論智能電能表應用的安全性

摘 要：隨著現代智能科技的發展，智能電表正在逐漸取代傳統電表應用于電能計量系統，智能電表不僅能高效、精準地計量電量，也能發揮多種自動化功能，從而提高了電能表的智能化功效，當前智能電能表已經成為智能電力系統的關鍵。本文首先介紹了傳統非智能電表的不足和弱點，然后分析了智能電表應用的安全性。

關鍵詞：智能電表；弱點；優勢；安全性

中圖分類號：TM933.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0062-02

電能表是電力系統不可或缺的計量設備，主要發揮電能計量功能，其主要功能就是精準、高效地計量處電力系統的用電量，傳統電能表由于技術水平有限，實際運行中存在多種非安全問題，容易遭受非安全因素的干擾，智能電表則借助于智能技術的優勢，能妥善提高計量效率，并確保安全計量。

1 非智能電能表的弱點分析

電能表從產生之日起經歷了感應式電能表、電子式電能表等時代，每一類電能表都發揮了電能計量作用，然而，又各自存在安全隱患問題，例如：感應電能表無法受到超強的安全保護，主要為封印保護，這種保護已被仿制，不法分子開啟后無痕跡，而且鉛的污染度較高。電子式電能表在安全保護方面得到了加強，其弊端在于表計通訊選擇開放式通訊模式，缺少密碼保護，這樣就可能出現數據被非法抄錄、篡改、偽造通訊身份等，這樣就可能造成電費抄核不準確，造成客戶的不滿。一些預付費型電表還可能因為遭到攻擊發生誤動作進而引發各大用戶收到嚴重的安全威脅，電能表主要采用面板摁鍵模式，利用紅外接口來查詢數據、參數，由于缺少必要的安全保護，僅僅采用基礎的按鍵組合模式，這樣影響其長期使用。

2 智能電表應用的安全性分析

2.1 防偽封印系統

不同于感應式電表，智能電表選擇了電子鉛封印結構，此電能表的特征體現為：①超高的安全性能，其中的rfid芯片采用高度加密措施，難以被仿造；②結構完整、精致，能夠一次性使用，實際封鎖后難以被開啟，同時，rfid芯片所存儲的數據信息采用智能化讀取方式，能有效地配合智能封印系統達到高度的信息化管理，而且整個表計選擇了非金屬環保型材料，能夠有效地防火、防盜。智能電表的防偽封印系統結構圖如圖1所示。

此系統工作原理為：依靠智能封印管理軟件在手持機中下載用戶數據庫，形成了供電局、所、計量單位三大監管系統，其中封印監察員、用電稽查人員等通過手持機來分季度、月份等來監察轄區不同電表的實際封印狀態，直接檢查就能發現封印有誤受損、破壞或偽造等現象，同時，隨著巡檢與稽查的啊進行也能夠動態地掃描智能封印，利用手持機將掃描信息傳輸至數據庫，也可以在各項工作完成后再講數據、信息傳輸至數據庫。

2.2 智能電表數據信息的安全交互

在整個智能化電網系統中，智能電表成為計量終端，發揮著電網數據的收集與采集等工作，并向外部傳輸整個電力系統的關鍵性數據、信息和資料，有著高度的保密性，這樣才能有效防范交互信息的泄露，減少不良損失。舊式的信息安全防護技術難以達到數據信息的交互，主站和智能電表二者間的一些關鍵性信息，例如：參數、控制指令、用電信息等在傳遞過程中需要進行身份認證、高度加密等，這樣才能達到信息系統的安全防護等級，從而為系統的運行帶來更加安全、穩定、實時的數據。不同于傳統電能表，智能電表通常選擇載波通訊、無線通訊等模式來對外交互信息，因為通訊信道狹窄，同時，嵌入式計量資源相對較少，這樣所適合的數據加密模式則必須更加安全、穩定、準確。

當前的信息加密技術具體包括：①對稱加密模式。它的優勢體現在：加密效率高，但是，密碼不方便傳輸；②非對稱加密模式。此加密的優勢為便于交換密匙，但是需要較長的加密時間，代表為RSA，要想確保信息、數據被高效、動態、實時地傳輸，發揮電能表高效、精準的數據計量與計算等功能，則可以選擇混合加密模式，也就是數據和密匙采用完全相反的密碼設置方式，前者選擇對稱加密、后者非對稱加密。整體來看，密匙交互和數據加密從兩個時期入手，即：首次交互連接時期、交互過程密匙更新時期。

（1）首次交互連接時期。就是主站和計量設備前所未有的數據進行交互，通常指的是智能表的初始裝配與預備連接階段，此時期一般是主站第一次將數據和密匙傳輸到智能電表，要想確保數據、密匙的安全，這其中需要借助安全通道來傳輸信息。

（2）交互中的密匙更新時期。當智能電表連入主站后，要想保證數據信息的精準、安全，則應及時地更新數據密匙，其中可以選擇AES密匙擴展算法這樣能減少對寬帶資源的使用。具體過程為：主站傳達密匙更新指令，此時智能電表則可以和主站對應更新。

憑借剖析AES密匙擴展算法，能夠得出此密匙擴展體現出高效、直接等優勢，然而，其不足體現在所有密碼的問題都能被子子密鑰所破譯，也能憑借剖析其中某一輪子密鑰來獲得之前的所有密鑰。基于一切密鑰擴展改進算法剖析，通過單向性措施選擇全新的密鑰擴展算法，可以利用隨機函數，從而提升所生產密鑰抵御攻擊的強度，實際的運行原理為：移動最初密鑰的不同數值，再將其加起來，對應生成一個數值，將其充當隨機函數的種子，對應形成下一輪的不同密鑰。因為隨機函數的運行，使得密鑰變得相對混亂，無法達到逆向推導。

數據加密選擇AES算法，GCM連接模式，此加密模式能夠發揮保密與認證雙重功能。前者選擇CTR保密模式，認證部分則選擇fhash函數來達到不可逆認證的生成，其優勢體現為：通訊雙方無需解密來計算，僅僅加密運算就能實現，而且認證輸入參量較多，這樣就控制了信息數據被非法竊取與改動，具體的通訊流程如圖2所示。

以上為智能計量表數據安全交互方案，實際運行體現出以下安全優勢：

（1）雙向實體認證

主站與智能電表都憑借非對稱加密算法來認證身份，從而確保雙方安全、穩定地交互。

（2）密鑰擴展單向性

基于AES密鑰擴展算法，添加隨機函數，實現密鑰的單向擴展，從而提升密鑰抗攻擊能力。

（3）抗重放攻擊

選擇AES-GCM數據加密模式，應該輸入隨機變量，能夠抵抗重放攻擊。

3 總 結

智能電表是對傳統電能表的優化升級，智能電表獨特的混合加密技術提高了其運行的安全性，能夠確保信息、數據的安全、高效地計算與傳輸。

參考文獻

[1]廣東電網低壓集抄技術方案及配置規范（試行）.

[2]宗建華，閆華光，史樹冬，于海波，編著.智能電能表[M].中國電力出版社，2010.

[3]李玨煊.單相智能電能表故障模式及影響分析[D].華北電力大學，2012.

收稿日期：2018-11-1