新型高安全性的智能電表自動化檢定系統(tǒng)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
張曉穎1 莊葛巍1 朱 錚1 謝佳峰2
（國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院1，上海200051；萊特州立大學(xué)電氣工程系2，美國俄亥俄州代頓45435）
摘要：隨著智能電網(wǎng)工程的發(fā)展，智能電表自動化檢定系統(tǒng)的安全性越來越受到人們的關(guān)注。為使智能電表的自動化檢定系統(tǒng)得到大范圍推廣應(yīng)用，在結(jié)合檢測系統(tǒng)本身特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了一種新型高安全的智能電表自勃化檢定系統(tǒng)。通過結(jié)合橢圓曲線密碼器技術(shù)，對智能電表自動化檢定系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)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(tǒng)具有高安全性和低資源消耗等優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：自動化檢定系統(tǒng)系統(tǒng)安全有限域乘法器脈動結(jié)構(gòu)橢圓曲線密碼器高安全性可靠性智能電表電力行業(yè)中圖分類號：TH7；TP27 DOI:10. 16086/j. cnki．issnl000 - 0380. 201605019
0 引言
隨著電力行業(yè)和國家電網(wǎng)的大力發(fā)展，智能電表計量自動化檢定系統(tǒng)成為越來越重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)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。該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)通信為載體，通過多種路徑到達(dá)計算機(jī)終端，與工程現(xiàn)場進(jìn)行信息通信和數(shù)據(jù)交換。
自動化檢定系統(tǒng)具有高度的集成性和復(fù)雜性，因此有必要對系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行系統(tǒng)性研究。該研究不僅會對國內(nèi)相關(guān)或者類似系統(tǒng)的安全性研究具有重要意義，而且可以保障國家電網(wǎng)工程建設(shè)的安全性。當(dāng)然，該系統(tǒng)本身所具有的自動化檢測能力將大大降低電網(wǎng)建設(shè)和后續(xù)維護(hù)的費(fèi)用，最終對于提高企業(yè)效益和人們生活水平都有顯著效果。
1檢測系統(tǒng)模型分析
串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和旁聯(lián)模型如圖1所示。
1.1 串聯(lián)模型
串聯(lián)模型指的是所有的智能電表都采用串聯(lián)的方式，因此系統(tǒng)中任何一個智能電表出故障都會造成整個系統(tǒng)的故障，具體如圖1(a)所示。這類結(jié)構(gòu)大大增加了智能電表檢測的難度，如果系統(tǒng)出問題，只能挨個進(jìn)行測試，這將造成資源大量重復(fù)使用和浪費(fèi)。
1.2并聯(lián)模型
并聯(lián)模型就是所有的智能電表都采用并聯(lián)的方式，這樣，只有當(dāng)系統(tǒng)里的每一個智能電表都發(fā)生故障時，系統(tǒng)才停止工作，如圖1(b)所示。與圖1(a)的串聯(lián)模型相比，并聯(lián)模型能更好地工作。
1.3旁聯(lián)模型
在旁聯(lián)模型下，整個系統(tǒng)的n個智能電表只有一個在工作。當(dāng)正在工作的智能電表出現(xiàn)故障后，可以通過轉(zhuǎn)換設(shè)備接到另外一個智能電表，使其繼續(xù)工作，一直等到所有的智能電表都出現(xiàn)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(tǒng)包含了大量的信息傳輸與處理。系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)的安全性傳輸也越來越受到關(guān)注。本設(shè)計著重開發(fā)基于有限域GF(2m)橢圓曲線加密系統(tǒng)。
橢圓曲線密碼系統(tǒng)是一種由Koblitz和Miller在1985年分別提出的公匙密碼系統(tǒng)。在所有已知的公匙密碼系統(tǒng)中，橢圓曲線密碼系統(tǒng)具有安全性最高、處理速度最快和開銷最低等特點(diǎn)，是目前信息安全性傳輸研究的熱點(diǎn)。
2.1設(shè)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(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖2所示。
加密系統(tǒng)的設(shè)計首先要改進(jìn)加密系統(tǒng)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(jìn)的有限域CF(2m)乘法器基礎(chǔ)上，進(jìn)行加密系統(tǒng)本身的算法優(yōu)化；最后在算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計相對應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，使得整個加密系統(tǒng)的低資源利用得以實(shí)現(xiàn)。
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(tǒng)上執(zhí)行點(diǎn)加和點(diǎn)乘的基本運(yùn)算單元。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局為此推薦了5個多項式用于有限域GF(2m)乘法運(yùn)算，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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的三項式有限域CF(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(jié)構(gòu)乘法器。該乘法器具有速度快和資源消耗低等特點(diǎn)，本文設(shè)計的乘法器將在此基礎(chǔ)上有進(jìn)一步的改進(jìn)。
基于Karatsuba方法的三項式有限域GF(2m)脈動結(jié)構(gòu)乘法器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：
這樣的話，2個階數(shù)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-樣，也具有類似的多項式表達(dá)式。日也是如此。為此，可以得到：
基于該算法的脈動結(jié)構(gòu)存在一個主要的缺點(diǎn)，即該結(jié)構(gòu)在執(zhí)行該算法的最后一步運(yùn)算時，并沒有考慮到關(guān)鍵路徑的設(shè)計，導(dǎo)致該算法在數(shù)位比較小時，頻率較低。為此，本文提出了一種新的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行該算法的最后一步，如圖3所示。圖3中，黑塊表示寄存器。
