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智能電能表應(yīng)用安全性研究

文檔作者：李紅柳陳嬌文檔來(lái)源：國(guó)網(wǎng)成都供電公司客戶(hù)服務(wù)中心計(jì)量部		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月21日
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《自動(dòng)化與儀器儀表}2014年9期(總第179期)
智能電能表應(yīng)用安全性研究
李紅柳，陳嬌
(國(guó)網(wǎng)成都供電公司客戶(hù)服務(wù)中心計(jì)量部 成都錦江，610021)
摘要：電能表是測(cè)量電路中消耗電能的儀表，是供電企業(yè)和電力用戶(hù)進(jìn)行電能貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，也是《計(jì)量法》規(guī)定實(shí)
施強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具。因此，確保電能表安全、正確、可靠是電能表使用的前提。本文分析了傳統(tǒng)電能表在安全使用上的局限，
總結(jié)了智能電能表在防攻擊方面的措施，著重提出了一種基于混合加密的智能電能表數(shù)據(jù)信息安全交互方案，并進(jìn)行了相關(guān)的分
析比較，從比較結(jié)果可以看出，采用眾多防攻擊措施的智能表在應(yīng)用的安全性上得到極大的提高。
關(guān)鍵詞：智能電能表；防攻擊；信息交互；信息安全；數(shù)據(jù)加密
DOI編碼：10．14016~．cnki．1001—9227．2014．09．027
AbBtract：Smart electricity meter Call be used to measure the energy in the electric circuit．It’S the instrument of measurement for
energy trade settlement between power supply companies and electric customers．Smart meter is also the instrument of measurement
which must pass the appraisement according to the“METROLOGY LAW ”．Therefore，security,accuracy and reliability is a prerequisite
for using smart meter．This paper analyzes the limitations of traditional electricity meter on the safe use and summarizes the steps in
terms of an ti-atack．We advance a security data tran smission solutions based on the hybrid encryption．These anti-attack measures adopted
by the smart meter Can greatly improve security．
K ：Smart Electricity Meter；Anti·atack；Information Exchange；Information Security
中圖分類(lèi)號(hào)：TM933．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—9227(2014)09—0027—03
0 引 言
電能表是測(cè)量電路中消耗電能的儀表，是供電企業(yè)和電力
用戶(hù)進(jìn)行電能貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具 ，電能表內(nèi)的用電信息被
用來(lái)作為計(jì)費(fèi)的依據(jù)，個(gè)別不法分子為其自身的利益，置國(guó)家
法律和公民道德于不顧，肆于對(duì)電能表進(jìn)行攻擊，使電能表不
能正常計(jì)量，從中獲取非法收益。
電能表的電能計(jì)量功能是電能表最基本的功能。從電能計(jì)
量的原理來(lái)看電能是電壓和電流、功率因數(shù)的乘積對(duì)時(shí)間的積
