基于神經網絡的電力調度信息加密傳輸方法研究

摘? 要：目前，越來越多的產業都選擇利用網絡技術提高自身的工作效率。其中，電力網絡的覆蓋面積廣，其中包含的電力從站數量多，因此，電力公司對網絡的使用要求格外嚴格。電網的正常運行離不開電力調度信息的有效、可靠傳輸。為提高電網的使用安全，對于電力調度信息的安全傳輸越來越重要。因此，為實現電力調度信息的安全傳輸，需應用有效的電力調度信息加密傳輸方法。

關鍵詞：神經網絡;電力調度;加密傳輸

1 電力調度信息加密傳輸方法設計

1.1 利用神經網絡設置混沌序列

采用混沌系統生成電力調度信息的混沌序列，然后將混沌理論與信息加密相結合。現將復合混沌序列密碼定義如下。

假設wi=fq（wi?1）wi=fq（wi-1）表示wi是區間[?1，1][-1，1]上的一組離散混沌動力系統，其中q=0，1，2，…，k。另存在任意序列U=（u1，u2，u3，…）∈{0，1，…，k}∞U=（u1，u2，u3，…）∈{0，1，…，k}∞，且wi=fbi（wi?1）wi=fbi（wi-1）是迭代系統在序列B下的復合系統，此時的序列B就是復合序列。然后利用復合混沌算法建立復合混沌映射模型，其約束條件如式（1），

式中，當wi∈[?1，1]wi∈[-1，1]在迭代時，系統會在f0（wi）=2w2i?1f0（wi）=2wi2-1與f1（wi）=4w3i?3wif1（wi）=4wi3-3wi兩個混沌方程中隨機選擇其中的一個作為產生混沌字節的混沌序列發生器。若方程進行n-1次迭代后的值均小于0時，則將該值帶入f（u）=4u3?3uf（u）=4u3-3u中，作為第n次迭代的初始值，繼續進行迭代。而此次研究的電力調度信息加密傳輸過程需要豐富調度信息在神經網絡中的輸入，通過神經網絡變換混沌序列，實現調度信息序列的逐位異或，以此得到信息密文。

根據神經網絡生成混沌隨機碼的基本原理，假設Xi=（x1，x2，…，xi，…，xn）Xi=（x1，x2，…，xi，…，xn）表示n維二進制向量，Yi=（y1，y2，…，yi，…，yn）表示n維雙極向量，且i=1，2，…，n。假設存在M個二進制向量δc（c=1，2，3，…，M）存儲于網絡吸引子上，則相鄰的神經元節點之間的連接權如式（2），

式中，wij表示節點i和節點j之間的連接權，γc表示二進制向量δc的雙極性系數。函數σ的定義如式（3），

則可得到連接權矩陣T如式（4），

式中，C表示γc的存儲模式。

根據神經網絡的學習規則得到神經網絡的連接權矩陣，豐富神經網絡中待輸入的電力調度信息，實現對電力調度信息混沌序列的優化設置。

1.2 加密電力調度信息

由于設置的混沌序列中數據量較大，因此，將密鑰長度設置為128位。選用的加密算法執行變換任務時，用4行N列的矩陣，表示128位加密長度的狀態。同時，密鑰可類似表示4行N1列的矩陣，其中N1=128/32。則分組長度為128位的密鑰矩陣，可得到一個4行4列的新矩陣，新矩陣中的16個數據可表示不同的電力調度信息。

該過程的變換輪數N2由N和N1共同決定。而128位的密鑰長度共需10次序列變換。在變換的過程中，需要通過字節代換、行移代換、列混合變換，加密電力調度序列的基本信息。字節代換本質上就是替換操作，即將狀態矩陣中的元素替換成新的字節。行移代換是一種線性變換，按照加密規則實現。該規則為：在狀態矩陣中，令第a行的字節向下移動，與d1交換;而列混合變換，就是令第b列的字節向左移動，與d2交換，其過程如圖1所示。

根據上述提到的三類代換規則，置亂序列信息，利用加密函數對混沌序列信息加密，該函數見式（5），

式中，CEi表示對第i個序列的加密結果，IEi表示第i個序列的明文，counti表示信息的初始化向量，SK表示共享密鑰。通過上述公式，完成對電力調度信息序列的加密。

1.3 設計動態加密傳輸方案

為保持密鑰的新鮮性，提升電力傳輸網絡的安全性和自愈性，設計一個動態加密傳輸方案，將加密信息在加密信道中安全傳輸。設計的加密傳輸方案共需要滿足3個必要條件：數據加密模塊、動態密鑰生成模塊以及共享密鑰更新模塊。其中，數據加密模塊的作用是對待傳輸的電力調度信息進行加密，該步驟已經在上一節實現，此節就不再進行說明;動態密鑰生成模塊要求在信息傳輸過程中，電力主站設備和從站設備之間，生成一個動態密鑰，保持兩端一致性;共享密鑰更新模塊利用加密傳輸中的動態密鑰，對共享密鑰進行實時更新。

根據加密函數可知，SK是加密的關鍵組件，利用動態密鑰DS，設置共享密鑰SK的更新條件。已知傳統的加密傳輸中涉及到DNP3和Modbus兩種協議，其中Modbus協議使用最為廣泛，因此，在本文中不再詳細介紹該協議的特點與規則，而是從DNP3協議規則入手。DNP3協議信息傳輸規則：在規定時間內，電力調度信息發出控制指令的一方，如果沒有收到預期應答，則重新發送應用層調度信息，若多次重發后依舊無法收到響應，則認為信息傳輸失敗。本研究設計的預期動態密鑰通過監聽正確傳輸的信息產生，在解析數據鏈路不會出現額外的開銷，因此可將傳輸隨機數作為產生新動態密鑰的依據。

2 實驗與分析

為驗證本研究提出的基于神經網絡的電力調度信息加密傳輸方法的可靠性，設計如下對比實驗。將本文方法作為測試A組，將傳統的利用HTTPS加密協議實現電力信息安全傳輸的方法作為測試B組，將傳統的電力信息超輕量級流加密方法作為測試C組。通過比較應用不同的信息加密傳輸方法后電力網絡的安全性和自愈性，來判斷不同方法的有效性。

2.1 實驗準備

實驗中模擬的攻擊類型包括竊聽攻擊、惡意注入攻擊以及假冒攻擊，3種攻擊的基本信息如表1所示。

結合上述測試環境，檢驗應用不同加密方法后，電力網絡的安全性和自愈能力，從而判斷不同的應用性能。

2.2 結果分析

首先檢驗應用不同加密傳輸方法后，電網的安全性。將電網接入情況、及時性、完整性和準確性作為測試指標，測試存在竊聽攻擊、惡意注入攻擊以及假冒攻擊的情況下，應用不同加密傳輸方法后，應用本研究設計的基于神經網絡的電力調度信息加密傳輸方法后，電網的安全性和自愈性更強，充分證明了該方法的有效性。

3 總結

以傳統的信息加密傳輸方法保持密鑰新鮮性能力差的問題作為研究要點，利用神經網絡的高強學習能力，設計一種適用于實時動態變化的加密傳輸方案，有效保證電網傳輸數據過程的安全性，并當存在攻擊時，通過極高電網自愈能力為信息加密傳輸提供可靠的保護手段。

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作者簡介：劉意航（1994.08--）女，本科 ，助理工程師，主要從事電力調度控制方面。