양자키분배를 이용한 스마트그리드 통신 인증

Jan 02, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12731(2022) 이 기사 인용

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스마트 그리드 솔루션을 통해 유틸리티와 고객은 정보 통신 기술을 통해 에너지 사용을 더 잘 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 정보 기술은 고급 모니터링 및 제어 시스템을 구현하여 미래 전력망의 신뢰성, 효율성 및 지속 가능성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 그러나 현대 통신 시스템을 활용하면 그리드가 사이버 공격에 취약해질 수도 있습니다. 여기에서는 스마트 그리드 통신 인증에 양자 키 분배(QKD) 키를 처음으로 사용했음을 보고합니다. 특히 우리는 배포된 전력 유틸리티 광섬유 네트워크에 대해 이러한 시연을 수행합니다. 개발된 방법은 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA)에 사용되는 기계 간 통신을 인증하기 위해 암호화 키를 관리하고 활용하는 소프트웨어 패키지로 프로토타입되었습니다. 이 데모에서는 QKD를 사용하여 에너지 저장 장치와 같은 미래 분산 에너지 자원(DER)을 포함한 중요 인프라의 보안을 향상시키는 타당성을 보여줍니다.

전력망은 주로 대규모 중앙 집중식 화석 연료 발전소로 구성된 전기 네트워크에서 재생 가능 및 에너지 저장 유형 발전소를 포함하는 보다 분산된 인프라로 진화하고 있습니다. 풍력, 태양광(PV) 및 에너지 저장 시스템(ES) 기술은 계속해서 성숙해지고 대량 생산에 도달함에 따라 상당한 비용 절감을 경험해 왔습니다1,2,3. 이러한 기술은 이제 대규모 및 소규모 배포 모두에서 신흥 전기 스마트 그리드에 더 자주 채택되고 있습니다.

이제 재생 가능 발전소 설치는 수백 킬로와트(kW)에서 메가와트(MW)의 잠재적 발전 규모로 찾아볼 수 있습니다. 이러한 발전 플랜트는 많은 소규모 발전 자원의 복합물이며, 모두 수집기 시스템4,5,6으로 알려진 전기 네트워크와 상호 연결되어 있습니다. 보조 ES 시스템을 갖춘 PV 발전소의 예시 레이아웃이 그림 1a에 나와 있습니다. 발전소 내의 각 자원에서는 지능형 컨트롤러를 갖춘 전력 전자 변환기(PEC) 시스템을 사용하여 PV 모듈과 ES 기술로 생산된 전력을 변환하고 제어합니다. 이 시스템은 통합 통신 모듈을 통해 여러 작동 모드와 통신 프로토콜을 지원합니다. 시스템 조정은 SCADA(공장 감독 제어 및 데이터 수집) 시스템을 통해 수행됩니다. 이러한 재생 가능 발전소 배치의 핵심은 SCADA 시스템이 자원과 통신하여 운영 능력과 최적화 전략을 수립하는 능력입니다. 따라서 이러한 시스템에서는 안전하고 안정적인 양방향 통신이 매우 중요합니다7,8,9.

기존 SCADA 시스템에는 감독 시스템, 인간-기계 인터페이스(HMI), 통신 네트워크, 마스터 터미널 장치(MTU), 원격 터미널 장치(RTU) 및 현장 장치가 포함됩니다. 따라서 통신 네트워크는 시스템 간의 연결을 가능하게 합니다. 또한 SCADA 통신 네트워크는 (1) 격리되어 서로 상호 작용하지 않는 모놀리식 시스템, (2) 근거리 통신망(LAN)을 통해 통신하는 분산 시스템, (3) 네트워크 시스템의 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 여러 사이트에서 작동하고 WAN(광역 네트워크)을 통해 통신하는 시스템, 그리고 (4) 광범위한 구현 및 계산 리소스 가용성을 위해 클라우드 컴퓨팅에 연결된 사물 인터넷(IoT) 시스템입니다. 또한 SCADA 요소 간의 안정적이고 효율적이며 지속적인 연결에 대한 필요성으로 인해 다양한 통신 프로토콜이 개발되었습니다. 일부 프로토콜은 산업용 애플리케이션의 처리 능력 및 통신 요구 사항을 고려하도록 설계되었지만 다른 프로토콜은 속도에 중점을 두었습니다. 결과적으로 많은 프로토콜이 인증, 암호화 등 통합 보안 서비스 없이 설계되었습니다. 모놀리식 및 분산 모델의 SCADA 시스템은 프라이빗 링크에서 격리되어 작동할 수 있지만, 유틸리티는 WAN 및 IoT와 같은 사용 가능하거나 기존 통신 인프라를 사용하여 다른 엔터티 또는 서비스 제공자와 종종 공유되는 비용을 절감하려고 합니다. 결과적으로 이러한 모델의 통신은 사이버 공격에 취약합니다. 예를 들어, DNP3, EtherCat, Powerlink, Foundation Fieldbus HSE, Modbus 등 잘 알려진 이더넷 기반 SCADA 통신 프로토콜은 인증 보안 메커니즘을 제공하지 않습니다. 반면, DNS3-SA, IEC-60870, IEC-61850, PROFINET과 같은 프로토콜은 디지털 서명을 기반으로 보안 조치를 구현합니다. 표 1은 이러한 프로토콜의 특성을 보여 주며 SCADA 통신 프로토콜과 해당 보안에 대한 포괄적인 검토는 10에서 탐색할 수 있습니다.