分。保證電壓、電流信號(hào)的精確測(cè)量，保證電能積分的過(guò)程連
續(xù)不間斷，以及其電能計(jì)量結(jié)果在電能表中的可靠存儲(chǔ)是電能
計(jì)量功能安全性需要考慮的重點(diǎn)。有較多傳統(tǒng)的竊電的方法是
針對(duì)電能表的這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行攻擊的。
1 傳統(tǒng)電能表的安全隱患
圖1 傳統(tǒng)鉛封
在感應(yīng)式電能表時(shí)代，電能表的安全保護(hù)很弱，唯一的保
收稿日期：2014—07—27
作者簡(jiǎn)介：李紅柳(1965一)，女，本科，高級(jí)工程師，主要從事
電能計(jì)量管理工作。
護(hù)措施就是封印技術(shù)f鉛封)如圖1所示。此種封印主要缺點(diǎn)，
一是很容易采購(gòu)到，容易仿造；二是比較容易無(wú)痕開(kāi)啟，竊電
取證比較困難；三是鉛是重金屬，成本高而且污染環(huán)境。
開(kāi)始電子表應(yīng)用后，電表的保護(hù)措施得到了一定的加強(qiáng)，
但還存在著不少問(wèn)題，如：電能表的通信都是采用開(kāi)放式的通
信協(xié)議進(jìn)行訪問(wèn)，且基本未采取加密措施，因此很容易受到：
(1)電能表數(shù)據(jù)被竊取、篡改和通信主體身份偽造的安全威脅，
也存在著報(bào)文重放攻擊等安全威脅，從而導(dǎo)致電費(fèi)計(jì)量錯(cuò)誤，
引起電力公司和電力客戶(hù)的糾紛；(2)對(duì)于預(yù)付費(fèi)的電能表，還
存在著受到攻擊后引起控制的誤動(dòng)作，從而造成用戶(hù)用電安全
隱患；(3)實(shí)行階梯電價(jià)、費(fèi)率電價(jià)的電能表的重要參數(shù)可能被
非法篡改，引起階梯電量、費(fèi)率電量的計(jì)量不正確；f4)電能表
可以通過(guò)面板按鍵方式、RS485、紅外等接口進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)與
參數(shù)設(shè)置，但安全保護(hù)措施不足，只是通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵組合操
作或固定密碼保護(hù)。
2 智能電能表的安全保護(hù)
智能電能表與傳統(tǒng)的普通電子式電能表功能上存在本質(zhì)區(qū)
別，它除具有傳統(tǒng)的電能計(jì)量功能以外，還集成了電費(fèi)計(jì)算、
電費(fèi)自動(dòng)扣減、自動(dòng)報(bào)警、開(kāi)關(guān)控制等多種智能化功能，是智
能電網(wǎng)的重要組成部分。
智能電能表按相數(shù)分可以分為單相、三相智能電能表，根
據(jù)費(fèi)控方式分為遠(yuǎn)程費(fèi)控和本地費(fèi)控智能電能表?！百M(fèi)控”是
指智能電表能根據(jù)計(jì)量的電度電量，按照設(shè)定的電價(jià)參數(shù)自動(dòng)
進(jìn)行電費(fèi)的計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)出報(bào)警或跳閘命令，從而
控制客戶(hù)用電情況。“遠(yuǎn)程費(fèi)控”是指智能電能表將計(jì)量的電
度電量信息通過(guò)電力載波、RS485、光纖等通信方式，傳送到
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《自動(dòng)化與儀器儀表)2014年9期(總第179期)
(2)交互過(guò)程密鑰更新階段是指在智能電能表接入主站系
統(tǒng)后，為了數(shù)據(jù)安全性，會(huì)定期更新數(shù)據(jù)密鑰KEY。但是為了
節(jié)省帶寬和計(jì)算資源，采用AES密鑰擴(kuò)展算法，由主站發(fā)布主
密鑰更新命令，智能表進(jìn)行與主站相對(duì)應(yīng)的更新。
通過(guò)對(duì)AES密鑰擴(kuò)展算法的分析，可知AES密碼擴(kuò)展具有
直接高效并且快速的優(yōu)點(diǎn)，但是也有通過(guò)其中任何一輪子密鑰
即可破解全部密鑰的缺陷，可以通過(guò)分析的其中的某一輪子密
鑰得到前幾輪的全部密鑰，也可通過(guò)得到的某一輪子密鑰用固
定算法推導(dǎo)出后一輪以致后面幾輪所有的密鑰。在原有的對(duì)密
鑰擴(kuò)展改進(jìn)算法的分析的基礎(chǔ)上，利用單向性策略，采用新的
