新型高安全性智能電網電能終端自動檢測系統的設計

張曉穎,莊葛巍,張洪紅,張靜月

(國網上海電力公司電力科學研究院，上海 200051)

新型高安全性智能電網電能終端自動檢測系統的設計

張曉穎,莊葛巍,張洪紅,張靜月

(國網上海電力公司電力科學研究院，上海 200051)

針對國家智能電網中現有的電能終端自動檢測系統安全性不高等問題，設計了一種新型的加密器，以提高電能終端自動檢測系統的信號安全性。考慮到檢測系統的信號傳輸大的特點，采用了最新型的橢圓曲線密碼系統，在具體的電能終端自動檢測系統上進行了可行性研究。首先提出了一種新型的基于分布式算法的濾波器結構，然后在該濾波器的基礎上進行了前端系統的設計。除此之外，橢圓曲線密碼系統中采用了一種基于有限域GF(2m)的乘法器。該乘法器以脈動結構的形式，實現了高速運行。整個橢圓曲線密碼系統由乘法器、加法器等運算單元組成，并在基于FPGA的平臺上實現，取得了更好的應用效果。實測結果驗證了該橢圓曲線系統在自動檢測系統中的可行性，該設計可以推廣應用到大范圍電能檢測系統。

智能電網； 電能表； FPGA; 濾波； 安全性； 檢測

0 引言

國家智能電網系統在這幾年得到了大力發展，電能終端檢測系統也變得越來越重要。同時，傳統的檢測系統也凸顯出越來越多的弊病[1-5]：①效率低下，傳統檢測多依賴人工；②安全性低，智能電網的規模變大。因此，如何保護數據已成為亟待解決的問題。

針對這一現狀，已經涌現了一些基于電能終端的自動化檢測系統[1,5]。這些檢測系統具有一些共同的特點：都是在基于具體的實際檢測情況下，結合現代數字技術和嵌入式系統技術對電能終端進行檢測處理。但是對于這些檢測系統的安全性進行結合設計的研究并不是很多。

本文在基于上述研究的基礎上，設計了一種新型基于FPGA平臺的終端自動檢測系統。該自動檢測系統將結合最新型橢圓曲線密碼系統進行數據處理的高度加密，并在具體環境中進行運行可行性驗證。

1 電能終端自動檢測系統

1.1 總體介紹

在智能電網中，電能終端主要包括單相電能表、三相電能表和集中器等儀表。這些儀表的運行準確性決定了電網的正確運行。因此，每個電能終端都要經過嚴格的測試才能投入使用。目前，由于存在許多不同規格的電能終端，檢測系統只能分規格對這些儀表的電能終端進行多條流水線檢測，導致檢測任務占用智能電網比重太大；同時，還存在智能檢測系統研發上的投入不足等問題，亟需大力改進研發突破度不夠等現狀[5-6]。

1.2 基本結構

本設計的目的是要提供一種電能終端自動檢測系統，它不僅能夠實現多個電能終端的檢測，而且可以有效解決檢測系統的安全性問題。

對此，本文設計的檢測系統采用一個電能終端自動檢測裝置來實現。該裝置包括基座、氣缸、導軌、移動裝置、固定架子、驅動器和檢測端子。氣缸作為一個缸體被固定安置在架子上，移動裝置通過移動滑輪來回滑動，從而推動氣缸的活塞與移動裝置相連。同時，在移動架子上有專門的固定架子用來固定電能終端的檢測設備。各部件的相關功能如下。

①固定架子：主要通過軸承固定在移動裝置上，并且該移動裝置有比較靈活的內外圈設計，使得軸承可以對這個架子進行直接控制，從而降低對馬達的要求。

②驅動器：主要包括一個電機，該電機通過軸承與外面的齒輪結合。該設計比較簡單、方便，同時也便于電機驅動帶動固定架子移動。

③檢測端子：中部有孔，可以和移動裝置相連接。同時，這個裝置也與檢測端的電能終端有接觸，從而使得檢測的接觸變得方便。

由于固定架子上有不同的檢測端子，使得該檢測裝置可以實現對多種檢測物體的同時檢測。此外，在移動裝置的底部還有一段移動使用的導軌，該導軌可以很方便地與移動裝置配合，使整個系統的操作變得簡單。

本文設計的電能終端自動檢測系統主要結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

本設計的主要優點為：本系統由移動裝置驅動，帶動檢測端子對電能終端系統進行檢測，具有性能優異、使用簡單等特點；同時，該檢測系統可以對多種電能終端進行檢測，從而極大提高了系統的檢測效率。

