馬琳娜 秦偉 周銳 何程

1.云南固壘科技有限公司；2.云南省科普資源信息中心；3.昆明奧訊新電子科技有限公司；4.西南林業(yè)大學(xué)

為進(jìn)一步推進(jìn)新能源體系建設(shè)，保障我國“碳中和”“碳達(dá)峰”工作，我國近年來大力推進(jìn)能源體系改革方略。電力系統(tǒng)作為能源體系的重要組成部分，是支撐整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。推進(jìn)電力系統(tǒng)現(xiàn)代化建設(shè)，是國家“十四五”期間一項(xiàng)極其關(guān)鍵的重大工作。2021頒布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，其中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：“加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造和智能微電網(wǎng)建設(shè)，提供電力系統(tǒng)互補(bǔ)互濟(jì)和智能調(diào)節(jié)能力”，這意味著電網(wǎng)智能化改造成為當(dāng)前電力系統(tǒng)現(xiàn)代化建設(shè)的主要路徑。變電站是承載發(fā)電與配電的關(guān)鍵樞紐節(jié)點(diǎn)，設(shè)備調(diào)度與檢修調(diào)試是其主要工作內(nèi)容。我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的驅(qū)動下，供電需求急速增加，如何讓變電站更加智能化成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域[1]。

隨著數(shù)字化電網(wǎng)的發(fā)展，變電站監(jiān)控系統(tǒng)智能化轉(zhuǎn)型成為數(shù)字電網(wǎng)的重要建設(shè)方向，監(jiān)控系統(tǒng)可對變電站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測、管理、協(xié)調(diào)和控制，又可以與電網(wǎng)其他監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的信息交換、共享[2]。目前，由于人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的泛在化應(yīng)用，變電站智能監(jiān)控方面的應(yīng)用研究也日益增多，呈現(xiàn)了“數(shù)據(jù)采集協(xié)同聯(lián)動、大數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)判”的管理架構(gòu)[2-5]。然而，變電站存在多個(gè)子系統(tǒng)，諸如四遙數(shù)據(jù)上報(bào)、二次設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚、錄波信息匯交、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)需要通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播，信息源復(fù)雜且異構(gòu)，信息采集與傳播存在級聯(lián)與交疊，身份假冒、數(shù)據(jù)篡改、木馬病毒的安全危險(xiǎn)使得多網(wǎng)域的數(shù)據(jù)采集與傳輸體系面臨著前所未有的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。密碼技術(shù)作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全應(yīng)用內(nèi)核，是變電站智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系安全建設(shè)的必選項(xiàng)。特別是我國的變電站大部分監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵核心應(yīng)用被國外產(chǎn)品壟斷，國外廠商對這些關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，安全風(fēng)險(xiǎn)存在未知性與不可控性， 嚴(yán)重地威脅著我國國家安全和公共利益[7]。本文從變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸體系架構(gòu)入手，系統(tǒng)的分析多區(qū)域的傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)國產(chǎn)商用密碼適配的解決方案，使得商用密碼能滿足多域網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)安全需求，最后提出實(shí)施商用密碼應(yīng)用改造的原則與策略。

1 變電站多域網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變電站監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、廣域相量測量裝置（PMU）、五防系統(tǒng)、繼電保護(hù)、安全自動裝置、故障錄波裝置、輔助設(shè)備監(jiān)控、電能量采集裝置和一次設(shè)備在線監(jiān)測等，這些系統(tǒng)通過專線或者電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)域調(diào)控中心的電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)連接，設(shè)備運(yùn)維廠家一般通過專線方式對一、二次設(shè)備進(jìn)行在線維護(hù)，變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站多域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Substation multi-domain network architecture diagram

1.2 網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇芍?，變電站?nèi)監(jiān)控系統(tǒng)分為控制區(qū)與非控制區(qū)，控制區(qū)是變電與配電和核心系統(tǒng)，數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性要求；非控制區(qū)是系統(tǒng)輔助監(jiān)測，預(yù)判與測量電力系統(tǒng)單元的異常變化。

