试论电力信息系统实时数据通信安全

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・通信技术　试论电力信息系统实时数据通信安全　

随着电力通信技术数据网络　的迅速发展，基于网际协议（ＩＰ）　的实时数据通信安全问题；１起社　会越来越多的关注　本文主要分　析了电力信息系统实时数据通信　的网络安全问题。并通过相关的　数据通信加密技术，电力系统实　时数据通信的加密需求，并且深　入阐述了实时数据加密密钥管理　和加密的过程。　【关键词】电力信息系统通信安全实时数据　随着电力技术的不断进步，电力信息系　统通信安全防护体系逐渐形成，各种各样的通　信安全技术开始在电力信息系统中使用。加密　技术是最为简便，最为实用的方式之一，能有　效保障电力信息系统网络通信安全，适合在各　种电力信息通信系统中使用。　１电力系统实时数据通信安全和加密需　求　文／文中华　１．１电力系统实时数据通信安全问题　目前，变电站的实时数据大多通过微波、　载波、或者是Ｅ１远动信道采用调制解调器传　输到调度端；极少使用ＵＰＤ方式，并且还通　过其他相关技术完成了实外网与时数据网的完　全隔离，从而保证了实时数据的安全。而对第　４代能量管理系统（ＥＭＳ）（网际协议（ＩＰ）　技术＋同步数字系列（ＳＤＨ）＋光纤为主），　则使用ＴＣＰ／ＩＰ协议。因此，一系列实时数据　的网络安全问题逐渐出现。　（１）网络隔离方式虽在一定程度上保证　了内网的安全性，却与系统的开放性不符，从　而使“多岛自动化”加剧。因此，网络的物理　隔离技术满足不了今后网络通信数据交互要　求。　（２）因为基于ＴＣＰ／ＩＰ的网络电力系统　数据通信网主要是以计算机网络为基础，极少　考虑安全性问题。就算它与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ隔离开来，　依然无法避免来自系统内部的攻击，依然存在　数据通信网络安全威胁。　（３）由于变电站远程维护技术逐渐进步，　未来会出现可以通过Ｉｎｔｅｍｅｔ获得设备的实时　运行数据的需求。所以，电力系统实时数据网　络也有必然与公用Ｉｎｔｅｍｅｔ网络连接，但是相　应的数据通信网的安全防护仍达不到要求。随　着电力系统自动化和通信网络的发展，实时数　据的加密已近变成一个亟待解决的问题。　

１．２电力系统实时数据的加密需求　由于电力系统数据网络上传输的数据极　为复杂，所以应加以考虑的加密的信息主要有：　（１）上传数据。主要是重要遥测、遥信、　以及相关的事件顺序记录（ｓ０Ｅ１数据等。此类　数据是判断电网是否稳定运行的依据，同时也　是决策调度的根据，要求具有很高的实用性。　（２）下行数据。主要是保护装置、遥调、　遥控、以及相关自动装置的整定值数据等。此　类数据和设备状态关系密切，对电网的正常运　行有着直接影响，要求具有其很高的安全性以　及实用性。　（３）经济数据。主要是电力市场电能计　费信息、交易数据、运行报价等。此类数据共　同组成电力系统物资数据流，对资金以及电能　在电力市场流向的平衡产生很大的影响，要求　具有很高的保密性　