1.3 濾波器設計

本文設計的濾波器主要包括兩個部分：①外在的電能終端自動檢測系統；②以FPGA(可編程邏輯控制器件)為主的安全系統和控制系統。

其中，在基于FPGA的控制系統中，信號的濾波部分格外重要，因為其是整個系統能否正常運行的前提。該濾波器的設計過程如下。

該濾波器是由有限脈沖響應濾波器(finite impulse response,FIR)實現的[6]。考慮到FPGA的主要組成特點，本設計采用分布式算法(distributed arithmetic,DA)。分布式算法為：

(1)

式中：{ci}為系數；{xi}為W位的輸入；N為濾波器的項數；Y為濾波器的輸出。

輸入可以表示為二進制補碼的方式：

(2)

式中：xi,W-1為{xi}的每一個二進制位。

把式(2)代入式(1)，可得：

(3)

定義：

(4)

(5)

則式(3)可表示為：

(6)

為便于計算，假設輸入均為整數，則有：

(7)

定義：

(8)

如N=P×M，則可以有：

(9)

(10)

式中：(G)j,P為存儲器中的值。

在上述算法的基礎上，本文創造性地提出了一種新型基于脈動結構的濾波器。與現有的基于脈動結構的濾波器相比，本設計主要具有處理速度快、結構簡單這兩大特點。

①處理速度快。基于脈動結構的濾波器算法如圖2所示。該濾波器采用了所有字節都可以進行平行處理的方法。與現有的濾波器不同的是，該濾波器的處理單元(processing element，PE)可同時進行數值的計算，雖然資源比之前減少了，但是還是保持了很高的計算速度。

圖2 基于脈動結構的濾波器算法示意圖

②結構簡單。不同于傳統意義上的濾波器，本設計建立在分布式算法的基礎上，其計算部分主要由查找表(lookup table,LUT)實現。由于本設計的獨特性，該濾波器的查找表可以同時實現對輸入的處理，大大提高了工作效率。該查找表的設計符合FPGA本身器件的特點，因此在該平臺上可以有很好的表現。

2 橢圓曲線加密系統

由于電能終端自動檢測系統需要傳輸與處理很多重要的信息，系統的安全性數據處理問題也越來越受到重視。此外，自動化檢測系統本身是否具有良好的安全性也是一個很大的問題。針對這一現狀，本文提出將基于有限域GF(2m)的橢圓曲線加密系統嵌入到電能終端檢測系統，以實現高安全性運行[7-11]。

橢圓曲線密碼系統是一種公匙密碼系統，最早由Koblitz和Miller在1985年分別提出[9]。在目前已知的公匙密碼系統中，橢圓曲線密碼系統具有最高級別的安全性，也是數據處理安全性研究的熱點。

2.1 設計流程

整個橢圓曲線加密系統的結構設計流程如圖3所示。

圖3 系統結構設計流程圖

該加密系統的設計主要是從底層結構的基于有限域GF(2m)的乘法器開始的。本文通過設計新型的基于有限域GF(2m)的乘法器，來實現底層結構的優化。在此基礎上，對中間層次的算法進行改良。這個算法主要是對加密系統中的計算結構進行優化，包括在每一個周期使用最少數量的乘法器進行計算。最后，進行系統的編程處理，并且取得最終的結果，該結果將進行測試驗證并且在FPGA上得到實際操作。通過該流程也可以發現，整個密碼器的主要核心是基于有限域GF(2m)的乘法器。

2.2 基于有限域GF(2m)的乘法器

有限域GF(2m)的乘法器是橢圓曲線加密系統上執行點加和點乘的基本運算單元。美國國家標準局為此推薦了五個多項式用于有限域GF(2m)乘法運算[9]，其中有兩個三項式、三個五項式。近年來，許多研究都集中在脈動結構實現的三項式有限域GF(2m)乘法器。特別是文獻[10]推出了基于Karatsuba方法的三項式有限域GF(2m)脈動結構乘法器。該乘法器具有速度快和資源消耗低等特點，本文設計的乘法器將在此基礎上作進一步的改進。

假設a(x)和b(x)為輸入、c(x)為輸出，則根據Montgomery算法，可以有：

(11)

c0=T2+T3+T1xm-n=c0,0+c0,1x+…+c0,m-1xm-1

(12)

c1=T1+T3xn=c1,0+c1,1x+…+c1,m-2xm-2

(13)

式(11)可簡化為：

(14)

則：

(15)

式中：u和v分別代表式(14)中矩陣B1和B2的每一列。

根據算法進行乘法器結構的設計。本文采用以脈動結構為主的乘法器，主要是因為基于脈動結構的乘法器速度比較快、結構比較簡單。

基于脈動結構的乘法器的設計流程如下。首先，如式(15)所示，整個計算的最終結果由兩部分組成，因此本設計采用了一個處理單元并行處理三個數據的方式。其次，嚴格按照式(15)的計算順序，把每一個處理單元相連以取得最終結果。最后，加密系統將設計好的乘法器作為基本運算單元調用。