根據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（國能安全〔2015〕36號）的安全分區(qū)要求，變電站需要進(jìn)行安全分區(qū)，具體原則如下：

（1）設(shè)備廠商利用專線接入終端，通過安全認(rèn)證裝置接入變電站控制區(qū)，維護(hù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)與變電所控制區(qū)采用專線連接，實(shí)現(xiàn)四遙數(shù)據(jù)與繼電保護(hù)數(shù)據(jù)的傳輸，專線必須采用加密認(rèn)證措施。

（3）電力調(diào)度網(wǎng)域變電所控制區(qū)進(jìn)行連接時(shí)需要安裝縱向加密認(rèn)證裝置，為數(shù)據(jù)安全傳輸提供數(shù)字護(hù)欄。

（4）控制區(qū)域與非控制區(qū)域采用防火墻設(shè)備進(jìn)行邏輯，通過應(yīng)用反問對策嚴(yán)格限制非控制區(qū)對控制區(qū)的信息服務(wù)訪問，保障控制區(qū)的絕對安全性。

網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 變電站多域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.2 Substation multi domain network security partition architecture diagram

2 商用密碼融合應(yīng)用分析

2.1 安全需求分析

2019年《中華人民共和國密碼法》立法以來，各個(gè)行業(yè)相繼開展了國產(chǎn)商用密碼融合應(yīng)用的研究，并取得了階段性研究成果[8-11]。電網(wǎng)系統(tǒng)是國家基礎(chǔ)能源設(shè)施，電力監(jiān)控系統(tǒng)需要極為硬核的信息安全防護(hù)強(qiáng)度，特別是2021年《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)條例》出臺后，運(yùn)用商用密碼技術(shù)加強(qiáng)電力監(jiān)控控制系統(tǒng)安全防護(hù)，成為了提升電力行業(yè)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)安全綜合保障能力的重要手段。目前，商用密碼在電力行業(yè)融合應(yīng)用仍處于政策驅(qū)動階段，國產(chǎn)密碼應(yīng)用改造受制于發(fā)成本和技術(shù)能力[12]，因此變電站并沒有成熟的商用密碼解決方案。

根據(jù)變電站網(wǎng)絡(luò)安全結(jié)構(gòu)，密碼應(yīng)用主要包括物理和環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)和通信、設(shè)備和計(jì)算以及應(yīng)用和數(shù)據(jù)4個(gè)方面的安全需求。

（1）物理與環(huán)境安全方面，主要考慮的是人員出入的管控，包括機(jī)房、重要設(shè)備安裝區(qū)域、配電設(shè)施、監(jiān)測儀器和傳感設(shè)備的管理，可以通過密碼門禁、密碼電子監(jiān)控、智能密碼卡等手段。

（2）網(wǎng)絡(luò)和通信安全方面，1）采用PKI技術(shù)部署基于SM2密碼算法的證書認(rèn)證系統(tǒng)，或者使用合規(guī)的第三方電子認(rèn)證服務(wù)，對鑒別數(shù)據(jù)與實(shí)體標(biāo)識進(jìn)行有效綁定；2）部署符合密碼相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IP SEC/SSL VPN設(shè)備，使用SM2、SM3、SM4算法來保證網(wǎng)絡(luò)邊界訪問控制信息、通信過程中數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性；3）為確保接入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備真實(shí)可信，首先需要利用PKI等技術(shù)對所有授權(quán)接入設(shè)備進(jìn)行身份唯一性標(biāo)識，然后配備證書、密鑰等鑒別數(shù)據(jù)。

（3）設(shè)備和計(jì)算安全方面，使用諸如智能密碼鑰匙+數(shù)字證書等方式對登錄的用戶提供身份鑒別和生物標(biāo)識，防止身份信息通過旁路攻擊等手段的截獲、假冒與重用攻擊，驗(yàn)證應(yīng)用系統(tǒng)訪問用戶的真實(shí)身份。使用SM2數(shù)字簽名或SM3-HMAC算發(fā)提供操作系統(tǒng)、訪問操作控制痕跡、操作日志記錄、數(shù)據(jù)庫審計(jì)信息的完整性校驗(yàn)與保護(hù)。