＜＜上接５４页　９ｄＢｍ。　３．５　ＳＴＣ和真对数放大器　

接收通道动态范围是指接收通道能正常　工作且产生预期输出所允许的信号强度的整个　变化范围，它是能保持接收机正常工作的最大　信号强度和最小信号强度（即灵敏度）的比值。　本通道输入信号的动态范围为８０ｄＢ，若将信　号线性放大输出，将超出后级Ａ／Ｄ转换电路　允许的输入电平，而且即使将信号的电平范围　调整到Ａ／Ｄ转换电路允许的输入电平范围，　这时要求ＡＤＣ的分辨率要高，则要增加Ａ／Ｄ　位数，这明显是不经济的。所以在接收通道中　使用ＳＴＣ和真对数放大器将大动态输入信号　进行动态压缩得到较小动态范围的信号。　ＳＴＣ采用ＬＶＴＴＬ电平控制开关切换的方　式，使接收机增益按一定的控制电压的形状来　变化，大信号时直通，小信号时通过ＬＮＡ放　大３０ｄＢ，这样大信号增益低，小信号增益高，　将输出信号动态范围从８０ｄＢ缩小到５０ｄＢ。　真对数放大器尽管内部有放大器，但　它的实际意义不是放大信号，而是要将信号　的动态范围压缩至其相应的分贝级。对数放　大器的输入输出信号幅度成对数关系，即　ｇｏ　＝　ｌｏｇ（　／　），这里　是输出电压，　是输入电压，ｖ　和ｖｖ是对数放大器需要两　个隐含参考，Ｖ　是拦截电压，Ｖ　是斜率电压，　ｖ　和ｖ　决定了电路的缩放比例。这样就把大　动态的输入信号瞬时压缩为小动态范围的输出　信号，并呈现增益自动控制特性。通常在对数　放大器中可以得到大于１００ｄＢ的瞬时输入动　态范围，相应的输出动态范围则与线性放大器　的相同（２０ｄＢ～３０ｄＢ）。　本次选用的对数放大器的主要指标为：　（１）对数起点：ｓ　７０ｄＢｍ￣　（２）输入动态范围：≥６５ｄＢ；　（３）对数精度：ｓ土０．７ｄＢ；　（４）输入一７ＯｄＢｍ时，输出．１０￣ｌｄＢｍ；　输入一５ｄＢｍ时，输出９￣ｌｄＢｍ；　（５）功耗：５Ｖ／ｌ１０ｍＡ。　４接收通道设计框图的实现　综合上述分析，基本可以得到接收通道　设计框图如图３所示。在每级电路中增加放大　器和衰减器对整个接收通道的增益进行合理分　配，以实现接收通道的设计指标要求。通过级　联设计工具得到对放前的接收通道链路评估如　图４，可知接收通道的噪声系数为３．Ｏ９。　５结束语　在实际电路设计时，还需要充分考虑到　结构要求、环境适应性、电磁兼容性、五性设　计等其他方面的因素，对接收通道的各级设计　进行改进和完善。本方案已经在工程中得到了　实际应用，达到了设计要求的各项技术指标。　

作者简介　蒲蔚妮（１９７８－），女，陕西省西安市人。现　为中国电子科技集团公司第２０研究所工程师。　研究方向为射频通信。　姜晓兵（１９７７一），男，山东省成武人。现为　西安电子科技大学副教授，博士　

