Аутентификация связи в интеллектуальных сетях с использованием квантового распределения ключей

Jan 02, 2024

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12731 (2022) Цитировать эту статью

3062 Доступа

1 Цитаты

156 Альтметрика

Подробности о метриках

Решения для интеллектуальных сетей позволяют коммунальным предприятиям и потребителям лучше отслеживать и контролировать использование энергии с помощью информационных и коммуникационных технологий. Информационные технологии призваны повысить надежность, эффективность и устойчивость будущих электросетей за счет внедрения передовых систем мониторинга и контроля. Однако использование современных систем связи также делает сеть уязвимой для кибератак. Здесь мы сообщаем о первом использовании ключей квантового распределения ключей (QKD) для аутентификации связи в интеллектуальных сетях. В частности, мы проводим такую ​​демонстрацию на развернутой оптоволоконной сети электроснабжения. Разработанный метод был прототипирован в пакете программного обеспечения для управления и использования криптографических ключей для аутентификации межмашинной связи, используемой для диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Эта демонстрация демонстрирует возможность использования QKD для повышения безопасности критической инфраструктуры, включая будущие распределенные энергетические ресурсы (DER), такие как хранилища энергии.

Электрическая сеть развивается от электрической сети, состоящей в основном из крупных централизованных электростанций, работающих на ископаемом топливе, к более распределенной инфраструктуре, которая включает в себя электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии, а также электростанции по хранению энергии. Ветровые, фотоэлектрические (PV) и системы хранения энергии (ES) технологии продемонстрировали значительное снижение затрат по мере их дальнейшего развития и достижения массового производства1,2,3. Эти технологии в настоящее время все чаще внедряются в формирующиеся интеллектуальные электрические сети, как в крупных, так и в малых масштабах.

Возобновляемые электростанции теперь можно найти в масштабе от сотен киловатт (кВт) до мегаватт (МВт) потенциальной выработки электроэнергии. Эти генерирующие станции представляют собой совокупность множества небольших генерирующих ресурсов, связанных между собой электрической сетью, известной как коллекторная система4,5,6. Пример схемы фотоэлектрической установки с дополнительной системой ES показан на рис. 1а. На каждом ресурсе электростанции используются системы силовых электронных преобразователей (PEC) с интеллектуальными контроллерами для преобразования и управления мощностью, вырабатываемой как фотоэлектрическими модулями, так и технологией ES. Эти системы поддерживают несколько режимов работы и протоколов связи через встроенный модуль связи. Координация системы осуществляется через систему диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Ключом к развертыванию этих возобновляемых электростанций является способность системы SCADA взаимодействовать с ресурсами для установления эксплуатационных возможностей и стратегий оптимизации. Следовательно, безопасная и надежная двусторонняя связь имеет решающее значение для этих систем7,8,9.

В традиционной системе SCADA имеется система управления, человеко-машинный интерфейс (HMI), сеть связи, главный терминальный блок (MTU), удаленные терминальные блоки (RTU) и полевые устройства. Следовательно, сеть связи обеспечивает связь между системами. При этом сеть связи SCADA можно разделить на четыре типа: (1) монолитные системы, изолированные и не взаимодействующие друг с другом, (2) распределенные системы, обменивающиеся данными через локальную сеть (LAN), (3) сетевые системы. которые работают на нескольких объектах и ​​обмениваются данными через глобальную сеть (WAN), и (4) системы Интернета вещей (IoT), которые подключены к облачным вычислениям для широкомасштабного внедрения и доступности вычислительных ресурсов. Более того, потребность в надежном, эффективном и непрерывном соединении между элементами SCADA привела к разработке множества различных протоколов связи. Некоторые протоколы были разработаны с учетом требований к вычислительной мощности и связи промышленных приложений, тогда как другие ориентированы на скорость. Следовательно, многие протоколы были разработаны без интегрированных служб безопасности, таких как аутентификация и шифрование. Хотя система SCADA в монолитной и распределенной моделях может работать изолированно по частным каналам, коммунальные предприятия стремятся использовать доступную или существующую коммуникационную инфраструктуру, такую ​​как глобальные сети и Интернет вещей, для сокращения затрат, которые часто разделяются с другими организациями или поставщиками услуг. Следовательно, коммуникации в этих моделях уязвимы для кибератак. Например, известные протоколы связи SCADA на базе Ethernet, такие как DNP3, EtherCat, Powerlink, Foundation Fieldbus HSE и Modbus, не предлагают какого-либо механизма безопасности аутентификации. С другой стороны, такие протоколы, как DNS3-SA, IEC-60870, IEC-61850 и PROFINET, реализуют меры безопасности, основанные на цифровых подписях. В таблице 1 показаны характеристики этих протоколов, а подробный обзор протокола связи SCADA и его безопасности можно изучить в статье 10.