備認(rèn)證成本高、易產(chǎn)生信令風(fēng)暴的問題，需要群組認(rèn)證機(jī)制，此外，考慮到設(shè)備的能耗，應(yīng)該設(shè)計(jì)輕量級(jí)的安全算法和簡單高效的安全協(xié)議；在uRLLC場(chǎng)景下，必須考慮時(shí)延和安全開銷的折中，并需要考慮計(jì)入身份認(rèn)證的時(shí)延、數(shù)據(jù)安全保護(hù)引入的時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加解密引入的時(shí)延和安全上下文切換引入的時(shí)延等。

其次，作為5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)(service based architecture，SBA)，必然引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network,SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network functions virtualization,NFV)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其功能，這與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中依賴設(shè)備隔離的安全防護(hù)方式截然不同，如NFV中虛擬化管理層的安全問題,因此存在SDN控制網(wǎng)元和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的安全隔離和管理問題等；再者，網(wǎng)絡(luò)切片被認(rèn)為是5G保障安全的有力手段，但切片之間的安全隔離、虛擬網(wǎng)絡(luò)的安全部署和管理問題也需要重點(diǎn)考慮；網(wǎng)絡(luò)開放功能，需要核心網(wǎng)與第三方網(wǎng)元以及核心網(wǎng)元之間支持更高更靈活的安全能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)簽發(fā)、發(fā)布和每用戶每服務(wù)都有安全通道。

此外，各種接入技術(shù)有不同的安全要求，對(duì)隱私的保護(hù)程度也不同，用戶數(shù)據(jù)可能穿越不同接入網(wǎng)絡(luò)和廠商提供的功能網(wǎng)絡(luò)實(shí)體散布在網(wǎng)絡(luò)各處，通過數(shù)據(jù)挖掘可能分析出更多用戶隱私。4G已經(jīng)暴露出泄露用戶身份標(biāo)識(shí)(IMSI)的漏洞，因此5G網(wǎng)絡(luò)需要通過加強(qiáng)的安全機(jī)制對(duì)用戶身份進(jìn)行隱私保護(hù)。

2.2 5G安全機(jī)制分析[9-11]

為應(yīng)對(duì)上述安全挑戰(zhàn)，5G網(wǎng)絡(luò)使用多種技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)具備新的安全能力。

2.2.1 保護(hù)用戶設(shè)備(UE)與網(wǎng)絡(luò)之間的通信

1)獨(dú)立組網(wǎng)(standalone,SA)安全：通過PDCP(packet data convergence protocol),分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議)保護(hù)UE和gNB(5G基站)之間的控制面和用戶面數(shù)據(jù)。

2)非獨(dú)立組網(wǎng)(non-standalone,NSA)安全：通過NSA-MM(移動(dòng)性管理)保護(hù)用戶和AMF(接入和移動(dòng)管理功能)之間的NSA信令。

2.2.2 保護(hù)公共陸地移動(dòng)網(wǎng)(public land mobile network,PLMN)內(nèi)部網(wǎng)元的通信

1)回傳保護(hù)。

2)核心網(wǎng)保護(hù)。

3)接入認(rèn)證。

4)偽基站檢測(cè)和防護(hù)機(jī)制。

2.2.3 保護(hù)網(wǎng)絡(luò)之間的通信

1)運(yùn)營商互聯(lián)安全。

2)多層次切片安全：包括UE和切片間、切片內(nèi)外NF(網(wǎng)絡(luò)功能)間安全、切片內(nèi)NF間安全。

2.2.4 向應(yīng)用提供5G安全能力

1)統(tǒng)一認(rèn)證框架(EAP)，適配多種安全憑證和認(rèn)證方式，并且認(rèn)證能力開放(AKMA)能為第三方提供認(rèn)證服務(wù)和安全通道。

2)二次認(rèn)證，即在用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)所做認(rèn)證(被稱為“主認(rèn)證”)之后為接入特定業(yè)務(wù)建立數(shù)據(jù)通道而進(jìn)行的認(rèn)證。例如，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)用于為高保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供通信時(shí)，用戶通過接入認(rèn)證后并不能直接與業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立連接，而是利用業(yè)務(wù)相關(guān)的信任憑據(jù)與用戶終端進(jìn)行認(rèn)證，并在認(rèn)證通過的情況下才允許5G網(wǎng)絡(luò)為用戶建立與業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的通信鏈路。二次認(rèn)證的實(shí)質(zhì)是為構(gòu)建在5G網(wǎng)絡(luò)之上的第三方應(yīng)用提供“5G接入認(rèn)證+第三方應(yīng)用認(rèn)證”的雙重認(rèn)證機(jī)制，從而提升應(yīng)用的接入安全性。

3)應(yīng)用認(rèn)證與密鑰管理，通過用戶身份SUPI加密，提升隱私保護(hù)能力，其對(duì)稱算法密鑰長度延長至256 bit；

4)差異化安全保護(hù)，即用戶面按需保護(hù)。

5)安全能力開放，讓運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)安全能力深入地滲透到第三方業(yè)務(wù)生態(tài)環(huán)境中。

2.3 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

利用5G來承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)，面臨著來源于5G網(wǎng)絡(luò)和5G關(guān)鍵技術(shù)的各種惡意攻擊等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也面臨著配電網(wǎng)本身數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

基于5G的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)如表1所示。

表1 基于5G配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)

