一種適用于園區(qū)微電網(wǎng)的安全控制協(xié)議

陳藝琳，羅嬌燕，胡逸芳，易傳佳，左黎明

(華東交通大學(xué) 理學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著風(fēng)能、太陽能、天然氣等清潔能源開發(fā)技術(shù)的不斷突破，分布式電源[1]逐漸得到發(fā)展。分布式電源可以較好地避免集中供電技術(shù)存在的環(huán)境破壞和資源浪費問題。隨著分布式電源并入到配電網(wǎng)中，為了有效提高分布式電源的利用效率，微電網(wǎng)[2-5]的概念被提出。微電網(wǎng)系統(tǒng)可以促進可再生能源的開發(fā)與利用，為負荷提供穩(wěn)定可靠的電能。在微電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，面向園區(qū)的微電網(wǎng)[6-8]建設(shè)也在快速發(fā)展。穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)是園區(qū)正常生產(chǎn)和運營的重要保障，園區(qū)微電網(wǎng)的安全控制是保障園區(qū)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。微電網(wǎng)的控制成為近年來的研究熱點[9-12]，文獻[13]針對微電網(wǎng)控制器成本高、集成度低等問題提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的園區(qū)微電網(wǎng)中央控制器，并驗證了中央控制器的功能和能量管理策略具有較好的實用性。微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)依賴于大量的數(shù)據(jù)采集與交互，在網(wǎng)絡(luò)攻擊層出不窮的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，微電網(wǎng)的正常運營面臨著網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅。2015年和2016年末烏克蘭曾發(fā)生由黑客組織進攻導(dǎo)致的大面積停電事故，2019年3月委內(nèi)瑞拉電網(wǎng)遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊，導(dǎo)致全國18個州范圍電力中斷超過24小時。此類停電事故造成了巨大的經(jīng)濟損失，為避免此類事故的發(fā)生，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全研究者和電網(wǎng)機構(gòu)開始對電網(wǎng)和微電網(wǎng)的安全性進行研究[14-16]。園區(qū)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，包含有園區(qū)大量電力設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，攻擊者一旦通過網(wǎng)絡(luò)攻擊手段竊取或篡改微電網(wǎng)數(shù)據(jù)，很可能使園區(qū)微電網(wǎng)以及其他生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障，從而導(dǎo)致園區(qū)產(chǎn)生重大安全事故和經(jīng)濟損失。針對園區(qū)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中可能存在的信息安全問題，該文提出一種消息可恢復(fù)數(shù)字簽名方案，并基于該方案設(shè)計一種適用于園區(qū)微電網(wǎng)的安全控制協(xié)議，在保證通信效率的前提下，有效保障微電網(wǎng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的安全性，保障園區(qū)微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

1 相關(guān)基礎(chǔ)

1.1 園區(qū)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)

園區(qū)微電網(wǎng)是一個可以實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，主要為商業(yè)園區(qū)或工業(yè)園區(qū)提供電能服務(wù)。

如圖1所示，園區(qū)微電網(wǎng)主要包括光伏電源、儲能裝置、電力負荷等設(shè)備。園區(qū)微電網(wǎng)通過公共連接點(point of common coupling，PCC)與配電網(wǎng)連接，PCC處的靜態(tài)開關(guān)可以實現(xiàn)微電網(wǎng)在孤網(wǎng)和并網(wǎng)兩種運行狀態(tài)間的平滑切換。在該文所描述的園區(qū)微電網(wǎng)中，分布式能源為太陽能，光伏電源和儲能裝置負責(zé)對多個負荷端提供電能和電壓支撐，這樣可以有效節(jié)約從大電網(wǎng)購買電力而產(chǎn)生的經(jīng)濟成本，同時也有效降低了電力傳輸?shù)呢摀?dān)。在大電網(wǎng)發(fā)生突發(fā)故障或電能質(zhì)量不達標時，PCC處的靜態(tài)開關(guān)斷開與配電網(wǎng)的連接，園區(qū)微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式平滑切換至孤網(wǎng)模式獨立運行，這種方式有效降低了由于主網(wǎng)故障帶來的影響，提高了園區(qū)供電的可靠性與安全性，園區(qū)的正常運營也得到有效保障。

園區(qū)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)是整個園區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心部分，是維持園區(qū)微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運行的重要組成部分。目前主流的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)為三層控制結(jié)構(gòu)，分別為配電網(wǎng)調(diào)度層、集中控制層、本地控制層?？刂葡到y(tǒng)由各部分控制裝置組成，可實現(xiàn)分布式電源控制、儲能裝置控制、孤網(wǎng)并網(wǎng)切換控制、微電網(wǎng)電能管理以及微電網(wǎng)實時監(jiān)控等。

