新型高安全性的智能電表自動化檢定系統

張曉穎　莊葛巍　朱　錚　謝佳峰

(國網上海市電力公司電力科學研究院1,上海　200051；萊特州立大學電氣工程系2，美國 俄亥俄州代頓　45435)

新型高安全性的智能電表自動化檢定系統

張曉穎1莊葛巍1朱錚1謝佳峰2

(國網上海市電力公司電力科學研究院1,上海200051；萊特州立大學電氣工程系2，美國 俄亥俄州代頓45435)

摘要：隨著智能電網工程的發展，智能電表自動化檢定系統的安全性越來越受到人們的關注。為使智能電表的自動化檢定系統得到大范圍推廣應用，在結合檢測系統本身特點基礎上，提出了一種新型高安全的智能電表自動化檢定系統。通過結合橢圓曲線密碼器技術，對智能電表自動化檢定系統的安全可靠性進行初步的評測探索和研究。分析表明，提出的自動化檢定系統具有高安全性和低資源消耗等優點，值得大力推廣應用。

關鍵詞：自動化檢定系統系統安全有限域乘法器脈動結構橢圓曲線密碼器高安全性可靠性智能電表電力行業

0引言

隨著電力行業和國家電網的大力發展，智能電表計量自動化檢定系統成為越來越重要的一個環節。傳統意義上的智能電表檢測主要依賴人工，不僅耗時長，而且人力成本非常高[1-3]。該系統以網絡通信為載體，通過多種路徑到達計算機終端，與工程現場進行信息通信和數據交換[4-8]。

自動化檢定系統具有高度的集成性和復雜性，因此有必要對系統的安全可靠性進行系統性研究。該研究不僅會對國內相關或者類似系統的安全性研究具有重要意義，而且可以保障國家電網工程建設的安全性。當然，該系統本身所具有的自動化檢測能力將大大降低電網建設和后續維護的費用，最終對于提高企業效益和人們生活水平都有顯著效果。

1檢測系統模型分析

串聯模型、并聯模型和旁聯模型如圖1所示。

圖1　三種檢測系統模型

1.1串聯模型

串聯模型指的是所有的智能電表都采用串聯的方式，因此系統中任何一個智能電表出故障都會造成整個系統的故障，具體如圖1(a)所示。這類結構大大增加了智能電表檢測的難度，如果系統出問題，只能挨個進行測試，這將造成資源大量重復使用和浪費。

1.2并聯模型

并聯模型就是所有的智能電表都采用并聯的方式，這樣，只有當系統里的每一個智能電表都發生故障時，系統才停止工作，如圖1(b)所示。與圖1(a)的串聯模型相比，并聯模型能更好地工作。

1.3旁聯模型

在旁聯模型下，整個系統的n個智能電表只有一個在工作。當正在工作的智能電表出現故障后，可以通過轉換設備接到另外一個智能電表，使其繼續工作，一直等到所有的智能電表都出現故障時才停止，如圖1(c)所示。

2橢圓曲線加密器

智能電表自動化檢定系統包含了大量的信息傳輸與處理。系統中，這些數據的安全性傳輸也越來越受到關注。本設計著重開發基于有限域GF(2m)橢圓曲線加密系統[9]。

橢圓曲線密碼系統是一種由Koblitz和Miller在1985年分別提出的公匙密碼系統[9]。在所有已知的公匙密碼系統中，橢圓曲線密碼系統具有安全性最高、處理速度最快和開銷最低等特點，是目前信息安全性傳輸研究的熱點。

2.1設計流程

基于有限域GF(2m)的乘法器是橢圓曲線加密器的底層結構。系統設計流程如圖2所示。

圖2　系統設計流程圖

加密系統的設計首先要改進加密系統底層最基本單元，即從基于有限域GF(2m)的乘法器開始；然后在改進的有限域GF(2m)乘法器基礎上，進行加密系統本身的算法優化；最后在算法優化的基礎上，設計相對應的算法實現結構，使得整個加密系統的低資源利用得以實現。