最后一步，通過寄存器的設(shè)計來進(jìn)行關(guān)鍵路徑的限制。當(dāng)整個結(jié)構(gòu)選擇特定的數(shù)位時，最后一步的結(jié)構(gòu)就選擇相應(yīng)的寄存器設(shè)計，這樣使得最后一步的關(guān)鍵路徑和前面幾步的關(guān)鍵路徑完全一致，避免了由于之前設(shè)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(diǎn)計算的問題，主要曲線可以表示如下：
假如設(shè)定曲線上的三個坐標(biāo)分別是X、Y，和Z，加密系統(tǒng)的基本運(yùn)算就如下所示：
所有的參數(shù)都與相關(guān)的曲線相對應(yīng)。由式(8)~式(10)可以看出，橢圓曲線加密器的運(yùn)算很大一部分都取決于乘法器和加法器的運(yùn)算。在有限域GF(2m)中，加法器的運(yùn)算可以由XOR門的運(yùn)算簡單完成，因此，整個橢圓曲線加密的運(yùn)算在很大程度上取決于乘法器的運(yùn)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(shù)量。在某一個運(yùn)算周期內(nèi)，若是乘法器和加法器的數(shù)量夠多，就可以實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算周期內(nèi)所有運(yùn)算的平行運(yùn)算，從而縮短整體加密器的運(yùn)算時間。但是與之對應(yīng)的將是付出巨大的資源代價。傳統(tǒng)意義上的設(shè)計，很多都采用了非脈動結(jié)構(gòu)的乘法器，因此整體速度就相當(dāng)受限制。由于本文采用了基于脈動結(jié)構(gòu)的乘法器，因此速度得到很大提升。加密器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
加密器主要由控制單元、運(yùn)算單元和寄存器組成�？刂茊卧饕�(fù)責(zé)在每一個運(yùn)算周期內(nèi)運(yùn)算單元的調(diào)用，并將數(shù)據(jù)存取到寄存器。在每一個時鐘周期內(nèi)，運(yùn)算單元和寄存器相互配合，一方面把前一個周期內(nèi)存在寄存器里的數(shù)據(jù)調(diào)到運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算，另一方面把運(yùn)算單元得到的結(jié)果存到寄存器。
3 自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計
在進(jìn)行了前面各方面的研究確認(rèn)后，本部分將重點(diǎn)討論如何進(jìn)行自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計，也將討論測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的安全性問題。測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
測試系統(tǒng)在進(jìn)行智能電表測試時，首先要發(fā)出測試信號，以檢查智能電表是否運(yùn)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(tǒng)。智能電表本身內(nèi)部有自置的解碼單元，當(dāng)智能電表處在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，將發(fā)出正常運(yùn)轉(zhuǎn)的信號。
為了保護(hù)智能電表的信號，發(fā)出的反饋信號又將被再一次加密，而系統(tǒng)控制總部在接到加密的反饋信號后進(jìn)行解碼，將得到智能電表系統(tǒng)是否處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。
由于采用了先進(jìn)的基于脈動結(jié)構(gòu)的有限域GF(2m)乘法器，本設(shè)計的測試系統(tǒng)將具有強(qiáng)大的安全保護(hù)信號傳輸能力。由于脈動結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，該測試系統(tǒng)具備速運(yùn)行的能力。
此外，該系統(tǒng)的高安全性也大大加強(qiáng)了其自動檢測能力。由于傳輸?shù)男盘柼幵诟叨缺Ｃ軤顟B(tài)，使得智能電表的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)被控制總部掌握，大大減少了原有檢測方式帶來的數(shù)據(jù)管理不易的問題。
4 系統(tǒng)的應(yīng)用
采用智能電表自動檢測系統(tǒng)，成功地解決了原有檢測方法效率低下問題，實(shí)現(xiàn)了智能電表端的自動化測試和高度安全性的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)能切實(shí)掌握整個系統(tǒng)內(nèi)的各個智能電表的運(yùn)行狀況，減少了人工成本的支出。該系統(tǒng)值得推廣應(yīng)用到其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)。
系統(tǒng)檢測規(guī)模如表1所示。
5 系統(tǒng)的實(shí)施效益分析
5.1經(jīng)濟(jì)效益
智能電表自動化檢定系統(tǒng)在正式投入使用之后，通過技術(shù)分析和市場初步調(diào)研，每年該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)約數(shù)百萬只用電采集終端設(shè)備的檢測。由于采用了自動化流水作業(yè)和加密處理，勞務(wù)人員可減少大約65%，檢測時間可以節(jié)約65%，至少可以節(jié)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(wěn)定和價廉的用電。隨著技術(shù)的再發(fā)展，本系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。
5.2社會效益
本系統(tǒng)的建成將明顯地提高智能電表終端數(shù)據(jù)監(jiān)測管理水平，一方面避免用電終端出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)錯誤并由此產(chǎn)生民眾不滿情緒，另一面也加強(qiáng)了整個電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)作能力，對于保障國家能源安全、增強(qiáng)民眾滿意度具有顯著效果。本系統(tǒng)可在以下幾方面產(chǎn)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(tǒng)對于整個電力系統(tǒng)的安全保障性，也有很重大的價值。
②系統(tǒng)采用自動化檢測技術(shù)，將大大提高勞動生產(chǎn)率，提高人力資源使用率。
③提高和加強(qiáng)了電力系統(tǒng)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(jié)束語
本文結(jié)合智能電表自動化檢定系統(tǒng)的自有特點(diǎn)，在改進(jìn)現(xiàn)有有限域乘法器的基礎(chǔ)上，成功結(jié)合橢圓曲線密碼器技術(shù)，對智能電表自動化檢定系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行扎實(shí)的討論研究。經(jīng)分析表明，本文提出的智能電表自動化檢定系統(tǒng)具有高安全性和低資源消耗等優(yōu)點(diǎn)，社會經(jīng)濟(jì)效益和安全效果顯著，值得大力推廣使用。
下一篇:返回列表