(1)配電網(wǎng)調(diào)度層。

配電網(wǎng)調(diào)度層是一個云服務(wù)端，可以實時采集各個控制裝置的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行計算和分析。實時數(shù)據(jù)和計算分析結(jié)果可以在云服務(wù)端以圖表等形式實時顯示。云服務(wù)端根據(jù)計算分析結(jié)果給各個控制裝置下達控制指令，同時也能接受上級配電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制指令，從微電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的角度協(xié)調(diào)和調(diào)度微電網(wǎng)。

(2)集中控制層。

集中控制層是微電網(wǎng)的控制中心，也是整個微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心部分，主要控制裝置為中央控制器。中央控制器對分布式電源、儲能裝置、各個負荷的運行數(shù)據(jù)進行實時采集，對它們的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并對采集的數(shù)據(jù)進行計算與分析，得出微電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)。中央控制器可以接受配電網(wǎng)調(diào)度層的控制指令給出相應(yīng)的控制動作。中央控制器根據(jù)實時運行狀態(tài)，實時優(yōu)化控制策略，控制分布式電源、儲能裝置、負荷的啟動和停止，實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)、孤網(wǎng)狀態(tài)的平滑切換，保障微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

(3)本地控制層。

本地控制層由分布式電源控制器、儲能控制器、負荷控制器等控制設(shè)備組成，接受集中控制層的控制指令，同時通過分布式電源控制器調(diào)節(jié)分布式電源，通過儲能控制器實現(xiàn)儲能裝置的充放電控制，通過負荷控制器實現(xiàn)對負荷的控制。

在園區(qū)微電網(wǎng)的運行過程中，配電網(wǎng)調(diào)度層、集中控制層和本地控制層自上而下通過通信向下發(fā)送控制指令。在這個過程中存在網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅的根源主要在于數(shù)據(jù)來源缺乏安全認證，該文提出的適用于園區(qū)微電網(wǎng)的安全控制協(xié)議基于消息可恢復(fù)簽名方案，可以通過數(shù)字簽名對數(shù)據(jù)來源進行安全認證，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2 消息可恢復(fù)簽名方案

消息可恢復(fù)的簽名方案由系統(tǒng)初始化、密鑰生成、簽名和驗證簽名四個算法組成，具體描述如下：

(1)系統(tǒng)初始化：給定安全參數(shù)，輸出系統(tǒng)參數(shù)，公開系統(tǒng)參數(shù)。

(2)密鑰生成：根據(jù)公開的系統(tǒng)參數(shù)，生成用戶的私鑰，并計算系統(tǒng)公鑰。

(3)簽名：輸入系統(tǒng)參數(shù)和用戶私鑰，輸出簽名，并發(fā)給驗證者。

(4)驗證簽名：輸入系統(tǒng)參數(shù)、簽名，輸出驗證結(jié)果，“TRUE”或者“FALSE”，輸出恢復(fù)的完整消息。

在園區(qū)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中，云服務(wù)端為簽名驗證者，中央控制器可以生成私鑰并定期更新私鑰。中央控制器發(fā)送數(shù)據(jù)封包時，先對數(shù)據(jù)封包進行簽名，然后發(fā)送給云服務(wù)端，當云服務(wù)端對簽名信息進行驗證，驗證成功則輸出恢復(fù)的完整消息，驗證失敗則發(fā)出警告信息。

2 消息可恢復(fù)簽名方案構(gòu)造

基于橢圓曲線上離散對數(shù)問題的難解性，提出一種消息可恢復(fù)簽名方案。為了方便方案描述，首先給出一些常用符號，符號對照如表1所示。

表1 符號說明

下面給出方案的詳細描述，方案主要由四個算法構(gòu)成，具體描述如下：

(1)系統(tǒng)初始化。

(2)密鑰生成。

(3)簽名。

K=x1y2

(1)

R=rP

(2)

h1=H(m)||H(H(m))⊕m

(3)

h2=H(K,R)

(4)

s=h1⊕h2

(5)

e=sx1+rmodq

(6)

則(e,s)為消息m的簽名。

(4)簽名驗證。

對給定消息m的簽名(e,s)，驗證簽名的過程如下：

①依次計算：

R=eP-sy1

(7)

K=x2y1

(8)

(9)

整個簽名驗證和消息恢復(fù)過程正確性證明如下：

R=eP-sy1=sx1P+rP-sx1P=rP

(10)

K=x2y1=x2x1P=x1y2

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

H(H(m))⊕H(H(m))⊕m=m

(16)

3 安全控制協(xié)議設(shè)計

3.1 安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，中央控制器與云服務(wù)端的安全控制架構(gòu)如圖2所示。在中央控制器中集成了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和簽名模塊，云服務(wù)端由身份認證模塊、信息處理模塊組成。