（4）應(yīng)用和數(shù)據(jù)安全方面，存儲設(shè)備應(yīng)該配置具備商用密碼認(rèn)證的裝置，對硬盤、光盤、磁盤陣列等存儲系統(tǒng)進(jìn)行密鑰鎖控，同時(shí)可采用專用的密碼機(jī)對關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于字段、表格以及整庫的分項(xiàng)加密，通過定制化的加密策略實(shí)現(xiàn)對不同應(yīng)用業(yè)務(wù)的商務(wù)密碼融合。

2.2 融合應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸體系安全需求，密碼融合應(yīng)用包括電子認(rèn)證基礎(chǔ)設(shè)施、密碼資源層、密碼服務(wù)層、密碼應(yīng)用層。密碼融合應(yīng)用框架如圖3所示。

圖3 密碼技術(shù)應(yīng)用框架圖

（1）電子認(rèn)證基礎(chǔ)設(shè)施：由第三方電子認(rèn)證機(jī)構(gòu)提供數(shù)字證書認(rèn)證、證書管理等支撐。

（2）密碼資源層：密碼資源層由SSL VPN安全網(wǎng)關(guān)、密碼機(jī)、安全瀏覽器、移動終端認(rèn)證系統(tǒng)、移動終端（密碼模塊）、數(shù)據(jù)庫加密管理系統(tǒng)、USBKey、國密電子門禁系統(tǒng)、安全音視頻系統(tǒng)等密碼設(shè)備及系統(tǒng)組成，向通用密碼服務(wù)層提供基礎(chǔ)密碼服務(wù)，通過統(tǒng)一的設(shè)備管理接口來接受通用密碼服務(wù)層的密碼設(shè)備管理，其中密鑰生成、密鑰存儲、密鑰分發(fā)、密鑰注銷、密碼運(yùn)算等管理均獨(dú)立存在，僅通過通用密碼接口實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)訪問。

（3）密碼服務(wù)層：提供身份認(rèn)證、訪問控制、SSL安全通道、數(shù)字簽名、簽名驗(yàn)證、加解密等服務(wù)，為各信息系統(tǒng)提供對應(yīng)的密碼服務(wù)。

（4）密碼應(yīng)用層：基于密碼中間件實(shí)現(xiàn)身份鑒別、SSL安全通道、傳輸加解密、存儲加解密、數(shù)字簽名、簽名驗(yàn)簽、加解密、協(xié)同簽名、Hash運(yùn)算、數(shù)字證書管理等密碼應(yīng)用功能。

變電站的網(wǎng)絡(luò)存在運(yùn)維專線接入、專線接入、電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入，此外控制區(qū)與非控制區(qū)之間也存在網(wǎng)絡(luò)連接，因此具體密碼融合應(yīng)用技術(shù)框架如圖4所示。

圖4 變電站密碼融合應(yīng)用框架圖Fig.4 Application framework diagram of substation password fusion

3 變電站商用密碼應(yīng)用融合策略

通過對變電站進(jìn)行國家商業(yè)密碼技術(shù)的應(yīng)用融合，可以顯著提升變電站監(jiān)測系統(tǒng)的安全防御能力，自主可控管理與設(shè)備運(yùn)維的管理管理水平大幅度提供，降低了系統(tǒng)遭受外部攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，電力體系進(jìn)行商用密碼融合是一個(gè)整體化的過程，需要穩(wěn)步有序，逐步聯(lián)調(diào)的方式開展，具體融合策略如下。