3 基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)策略

3.1 基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)安全隱患

圖2所示為基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)流向圖。

圖2 基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)流向

CPE插入U(xiǎn)SIM卡，接入5G網(wǎng)絡(luò)即完成了CPE與核心網(wǎng)的一系列網(wǎng)元秘鑰派生的過程，秘鑰長度允許256 bit，保證了CPE與基站之間在空口的數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)可選，需要向運(yùn)營商確認(rèn)。中心-分布單元(center unit-distributed unit，CU-DU)到用戶面功能(user-plane function，UPF)是通過IPSEC協(xié)議進(jìn)行安全保護(hù)，因此，差動(dòng)保護(hù)裝置到CPE再到基站，數(shù)據(jù)安全能得到保證。但是，根據(jù)安全邊界和數(shù)據(jù)流，配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)仍存在如下的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1)風(fēng)險(xiǎn)1：應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性風(fēng)險(xiǎn)。由于應(yīng)用域安全不在5G安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)保障范圍內(nèi)，因此，應(yīng)用層面數(shù)據(jù)存在在進(jìn)入5G信道之前被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

解決措施：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密。

2)風(fēng)險(xiǎn)2：CPE、DTU存在被攻破、植入惡意代碼的可能，影響業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

如某型號(hào)CPE存在漏洞(CVE-2017-8155、8156)，串口訪問無認(rèn)證，攻擊者可控制該設(shè)備；協(xié)議漏洞，TR-604協(xié)議(LAN側(cè)DSL設(shè)備管理配置協(xié)議)漏洞導(dǎo)致攻擊者不需要任何認(rèn)證，可直接對(duì)CPE設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行重新配置、惡意操作；病毒、木馬、蠕蟲、勒索軟件、間諜軟件、流氓軟件植入；拒絕服務(wù)攻擊(DDos)。

解決措施：CPE安全防護(hù)、IPS/IDS、安全加固、漏掃。

3)風(fēng)險(xiǎn)3：USIM卡和通訊終端存在被盜/異常風(fēng)險(xiǎn)。

解決措施：USIM卡位置綁定，機(jī)卡綁定。

除了上述解決措施外，還提出以下安全防護(hù)策略：

1)在CPE處開啟安全設(shè)置，開啟防護(hù)墻、防Dos攻擊設(shè)置(ICMP_FLOOD、UDP_FLOOD、TCP_SYN_FLOOD過濾)。

2)部署IPS/IDS，對(duì)CPE、DTU的異常行為或威脅進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)源地址進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)被感染的惡意終端。

3)使用加密芯片對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密，防止數(shù)據(jù)被篡改。

4)與運(yùn)營商確認(rèn)是否開啟空口數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。

5)要求運(yùn)營商支持USIM卡位置綁定、支持機(jī)卡綁定認(rèn)證。

6)定期進(jìn)行漏洞掃描、滲透測(cè)試、安全加固、版本升級(jí)、等保評(píng)級(jí)。

7)部署認(rèn)證與授權(quán)應(yīng)用，提供對(duì)配電站終端的二次認(rèn)證與授權(quán)機(jī)制，保證應(yīng)用安全。

3.2 兩種組網(wǎng)模式下的防護(hù)方案

考慮到目前5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)程，設(shè)計(jì)在兩種組網(wǎng)模式下，即NSA和SA的安全防護(hù)方案。NSA非獨(dú)立組網(wǎng)模式兼顧4G和5G網(wǎng)絡(luò)，而SA獨(dú)立組網(wǎng)模式只有5G網(wǎng)絡(luò)，因此，兩種模式下安全防護(hù)方案也不盡相同。

1)NSA模式下的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)整體安全防護(hù)方案如表2所示。

表2 NSA 5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)安全防護(hù)方案

2)SA組網(wǎng)模式下基于電力專用MEC的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)整體安全防護(hù)方案如表3所示。

表3 SA 5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)安全防護(hù)方案

IDS系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)需考慮以下情況：

1)5G網(wǎng)絡(luò)邊緣環(huán)境通常資源有限，系統(tǒng)應(yīng)具備較高的資源利用率；

2)5G網(wǎng)絡(luò)中的安全威脅類型多、變化快，系統(tǒng)應(yīng)具備靈活、快速部署各種檢測(cè)功能的能力。

由于目前配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)尚未涉及邊緣計(jì)算(multi-access edge computing，MEC)和5G網(wǎng)絡(luò)切片，因此暫不考慮這兩方面的安全防護(hù)策略。

4 結(jié) 語

基于5G的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)能實(shí)現(xiàn)保護(hù)范圍內(nèi)的全線速動(dòng)，無需與其他保護(hù)配合，具有優(yōu)良的速動(dòng)性、靈敏性和選擇性，且不受系統(tǒng)方式潮流的影響，是目前為止電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域特性較好的保護(hù)機(jī)制之一。但作為國家能源的重要基礎(chǔ)設(shè)施，配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，因此，全面分析了基于5G的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)安全隱患，提出以下安全防護(hù)策略和方案，切實(shí)保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行：

1)給出了配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理；

2)對(duì)比分析了5G和4G網(wǎng)絡(luò)安全性能；

3)基于5G的自身安全挑戰(zhàn)分析了基于5G的配電網(wǎng)安全防護(hù)需求，繼而根據(jù)差動(dòng)保護(hù)的數(shù)據(jù)流向和邊界條件給出了基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施；

4)提出了兩種組網(wǎng)模式下基于5G配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的安全防護(hù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。