密鑰擴(kuò)展算法，引入隨機(jī)函數(shù)，加強(qiáng)密鑰生成的抗攻擊強(qiáng)度。
主要原理是對(duì)初始密鑰各數(shù)值進(jìn)行移位后相加，生成的數(shù)值作
為隨機(jī)函數(shù)的種子，生成下一輪的各個(gè)密鑰，以此類(lèi)推，生成
后續(xù)各輪密鑰。由于隨機(jī)函數(shù)的使用，加劇了密鑰的混亂程
度，并且使得無(wú)法逆向推導(dǎo)，有效地增加了抗攻擊強(qiáng)度。
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圖5 改進(jìn)的密鑰擴(kuò)展算法
數(shù)據(jù)加密使用AES算法，采用GCM連接模式，帶有保密
和認(rèn)證兩部分。保密部分使用CTR模式的保密方式，即采用加
密隨機(jī)向量，與明文異或后輸出，明文本身并不進(jìn)行加密；認(rèn)
證部分采用泛哈希(fhash)~數(shù)實(shí)現(xiàn)不可逆認(rèn)證的生成。這種模
式的優(yōu)點(diǎn)是通信雙方均不需要解密運(yùn)算，只進(jìn)行加密運(yùn)算，同
時(shí)認(rèn)證輸人參量較多，防止第三方對(duì)信息進(jìn)行篡改，實(shí)行欺
騙。完整的通信流程如圖6／i)~示。
圖6 AES—GCM通信流程
上述智能電能表數(shù)據(jù)信息安全交互方案具有以下安全性
特點(diǎn)：
①雙向?qū)嶓w認(rèn)證
主站和智能電能表通過(guò)非對(duì)稱(chēng)加密算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名來(lái)進(jìn)
行身份認(rèn)證，以保證雙方交互的可靠性。
② 密鑰擴(kuò)展單向性策略
在原有AES密鑰擴(kuò)展算法的基礎(chǔ)上，加入隨機(jī)函數(shù)，保證
了密鑰擴(kuò)展的單向性，加強(qiáng)了密鑰抗攻擊強(qiáng)度。
③抗重放攻擊
使用AES—GCM進(jìn)行數(shù)據(jù)加密需要帶有隨機(jī)變量作為輸
入，采用事件戳作為該值，接收方進(jìn)行時(shí)間戳判斷，可有效地
抵抗重放攻擊。
2．3 安全記錄及負(fù)荷曲線”
智能電能表記錄電能表運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的各種事件，包
括：失壓、失流、斷相、逆相序、潮流反向、掉電、需量超
限、電流不平衡、磁場(chǎng)干擾、電源異常、內(nèi)置負(fù)荷開(kāi)關(guān)誤動(dòng)
作、需量清零、編程記錄、校時(shí)記錄、開(kāi)表蓋記錄、開(kāi)端鈕
蓋記錄、電表清零、拉合閘等。同時(shí)能記錄事件發(fā)生的時(shí)間
和次數(shù)，并通過(guò)通信方式及時(shí)上報(bào)，電力公司可以實(shí)時(shí)掌握
電表的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異?？梢约皶r(shí)處置，確保電能表安全
正常運(yùn)行 。
3 小結(jié)
本文分析了傳統(tǒng)電能表的安全隱患，介紹了智能電能表的
安全防護(hù)措施，著重提出了一種基于混合加密的智能電能表數(shù)
據(jù)信息安全交互方案。方案采用非對(duì)稱(chēng)加密方式進(jìn)行首次的數(shù)
據(jù)密鑰傳遞，改進(jìn)的密鑰擴(kuò)展算法進(jìn)行后續(xù)的密鑰更新，同時(shí)
使用對(duì)稱(chēng)加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，有效地兼顧了通信安全性和
計(jì)算效率。
智能防偽封印防止了智能電能表物理層面的破壞，數(shù)據(jù)交
互信息加密保證了通信信道的安全，安全記錄及負(fù)荷曲線對(duì)智
能電能表進(jìn)行了安全紀(jì)錄。通過(guò)這三個(gè)方面的安全性保護(hù)，智
能電能表能有效地應(yīng)用于電力數(shù)據(jù)計(jì)量、數(shù)據(jù)信息安全傳遞和
用戶(hù)購(gòu)電充值或控制指令的接收，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的安
全性。
參考文獻(xiàn)
[11 ]GB／T 11150-20m(<交流電能表檢驗(yàn)裝置》．>

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