在中央控制器中，數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)微電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，信息處理模塊負責(zé)數(shù)據(jù)格式的處理，將數(shù)據(jù)處理為規(guī)范的消息封包，簽名模塊負責(zé)對消息封包進行簽名。在云服務(wù)端，信息處理模塊負責(zé)對接受到的消息封包進行解析，簽名驗證模塊負責(zé)對中央控制器發(fā)送過來的簽名進行驗證及消息恢復(fù)。

3.2 安全協(xié)議設(shè)計

安全協(xié)議的交互過程如圖3所示。

步驟1：數(shù)據(jù)采集模塊采集實時數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)系列data1,data2,data3等。

步驟2：數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)系列data1,data2,data3發(fā)送到信息處理模塊。

步驟3：信息處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)處理成data1*data2*data3的封包格式，然后發(fā)送到簽名模塊。

步驟4：簽名模塊接收到消息封包后，調(diào)用簽名算法得到簽名Sig。

步驟5：簽名模塊將簽名結(jié)果Sig發(fā)送到云服務(wù)端。

步驟6：云服務(wù)端接收到消息封包后，簽名驗證模塊調(diào)用簽名驗證算法對消息封包進行簽名驗證，驗證通過則恢復(fù)消息，并把消息發(fā)送到信息處理模塊，驗證不通過則發(fā)出警告信息。

步驟7：信息處理模塊對消息封包進行解析，獲得原始數(shù)據(jù)。

4 安全性分析

4.1 數(shù)據(jù)機密性

當控制器與云服務(wù)端進行通信時，攻擊者可以對通信數(shù)據(jù)進行監(jiān)聽。當通信數(shù)據(jù)以明文數(shù)據(jù)傳輸時，攻擊者可以竊取通信雙方的通信具體內(nèi)容。在安全控制協(xié)議中，控制器會先將通信數(shù)據(jù)進行簽名處理再發(fā)送簽名，云服務(wù)端對簽名進行驗證，然后通過簽名進行消息恢復(fù)。通信的報文內(nèi)容只含有簽名數(shù)據(jù)，不包括原始消息，原始消息不會暴露在通信過程中，從而保證了數(shù)據(jù)的機密性。

4.2 數(shù)據(jù)完整性

信息的完整性是指在存儲或傳輸信息的過程中，原始的信息不能允許被隨意更改。篡改攻擊是破壞數(shù)據(jù)完整性最常見的方法之一，篡改攻擊是指攻擊者對攔截到的報文進行篡改，將篡改后的報文進行發(fā)送達到攻擊目的。在安全控制協(xié)議中，當攻擊者對報文進行篡改并發(fā)送到服務(wù)端后，由于報文已經(jīng)被篡改，服務(wù)端進行簽名驗證時會驗證失敗，無法對消息進行恢復(fù)。從而使得協(xié)議可以抵抗篡改攻擊，確保數(shù)據(jù)的完整性。

4.3 數(shù)據(jù)不可否認性保護

在網(wǎng)絡(luò)通信中，攻擊者常常利用冒充、偽造等方法向接收方發(fā)送報文，在安全控制協(xié)議中，采用了消息可恢復(fù)式簽名技術(shù)，服務(wù)端可以根據(jù)公開參數(shù)簽名者公開的公鑰對接收到的報文進行簽名驗證，可以有效地保障數(shù)據(jù)來源的可靠性。

5 實驗仿真

在Windows7 64位操作系統(tǒng)Microsoft Visual Studio 2012微軟平臺下，采用C#輕量級密碼術(shù)包(bouncy castle)實現(xiàn)了文中方案。實驗結(jié)果顯示該方案簽名所消耗時間為0.010秒，驗證所消耗時間為0.219秒。實現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

5.1 簽名生成過程

在中央控制器中，首先對采集的數(shù)據(jù)進行封包處理，然后通過該簽名方案對數(shù)據(jù)封包進行簽名處理，核心代碼如下：

ecc myecc=new ecc();

ECPoint y1=myecc.ecc_point_g.Multiply(x1);

ECPoint y2=myecc.ecc_point_g.Multiply(x2);

ECPoint K=y2.Multiply(x1);

ECPoint R=myecc.ecc_point_g.Multiply(r);

hash myhash=new hash();

byte[] hm=myhash.TanGetDigestByteArray(m);

//計算H(H(m))

byte[] hhm=myhash.TanGetDigestByteArray(hm);

//計算H(H(m))⊕m

byte[] hmxor=HexXorByte(hhm, m);

//計算h1

byte[] h1=new byte[64];

Array.Copy(hm, 0, h1, 0, 32);