（1）統(tǒng)一設(shè)計(jì)與保持先進(jìn)性原則。由商用密碼需求管理單位統(tǒng)籌規(guī)劃，商用密碼應(yīng)用服務(wù)機(jī)對密碼規(guī)劃內(nèi)容進(jìn)行需求分析，進(jìn)行密碼應(yīng)用的功能框架構(gòu)建，自動向下的密碼應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，包括密碼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)、信息傳輸模型結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)應(yīng)用功能服務(wù)結(jié)構(gòu)，以及考慮國產(chǎn)化替代系統(tǒng)的擴(kuò)展策略等內(nèi)容，在需求明確的前提下從實(shí)際建設(shè)內(nèi)容出發(fā)（諸如密碼應(yīng)用是否滿足商用密碼應(yīng)用單位需求、系統(tǒng)遷移能否兼容、數(shù)據(jù)存儲環(huán)境是否需要更改等），“急用先上、穩(wěn)步應(yīng)用”長短結(jié)合模式實(shí)現(xiàn)商用密碼的融合應(yīng)用。設(shè)計(jì)既要兼容國際規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，有要緊貼國產(chǎn)化的應(yīng)用要求，依托成熟的網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)與綜合信息體系結(jié)構(gòu)，確保密碼應(yīng)用系統(tǒng)的持久性與彈性擴(kuò)展應(yīng)用能力。

（2）密碼應(yīng)用方案標(biāo)準(zhǔn)可行、主流且安全。在遵守國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范的前提條件下，密碼在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、系統(tǒng)部署、數(shù)據(jù)存儲、傳輸控制、訪問審計(jì)以及密鑰管理等方面系統(tǒng)考慮應(yīng)用的可行性與實(shí)際操作存在的風(fēng)險(xiǎn)，而且必須采用自主可控的國家密碼算法。同時(shí)， 密碼應(yīng)用要考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多操作系統(tǒng)，多終端的連接問題，整體設(shè)計(jì)方案應(yīng)該是“兼容并蓄”的技術(shù)架構(gòu)，形成安全跨域，分層保護(hù)的變電站多域網(wǎng)絡(luò)體系格局，不采用淘汰或落后的體系架構(gòu)。

（3）系統(tǒng)兼容與可擴(kuò)性。密碼應(yīng)用應(yīng)結(jié)合變電站監(jiān)測系統(tǒng)的信息系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)，基于“利舊原則”，結(jié)合變電站監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)有的軟、硬件資源，同時(shí)分析密碼系統(tǒng)兼容與適配度，以及與現(xiàn)有監(jiān)控信息系統(tǒng)的接口與數(shù)據(jù)格式。對確實(shí)不適應(yīng)商用密碼的專屬監(jiān)測系統(tǒng)作適當(dāng)調(diào)整，通過應(yīng)用方、系統(tǒng)開發(fā)方與商用密碼應(yīng)用服務(wù)機(jī)構(gòu)協(xié)同聯(lián)合提出解決方案，在滿足整體商用密碼需求的同時(shí)，盡量降低建設(shè)成本。此外，密碼應(yīng)用設(shè)計(jì)要充分考慮業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用是動態(tài)升級的長期過場，業(yè)務(wù)功能可能會隨著市場需求不斷變換，因此，盡可能設(shè)計(jì)過程中考慮兼容性的功能結(jié)構(gòu)，降低各功能模塊耦合度，延伸與拓展商務(wù)密碼應(yīng)用方案的普適性。

4 結(jié)論

目前，由于電力系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，又是我國的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其中運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備安全保護(hù)是核心，因此在進(jìn)行商用密碼應(yīng)用融合需要綜合整體密碼應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)境，包括物理環(huán)境、通信基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)種類等，基于“最小化”訪問原則為基礎(chǔ)，粒度化設(shè)計(jì)商務(wù)密碼在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的融合解決方案，提升密碼系統(tǒng)的應(yīng)用水平。同時(shí)，為了預(yù)防不可預(yù)見的安全風(fēng)險(xiǎn)漏洞，定期開展密碼應(yīng)用安全性評估，全面測試密碼系統(tǒng)在時(shí)間窗口期內(nèi)的應(yīng)用合規(guī)性與有效性，構(gòu)建依法管理的國產(chǎn)商務(wù)閉環(huán)密碼技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)，促進(jìn)密碼應(yīng)用能力地提升。

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