智能電網(wǎng)通信安全多維數(shù)據(jù)聚合方法研究

鄧 輝

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000）

作為新一代電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，智能電網(wǎng)是一個融合了通信、感知、控制、計算等多種技術(shù)與手段的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。其利用自動化手段，可以提高電網(wǎng)的效率、可靠性和經(jīng)濟性[1]。同時，它也是保證電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基本需求，對電力系統(tǒng)的管理與運行起到了很大的推動作用。在運行過程中，對于規(guī)模較小、影響較小的問題，智能電網(wǎng)具備自愈能力。智能電網(wǎng)中的雙向信息流能夠允許用戶依靠現(xiàn)代化的通信技術(shù)，實時地了解并掌握電價、停電等各類服務(wù)信息，為人們的用電以及整個電力企業(yè)的用電計劃制定提供更加便利的條件[2]。與此同時，智能電網(wǎng)也可以為電力公司提供用電客戶的詳細(xì)信息，以確保做到實時定價和平衡負(fù)載等智能控制。安裝在用戶端的智能電表，通過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，收集智能設(shè)備的用電信息或監(jiān)控信息，并將其與其他相關(guān)的信息一起，經(jīng)由建筑物區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和鄰域區(qū)域網(wǎng)發(fā)送至控制中心[3]。在此過程中，可能會造成使用者的用電資料、個人敏感資料以及商業(yè)秘密數(shù)據(jù)被泄露或篡改，造成使用者或供電公司的損失。因此，這些信息應(yīng)由智能終端進行加密處理，然后報告給上級部門。在智能電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)收集的范圍將會很大，包括各類智能電表和各類智能家電，它們會產(chǎn)生海量的、細(xì)粒度的、實時的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的傳輸對智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)造成了巨大的負(fù)擔(dān)，當(dāng)前的信息傳輸技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)智能配用電技術(shù)的發(fā)展，因此，如何對數(shù)據(jù)進行聚合，降低信息傳輸負(fù)載，成為智能電網(wǎng)亟待解決的問題?；诖?，本文將開展智能電網(wǎng)通信安全多維數(shù)據(jù)聚合方法研究。

1 生成智能電網(wǎng)通信安全多維數(shù)據(jù)

從位于智能電網(wǎng)覆蓋的多區(qū)域的智能電表中獲取用電用戶數(shù)據(jù)，假設(shè)獲取到的數(shù)據(jù)類型包含類，則從智能電表上獲取到的數(shù)據(jù)集合可以表示為：

2 智能電網(wǎng)通信安全多維數(shù)據(jù)加密

在生成智能電網(wǎng)通信安全多維數(shù)據(jù)后，為確保聚合的安全性，應(yīng)對數(shù)據(jù)進行加密處理。采用同態(tài)加密的方式，當(dāng)且僅當(dāng)下述等式成立時，才能將此時的加密算法稱為同態(tài)：

3 多維數(shù)據(jù)聚合與響應(yīng)

在完成對多維數(shù)據(jù)的安全加密后，需要先驗證簽名的真實性，若不是，則反饋并重新發(fā)送請求。在接收到所有用戶的簽名后，檢查式（5）是否成立：

4 實例應(yīng)用分析

為了驗證該方法在實際應(yīng)用中是否具備可行性，將該方法應(yīng)用到某智能電網(wǎng)當(dāng)中，并對其通信過程中產(chǎn)生的多維數(shù)據(jù)進行聚合處理。將本文設(shè)計的聚合方法應(yīng)用在英特爾核心i5-45250 2.4 GHz處理器上運行，首先，從聚合計算開銷角度分析該方法的應(yīng)用性能。在對開銷計算前，先通過MIRACL library計算所涉及方法中各項運算的時間成本，表1中記錄了不同運算的時間成本。

表1 不同運算規(guī)定時間成本記錄表

按照上述不同運算規(guī)定時間成本，對本文提出的聚合方法在對智能電網(wǎng)通信多維數(shù)據(jù)聚合時的時間成本進行計算。為了確保得出的結(jié)果具有客觀性，在智能電網(wǎng)中選取五種不同類型的多維數(shù)據(jù)，分別為類型I、類型II、類型III、類型IV和類型V，每組多維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量不同，包含的數(shù)據(jù)維度也不同。在完成對各組數(shù)據(jù)的聚合后，得到表2所示的時間成本記錄結(jié)果。

通過表2中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文上述提出的聚合方法在針對不同類型數(shù)據(jù)進行聚合時，其時間成本均能夠控制在15 ms以下，能夠充分滿足智能電網(wǎng)通信運維提出的多維數(shù)據(jù)聚合時間成本小于30 ms的要求。因此，通過上述得出的結(jié)果可以證明，本文設(shè)計的聚合方法具備一定的應(yīng)用可行性。

在此基礎(chǔ)上，針對本文提出的聚合方法在實際應(yīng)用中的安全性進行驗證。仍然以上述五種數(shù)據(jù)類型為例，針對五種多維數(shù)據(jù)在聚合過程中的安全性進行評價，選擇將聚合中數(shù)據(jù)的泄露量作為評價指標(biāo)，泄露量不足以影響數(shù)據(jù)的完整性，且能夠確保用電用戶隱私數(shù)據(jù)不被竊取，證明聚合具備安全條件。由于這一界定標(biāo)準(zhǔn)較為模糊，因此，規(guī)定在聚合過程中數(shù)據(jù)的泄露量在50 Mbits以內(nèi)為安全性聚合，泄露量在50 Mbits以外為危險性聚合。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，將五種類型數(shù)據(jù)在利用本文聚合方法聚合時的泄漏量記錄，并繪制成圖1所示的實驗結(jié)果。

圖1 本文聚合方法聚合過程中數(shù)據(jù)泄漏量記錄圖

從圖1記錄的結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文上述提出的聚合方法在對五種不同類型數(shù)據(jù)進行聚合時，其數(shù)據(jù)泄露量均能夠控制在20 Mbits以下，與規(guī)定限值相差較大。因此通過上述得出的驗證結(jié)果可以證明，本文設(shè)計的聚合方法在實際應(yīng)用中可以實現(xiàn)對多維數(shù)據(jù)的高效聚合，并且能夠確保多維數(shù)據(jù)的安全，為用電用戶以及電力企業(yè)提供更有利的安全保障條件。

5 結(jié)束語

本文上述研究，針對智能電網(wǎng)通信環(huán)境當(dāng)中的多維數(shù)據(jù)提出了一種更具安全可靠性的聚合方法，并通過對該方法實際應(yīng)用性能的檢驗，證明了該方法實際應(yīng)用的可行性。在智能電網(wǎng)環(huán)境中，在獲取高頻數(shù)據(jù)時，速度效率是十分關(guān)鍵的，因此本文提出的具備高聚合效率的方法應(yīng)用價值得到了進一步的體現(xiàn)。將該方法應(yīng)用于實際能夠在確保聚合效率的同時，保障數(shù)據(jù)的安全。在今后的研究工作中，還將對本文進行進一步擴展，考慮如何針對性地應(yīng)對新的攻擊情況，例如如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包等。通過這些研究，推動聚合方法的應(yīng)用性能得到充分提升，以滿足未來智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展需求。