2.2有限域GF(2m)乘法器

有限域GF(2m)乘法器是橢圓曲線加密系統上執行點加和點乘的基本運算單元。美國國家標準局為此推薦了5個多項式用于有限域GF(2m)乘法運算[9]，其中有2個是三項式，3個是五項式。近年來，許多研究都集中在脈動結構實現的三項式有限域GF(2m)乘法器上面。特別是近期的一篇文章，推出了基于Karatsuba方法的三項式有限域GF(2m)脈動結構乘法器[10]。該乘法器具有速度快和資源消耗低等特點，本文設計的乘法器將在此基礎上有進一步的改進。

基于Karatsuba方法的三項式有限域GF(2m)脈動結構乘法器[10]的具體算法如下所示。

在有限域GF(2m)中,任何一個元素都可以表示為：

(1)

式中：αi∈GF(2)。

接著，式(1)也可以表示為：

(2)

并且：

(3)

(4)

這樣的話，2個階數為m的多項式A和B都可以寫成式(2)的形式，那么就可以得到這2個多項式的乘積C，如下式所示。其中乘積C和A一樣，也具有類似的多項式表達式。B也是如此。為此，可以得到：

(5)

(6)

基于該算法的脈動結構存在一個主要的缺點，即該結構在執行該算法的最后一步運算時，并沒有考慮到關鍵路徑的設計，導致該算法在數位比較小時，頻率較低。為此，本文提出了一種新的結構來執行該算法的最后一步，如圖3所示。圖3中，黑塊表示寄存器。

圖3　最后一步結構設計示意圖

最后一步，通過寄存器的設計來進行關鍵路徑的限制。當整個結構選擇特定的數位時，最后一步的結構就選擇相應的寄存器設計，這樣使得最后一步的關鍵路徑和前面幾步的關鍵路徑完全一致，避免了由于之前設計缺陷所帶來的頻率問題。

2.3橢圓曲線加密器

橢圓曲線加密器主要是基于橢圓曲線上點計算的問題，主要曲線可以表示如下[11]：

E:y2+xy=x3+ax2+b

(7)

假如設定曲線上的三個坐標分別是X、Y和Z，加密系統的基本運算就如下所示：

(8)

(9)

(10)

所有的參數都與相關的曲線相對應。由式(8)～式(10)可以看出，橢圓曲線加密器的運算很大一部分都取決于乘法器和加法器的運算。在有限域GF(2m)中，加法器的運算可以由XOR門的運算簡單完成，因此，整個橢圓曲線加密的運算在很大程度上取決于乘法器的運算。

此外，由式(8)～式(10)也可以看出，整個加密器速度的快慢也很大程度上取決于乘法器和加法器的數量。在某一個運算周期內，若是乘法器和加法器的數量夠多，就可以實現該運算周期內所有運算的平行運算，從而縮短整體加密器的運算時間。但是與之對應的將是付出巨大的資源代價。傳統意義上的設計，很多都采用了非脈動結構的乘法器，因此整體速度就相當受限制。由于本文采用了基于脈動結構的乘法器，因此速度得到很大提升。加密器整體結構如圖4所示。

圖4　加密器整體結構圖

加密器主要由控制單元、運算單元和寄存器組成?？刂茊卧饕撠熢诿恳粋€運算周期內運算單元的調用，并將數據存取到寄存器。在每一個時鐘周期內，運算單元和寄存器相互配合，一方面把前一個周期內存在寄存器里的數據調到運算單元進行運算，另一方面把運算單元得到的結果存到寄存器。

3自動化測試系統的設計

在進行了前面各方面的研究確認后，本部分將重點討論如何進行自動化測試系統的設計，也將討論測試系統數據通信的安全性問題。測試系統整體結構如圖5所示。

圖5　測試系統整體結構圖

測試系統在進行智能電表測試時，首先要發出測試信號，以檢查智能電表是否運行在正常范圍，為了保證安全性，測試信號將首先被加密，接著加密后的信號將被輸送到智能電表系統。智能電表本身內部有自置的解碼單元，當智能電表處在正常的運轉狀態時，將發出正常運轉的信號。