作者单位　１．中国电子科技集团公司第２Ｏ研究所陕西　省西安市７１００６８　２．西安电子科技大学　陕西省西安市　７１　００７１　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・５５　通信技术・Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉａ）集巾式　图１：ＫＤＣ形式的密钥分配方式　（４）管理数据。主要是负荷管理、停电　计划等管理信息系统（ＭＩＳ）管理数据。要求具　有很高的保密性。并依照此类加密数据的加密　要求、价值以及防御成功付出的代价大小，从　而可以采用适合的各种机密方式。ＥＭＳ中的　实时控制信息数据流量稳定而且时效性较快。　但他要求具有很高的可靠性与实时性，而对保　密性以及完整性同样有很高的要求，所以对实　时数据加密需进行充分考虑，谨慎行事。　２电力系统实时数据加密的过程和方法　２．１加密的算法　从原理上划分，加密方式主要有２类：　非对称密码体制以及对称密码体制。　非对称加密（公钥体制）在进行加密处理　时一般使用一对密钥，一般向外公开，称之为　公钥，另一半则进行隐私保护，称之为私钥。　公钥能够对外发布传播，私钥一般需用户严格　保护，防止泄漏。在计算上利用公钥破解私　钥，一般无法实现。如果用户拥有公钥可以对　数据进行加密，但不能做解密处理，只有当用　户拥有相应的私钥，才能很好地对信息作解密　处理。非对称密码体制主要是公开密钥密码体　制（ＲＳＡ）。　而对于对称加密（或称单密钥加密），则　只用一个密钥对相应数据进行加密处理。当　前，最常用的对称加密算法是数据加密算法　（Ｄａｔａ　Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｎ￣ｍ，ＤＥＡ），３ＤＥＳ（即　Ｔｒｉｐｌｅ　ＤＥＳ）和ＩＤＥＡ（ＩｎｔｅＵｉＪ　ＩＤＥＡ），密钥　的安全性往往决定加密系统的安全性。　由于对称加密开销较小，所以一般不会　对生产控制类数据的实时性产生影响。而非对　称加密则要求大数的模运算，时间消耗较多，　但其公用体制能够防止密钥传输出现问题，一　次能够用于对数据量较小而且要求具有较高安　全性的数据加密，例如认证、握手以及加密传　输对称密码密钥等。　２．２网络环境下的电力系统实时数据加密方式　对于主站前置机与远程终端（ＲＴＵ）之间　ｌｂ　Ｊ对等式　的数据加密传输，可以使用端对端的数据加　密，数据在交换节点与相关信道上都存在于密　文中。实时数据加密对硬件以及网络结构的要　求主要由以下几点。　（１）ＲＴＵ的ＣＰＵ单元必须有符合要求　的运算力，确保加、解密较快进行。　（２）网络通信的信道应具有符合要求的　可靠性以及实时性，较低的网络延迟，较低的　误码率。　（３）主站前置机可以对多个进程的加密　／解密同时进行处理，并在主站端设置服务器，　用来管理相应的密钥。　在电力信息系统中，实时数据通信加密　能采取的方式有以下两种。　（１）一时一密方式。密钥一般不分配到　终端，也不在服务器保存。服务器依照系统具　体的安全情况，以设定时间参数，手动或自动　地、定时或不定时地向ＫＤＣ请求相关的密钥。　并由ＫＤＣ生成一个随机的临时密钥，并由安　全信道发送至终端，双方可以利用随机密钥加　密通信。　（２）固定密钥方式。每一个用户终端都　配置有一个由密钥分配中心（Ｋｅｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｅｎｔｅｒ，简称ＫＤＣ）分配的密钥，主站则列表储　存所有终端的密钥。建立安全信道（我们假定　在没有认证通信双方身份之前所有建立的信道　都不安全）之后，主站端与终端可以利用协商　好的密钥通信。密钥的初始化、泄漏后更新及　其销毁工作都是由主站端手动或自动设定，可　以由另外的安全信道实现。　如果使用固定密钥，一般不需要生成众　多的临时密钥，密钥不会在不用通过信道传输，　节省加密时间；而使用一时一密方式，主站端　与终端密钥一般不用保存，只需于ＫＤＣ增加　密钥生成器。因密钥的存活期较短，所以一时　一密具有更好的安全性。　

２．３密钥的管理　２．３．１密钥分配的基本模式　为分配给主机、节点以及用户终端足够　的密钥，加密传输过程中，往往需很多密钥。　

５６・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

因此，加密通信过程中，密钥的安全管理极为　重要。为降低系统的繁琐性，一般采取中心化　密钥管理。ＫＤＣ主要负责密钥的生成、分发、　更新以及销毁过程。　ＫＤＣ能分配于主站端，也可以与相应的　服务器处于同一逻辑（或物理）服务器（集中　式密钥分配），如图ｌ（ａ）所示；也能分配于同　ＲＴＵ、主站对等的服务器ｆ对等式密钥分配），　如图ｌ（ｂ１所示。　如果ＫＤＣ单独为一个主站端分配密钥，　则可以采取集中式分配；如果ＫＤＣ同时为几　个同级主站分配密钥，一般采取对等式。　２．３．２密钥的分发过程　想要安全进行加密通信，首先应建立相　应的安全信道，相互交换一对只有对方知道的　共享密钥作为加密数据。通过对权威机构签发　的证书进行相应的认证处理，对通信双方的身　份进行认证，并通过双方的证书作端点认证。　主站和每个终端都有相应的证书，证书主要包　括用户的基本信息以及用户的公钥。如果需要　对通信的对方进行认证，需发送对方一个随机　数据，对方将接收到的数据做数据摘要，并用　自己的私钥加密后及时返回。发送方利用公钥　ｆ通过对方证书获得）对数据进行解密之后，　与发出数据的摘要作对比，从而对对方的身份　进行认证。相互进行身份认证之后，也就实现　了端点认证。再将通信加密密钥发送至相应的　ＲＴＵ（固定密钥方式没有这个问题）就可以完　成加密通信。