2.3 橢圓曲線加密系統的算法和實現

橢圓曲線加密系統的運算主要以橢圓曲線的某兩個點按一定規則進行計算為基礎而組成的。其中一個曲線可以表示如下[11]：

E:y2+xy=x3+ax2+b

(16)

假設橢圓曲線(15)上的坐標為X、Y和Z，加密系統的運算可表示為：

(17)

(18)

(19)

式中：所有的參數均為曲線對應點的坐標值。

由式(17)～式(19)可知，橢圓曲線加密系統的運算基本取決于乘法器的運算。

基于式(17)～式(19)的加密系統結構如圖4所示。

圖4 加密系統結構示意圖

如圖4所示，該系統主要由控制器、運算器(乘法、加法和平方)和存儲單元組成。控制單元主要負責對運算器進行合理調配和資源安排，使得這些單元部件之間充分配合，以取得合理結果。

3 自動測試系統的驗證和應用

本部分將重點研究自動測試系統的驗證和應用，其主要結構如圖5所示。

圖5 自動測試系統結構示意圖

由圖5可知，自動測試系統在正常工作的情況下，首先由控制總部發出檢測命令使得密碼系統工作，然后密碼系統發出相應的指令對電能終端進行檢測控制。在這一過程中，由于測試信號被加密，確保了整個系統的運轉處于高度保密狀態。

與此同時，該系統的高安全性極大地增強了電能終端的自動檢測能力，這也使得傳統檢測方式所附帶的數據難以管理的問題得以解決。

整個系統包括濾波器(64項，8位字長)和加密器(三項式域值為233)，最終都由硬件描述語言寫成程序并下載到FPGA Virtex-6芯片中。表1是最終測試系統在FPGA平臺上進行實現的具體數據與相關文獻方法實現結果的比較。由表1可以看到，本文所提出的結構比文獻中的結構在面積、關鍵路徑時間和功耗上均有較大提高。

表1 幾種設計方法的FPGA實現比較

4 系統的應用

本文設計的電能終端的自動檢測系統，成功解決了傳統電能終端檢測效率低下和安全性低等問題，實現了電能終端的自動測試和安全性數據控制，極大地減少了人工檢測所帶來的不便。該系統具有多種優點，可以推廣到其他相關產業。

本檢測系統設計為每年工作365天，每日工作24 h。安裝本文設計前后的系統檢測能力對比如表2所示。

表2 系統檢測能力對比

5 結束語

本文通過結合橢圓曲線密碼系統，成功地實現了電能終端檢測系統的最終設計。該電能終端自動檢測系統具有高安全性、高速度和低資源占用等優點，性能優異。該系統可減少63%的人力成本，所需時間節約50%。同時，該系統的一期和二期檢測能力分別提高了13.6%和12.5%，而數據正確率分別提高了2.3%和3%，保障了整個電力系統的安全運行，值得在相關領域推廣使用。

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Design of the Novel High Security Automatic Detection System for Power Terminal of Smart Grid

ZHANG Xiaoying,ZHUANG Gewei,ZHANG Honghong,ZHANG Jingyue

(Electric Power Research Institute,State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company,Shanghai 200051,China)

Based on the fact that automatic detecting systems of power terminal of smart State Grid are in a low security status,a novel cryptosystem is designed to enhance the data security of the automatic detecting systems of power terminal.Considering the feature of the massive data transmission of the detecting system,the latest elliptic curve cryptosystem is employed and the implementation research is conducted on specific automatic detecting system.Firstly,the novel structure of filter based on distributed arithmetic (DA) is proposed,and then based on this filter,a front-end system is designed.In addition,the multiplier based on finite domain GF(2m) is added in elliptic curve cryptosystem.With the systolic structure,the multiplier implements the effect of high speed operation.The whole cryptosystem is consisting of multiplier,adder,and other computation units,and implemented on the platform based on FPGA,to get better application effections.The testing results validate the feasibility of the proposed cryptosystem in detecting system,and it can be promoted to widerange of electric energy detecting systems.

Smart grid; Electric energy meter； FPGA; Filtering； Safety； Detection

中國人民解放軍總裝備部預先研究基金資助項目(9140A20040514BQ04294)

張曉穎(1976—)，女，碩士，工程師，主要從事電能計量及自動化檢測技術的研究。E-mail:zhang_xiaoying2003@hotmail.com。

TH6;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704015

修改稿收到日期：2016-10-25