為了保護智能電表的信號，發出的反饋信號又將被再一次加密，而系統控制總部在接到加密的反饋信號后進行解碼，將得到智能電表系統是否處于正常運轉的狀態。

由于采用了先進的基于脈動結構的有限域GF(2m)乘法器，本設計的測試系統將具有強大的安全保護信號傳輸能力。由于脈動結構本身的特點，該測試系統具備速運行的能力。

此外，該系統的高安全性也大大加強了其自動檢測能力。由于傳輸的信號處在高度保密狀態，使得智能電表的真實運行狀態被控制總部掌握，大大減少了原有檢測方式帶來的數據管理不易的問題。

4系統的應用

采用智能電表自動檢測系統，成功地解決了原有檢測方法效率低下問題，實現了智能電表端的自動化測試和高度安全性的數據傳輸。該系統能切實掌握整個系統內的各個智能電表的運行狀況，減少了人工成本的支出。該系統值得推廣應用到其他相關產業。

系統檢測規模如表1所示。

表1　檢測規模

5系統的實施效益分析

5.1經濟效益

智能電表自動化檢定系統在正式投入使用之后，通過技術分析和市場初步調研，每年該系統可以實現約數百萬只用電采集終端設備的檢測。由于采用了自動化流水作業和加密處理，勞務人員可減少大約65%，檢測時間可以節約65%，至少可以節約幾百萬元資金。同時，由于測試成本的降低，人們將享受更加穩定和價廉的用電。隨著技術的再發展，本系統產生的經濟效益將更加明顯。

5.2社會效益

本系統的建成將明顯地提高智能電表終端數據監測管理水平，一方面避免用電終端出現運轉錯誤并由此產生民眾不滿情緒，另一面也加強了整個電網系統的安全運作能力，對于保障國家能源安全、增強民眾滿意度具有顯著效果。本系統可在以下幾方面產生不錯的社會效益。

①減少了由于偷電、漏電帶來的一系列社會性問題，對于保障人們利益、提高人們生活水平都有重要的意義。此外，本系統對于整個電力系統的安全保障性，也有很重大的價值。

②系統采用自動化檢測技術，將大大提高勞動生產率，提高人力資源使用率。

③提高和加強了電力系統的安全性，對于公司在人們心目中的形象有極大的提升。

6結束語

本文結合智能電表自動化檢定系統的自有特點，在改進現有有限域乘法器的基礎上，成功結合橢圓曲線密碼器技術，對智能電表自動化檢定系統的安全可靠性進行扎實的討論研究。經分析表明，本文提出的智能電表自動化檢定系統具有高安全性和低資源消耗等優點，社會經濟效益和安全效果顯著，值得大力推廣使用。

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Novel and Highly Secure Automated Verification System for Smart Meters

Abstract：Along with the development of smart grid engineering project,the security of automated verification system for smart meters is more and more to be concerned.To popularize the application of automated verification system for smart meter,on the basis of combining with the features of the detection system itself,a novel and highly secure automated vefification system for smart meters is proposed.Through using the technology of elliptic curve cryptography device,the exploration,evaluation and research of security and reliability of automated verification system for smart meters are preliminarily conducted.The analysis shows that the proposed system has advantages of high security and low resource consumption,the system is worth to be spread.

Keywords:Automated detecting systemSystem securityFinite field multiplierPulsating structureElliptic curve cryptography deviceHigh securityReliabilitySmart metersElectric power industry

中圖分類號：TH7;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605019

修改稿收到日期：2015-10-13。

第一作者張曉穎(1976-)，女，2008年畢業于上海交通大學軟件工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事電能計量、自動化檢測方向的研究。