智能電網(wǎng)安全與隱私保護相關(guān)問題研究.pdf

1、隨著信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，中國、美國、加拿大等世界各國都正在將陳舊的電力系統(tǒng)升級為智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)擁有雙向通信、高可靠性、實時需求響應、自愈以及用戶參與等特點，具有很高的研究價值和應用價值。其中，安全和隱私是智能電網(wǎng)設計和實現(xiàn)的關(guān)鍵問題之一，直接影響智能電網(wǎng)的正常運行和人們對智能電網(wǎng)技術(shù)的接受程度。從智能電網(wǎng)的組成成分、分布地域以及設計對象來看，智能電網(wǎng)是個非常復雜的系統(tǒng)，隨著智能電網(wǎng)在全世界范圍內(nèi)的部署，越來越多的安全和隱私問題

2、也暴露出來。由于智能電網(wǎng)的復雜性和不斷有新技術(shù)的應用，傳統(tǒng)的安全和隱私保護機制無法直接應用，亟待新的保護機制解決這些問題。本文在系統(tǒng)研究智能電網(wǎng)安全和隱私保護問題的基礎上，針對智能電網(wǎng)中新涌現(xiàn)的安全和隱私問題：電網(wǎng)用戶隱私問題和關(guān)鍵設備組通信問題，進行了深入的研究，提出了相應的解決方案。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴研究了智能電網(wǎng)中用戶多維測量數(shù)據(jù)隱私保護問題，設計了一種基于云的用戶數(shù)據(jù)快速安全查詢機制。智能電網(wǎng)快速發(fā)展導致測量數(shù)據(jù)

3、的井噴式爆發(fā)，給電力公司帶來了沉重的負擔。如何進行安全高效且保護用戶隱私的多維測量數(shù)據(jù)查詢是智能電網(wǎng)面臨的嚴峻問題。因此，本文提出了一個保護隱私的多維測量數(shù)據(jù)查詢機制并在hadoop分布式環(huán)境下用Mapreduce程序?qū)崿F(xiàn)了原型系統(tǒng)。在本文所提出的查詢機制中，多維測量數(shù)據(jù)以密文的形式存放在云服務器中，為了在保護用戶隱私的同時提高數(shù)據(jù)的可用性，查詢者通過本文設計的搜索算法可以獲得前K個最相似數(shù)據(jù)的ID。對于搜索結(jié)果，為了加強數(shù)據(jù)所有者對數(shù)

4、據(jù)的控制，本文使用一種改進的基于屬性的密文策略加密方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問控制，只有滿足特定屬性的查詢者才能計算出數(shù)據(jù)密文的密鑰從而獲得所查詢的數(shù)據(jù)。安全分析表明本文提出的查詢機制可以有效保護測量數(shù)據(jù)的機密性以及用戶的隱私。通過對測試數(shù)據(jù)進行實驗表明該機制在保證不損失搜索質(zhì)量的情況下，能夠較大的縮短搜索時間和提高搜索效率，使其更適合于智能電網(wǎng)中的海量多維測量數(shù)據(jù)搜索。
　?、蒲芯苛酥悄茈娋W(wǎng)中電車用戶的隱私問題，設計了電車到電網(wǎng)（V2G

5、）中具有可控鏈接和保護隱私屬性的安全通信模型。V2G是智能電網(wǎng)的重要組成部分，能極大提高電網(wǎng)的效率和促進清潔能源的應用，然而參與V2G用戶的隱私問題卻沒有得到很好的解決，制約著V2G的進一步發(fā)展。本文針對V2G中用戶的隱私保護與V2G管理者調(diào)度優(yōu)化之間的矛盾，設計了具有可控鏈接和保護隱私屬性的安全通信模型。為了保護電動汽車用戶的敏感數(shù)據(jù)，我們基于隱藏向量加密的查詢謂詞方法設計了用戶信息查詢方案，使得V2G管理者可以在不獲取用戶確切敏感數(shù)

6、據(jù)的情況下對電動汽車進行充放電調(diào)度。另外，V2G操作者可以通過鏈接服務器根據(jù)實際需求對用戶參與V2G的情況進行匿名統(tǒng)計，并可向可信授權(quán)申請對破壞V2G系統(tǒng)的惡意用戶進行追蹤。安全分析表明，本文提出的模型可以有效地保護用戶身份和位置隱私、狀態(tài)信息隱私。性能分析表明，該模型的計算開銷和通信開銷都比較適中，完全適用于V2G系統(tǒng)中。
　　⑶研究了智能電網(wǎng)中監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)的安全可靠組通信問題，提出了一種高效的自愈群組密

7、鑰管理機制。根據(jù)智能電網(wǎng)中SCADA系統(tǒng)的實時性、資源受限性等特點，提出了一種高效的自愈組密鑰管理機制。通過巧妙構(gòu)造的自愈結(jié)構(gòu)，本文所提機制可以保證系統(tǒng)在設備出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)安全運行。群組密鑰的前向安全性和后向安全性由雙向哈希鏈所保證。安全分析表明本文所提出的密鑰管理機制能夠滿足組密鑰的安全需求，并且具有動態(tài)撤銷被俘獲節(jié)點、抗同謀攻擊等特性。性能分析表明該機制的存儲開銷和通信開銷都比較適中，能夠滿足SCADA系統(tǒng)中的性能要求

8、。
　　⑷研究了智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集端的安全組通信問題，基于邏輯路由樹提出了一種高效的組密鑰管理機制。針對負責智能電網(wǎng)中的重要設備與關(guān)鍵線路數(shù)據(jù)采集的無線傳感器網(wǎng)絡，本文提出了一種基于分層和分簇的安全并可擴展的組密鑰管理機制。根據(jù)通信安全需求的不同，本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的路由拓撲分別為簇頭和簇成員設計了兩種密鑰管理方案。在本文提出的密鑰管理機制中，由于一個層或簇中位置相鄰的節(jié)點共享相同的密鑰加密密鑰，密鑰更新的開銷可以顯著降低，此外