Array.Copy(hmxor, 0, h1, 32, 32);

//計算h2

string KK=K.X.ToBigInteger().ToString() + K.Y.ToBigInteger().ToString();

string RR=R.X.ToBigInteger().ToString() + R.Y.ToBigInteger().ToString();

string KR=KK+RR;

byte[] h2=myhash.TanGetDigestByteArray512(KR);

//計算s=h1⊕h2

byte[] ss=HexXorByte(h1, h2);

//計算e

BigInteger s=new BigInteger(ss);

BigInteger sx1=s.Multiply(x1);

BigInteger e=sx1.Add(r.Mod(myecc.ecc_n));

5.2 簽名驗證過程

在云服務(wù)端，接收到中央控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)封包后，根據(jù)該簽名方案的簽名驗證算法對簽名進行驗證，核心代碼如下：

ECPoint ep=myecc.ecc_point_g.Multiply(e);

ECPoint sy1=y1.Multiply(s);

ECPoint R1=ep.Subtract(sy1);

ECPoint K1=y1.Multiply(x2);

string KK1=K1.X.ToBigInteger().ToString()+K1.Y.ToBigInteger().ToString();

string RR1=R1.X.ToBigInteger().ToString()+R1.Y.ToBigInteger().ToString();

string KR1=KK1 + RR1;

byte[] H2=myhash.TanGetDigestByteArray512(KR1);

byte[] H1=HexXorByte(H2, ss);

byte[] H1L=new byte[32];

byte[] H1R=new byte[32];

Array.Copy(H1, 0, H1L, 0, 32);

Array.Copy(H1, 32, H1R, 0, 32);

byte[] HL=myhash.TanGetDigestByteArray(H1L);

//恢復(fù)消息m

byte[] m1=HexXorByte(HL, H1R);

byte[] left=H1L;

byte[] right=myhash.TanGetDigestByteArray(m1);

if (ByteEquals(left,right))

{

Console.WriteLine("驗證簽名通過！");

Console.WriteLine("消息恢復(fù)成功！");

Console.WriteLine("恢復(fù)的消息：{0}", Encoding.UTF8.GetString(m1));

}

else

{

Console.WriteLine("驗證簽名失??！消息恢復(fù)失敗！");

}

5.3 協(xié)議性能分析

在Windows7 64位操作系統(tǒng)Microsoft Visual Studio 2012微軟平臺下，采用C#輕量級密碼術(shù)包(bouncy castle)運行文獻[16-20]中方案對應(yīng)的協(xié)議,分別運行100次，計算簽名過程與驗證簽名的平均耗時并進行比較，各協(xié)議簽名過程與驗證簽名的平均耗時如圖5所示。

在簽名過程中，文獻[16]對應(yīng)協(xié)議的簽名過程平均耗時0.022秒，文獻[17]平均耗時0.114秒，文獻[18]平均耗時0.038秒，文獻[19]平均耗時0.044秒，文獻[20]平均耗時0.032秒，文中方案簽名過程平均耗時為0.013秒。相比其他協(xié)議，文中方案的安全控制協(xié)議在簽名效率方面存在優(yōu)勢。

在驗證簽名過程中，文中方案的驗證簽名過程平均耗時為0.22秒，相比文獻[16-20]的驗證簽名過程平均耗時都要高，這是由于驗證簽名的過程不僅需要簽名的驗證，而且需要消息的恢復(fù)，其計算復(fù)雜程度高于簽名過程。

綜合來看，文中方案協(xié)議的簽名過程運行效率較高，適合在計算能力差的設(shè)備上運行，驗證簽名過程運行效率一般，需要在計算能力高的設(shè)備上運行。在安全控制協(xié)議中主要針對的是中央控制器的性能，在中央控制器上進行的為簽名過程，驗證簽名在云服務(wù)端進行。在微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，中央控制器受限于設(shè)備本身，在中央控制器運行的協(xié)議需要較高的運行效率，而云服務(wù)端采用的服務(wù)器集群，計算能力很高。因此，文中方案的簽名過程運行在中央控制器，驗證簽名過程運行在云服務(wù)端，可以保障協(xié)議的安全高效運行。

6 結(jié)束語

針對當前園區(qū)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交互過程中存在安全性認證和數(shù)據(jù)完整性保護問題，提出了一種消息可恢復(fù)的數(shù)字簽名方案，并進一步設(shè)計了一種適用于園區(qū)微電網(wǎng)的安全控制協(xié)議。對安全控制協(xié)議進行了實驗與仿真，結(jié)果表明該方案在控制器端的效率較高。該方案應(yīng)用到園區(qū)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，可以提高系統(tǒng)的安全性，保障園區(qū)微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。