基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方法

摘要：針對現(xiàn)行方法在電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸中應(yīng)用存在丟包率、誤碼率較高的問題，文章提出了基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方法。根據(jù)電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸需求及標準，設(shè)計數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議，采用無損壓縮技術(shù)對待傳輸?shù)谋O(jiān)控數(shù)據(jù)壓縮處理，利用屬性加密對監(jiān)控數(shù)據(jù)加密并由傳輸模型對加密后的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸。試驗證明，設(shè)計方法應(yīng)用下，電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)丟包率和誤碼率均不超過1%，可以有效保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，在電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方面具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：屬性加密；電力系統(tǒng)；監(jiān)控數(shù)據(jù)；安全傳輸；傳輸協(xié)議；無損壓縮技術(shù)

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的安全傳輸已成為保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行和防范潛在威脅的重要議題。電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)不僅包含設(shè)備的實時運行狀態(tài)、故障信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還涉及用戶隱私和敏感信息。這些數(shù)據(jù)的安全傳輸對于防止數(shù)據(jù)泄露、保護用戶隱私、確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。近年來，電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方法逐漸成為研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域取得了不少研究成果，提出了多種適用于電力系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方案。

邱鵬等^［1］提出了基于數(shù)字簽名的傳輸方法，發(fā)送方使用私有密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，生成數(shù)字簽名，然后將數(shù)據(jù)和數(shù)字簽名一同發(fā)送，接收方使用發(fā)送方的公開密鑰對數(shù)字簽名進行解密驗證，確認數(shù)據(jù)的完整性和發(fā)送方身份。杜玉昌^［2］提出了基于局部差分隱私的傳輸方法，通過添加適量的隨機噪聲來保護用戶隱私，確保在數(shù)據(jù)傳輸過程中，即使數(shù)據(jù)被截獲，攻擊者也無法準確推斷出原始數(shù)據(jù)中的敏感信息。盡管數(shù)據(jù)安全傳輸方法已經(jīng)取得了一定成果，但仍存在一些問題亟待解決：在電力系統(tǒng)中，用戶數(shù)量眾多、權(quán)限復(fù)雜多變，如何高效、安全地管理和傳輸數(shù)據(jù)是一個關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的方法已經(jīng)無法完全滿足電力系統(tǒng)的需求，須要探索更加高效、靈活的數(shù)據(jù)傳輸方案，為此，本文提出了基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方法。

1 設(shè)計數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議

電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，采用的數(shù)據(jù)傳輸模式普遍呈現(xiàn)單向性特征，這種模式雖簡化了傳輸流程，但往往忽視了對數(shù)據(jù)完整性和安全性的充分保障。加之網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜，內(nèi)外部的潛在威脅層出不窮，極易導(dǎo)致傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失與篡改問題，嚴重威脅到信息的真實性與可用性。鑒于此，引入屬性加密技術(shù)，保障數(shù)據(jù)安全傳輸。為了實現(xiàn)基于屬性加密的數(shù)據(jù)安全傳輸，須要設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議，確立可控的數(shù)據(jù)傳輸邊界，部署邊緣性傳輸節(jié)點，這些節(jié)點相互連接，共同組成一個全方位覆蓋的傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳輸協(xié)議設(shè)計為：利用TESLA為節(jié)點設(shè)置共享時鐘，以此構(gòu)建等效的傳輸協(xié)議驗證流程，通過分析信號傳輸時延，完成初步的驗證分析。數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議中信號傳輸時延用以下公式表示：

T=δ+μπ1e+rn（1）

式中，T表示監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議信號傳輸時延；δ表示傳輸節(jié)點數(shù)量；μ表示傳輸認證范圍；e表示通信網(wǎng)絡(luò)單元協(xié)議差值；r表示監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸時間間隔；n表示信標范圍^［3］。在傳輸協(xié)議中設(shè)定傳輸時延限制基準值，根據(jù)數(shù)據(jù)的加密級別動態(tài)調(diào)整傳輸協(xié)議的覆蓋范圍。

2 電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)壓縮

在電力系統(tǒng)中，隨著電網(wǎng)的持續(xù)高效運行，累積的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)量急劇增加，這些數(shù)據(jù)往往包含大量冗余信息，給數(shù)據(jù)傳輸帶來嚴峻挑戰(zhàn)。為了確保電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性與高效傳輸，本文對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，通過最優(yōu)化的編碼方案，以最小的數(shù)據(jù)量表示電力監(jiān)控信號的本質(zhì)特征，同時減少數(shù)據(jù)占用的物理存儲空間及時間資源消耗。值得注意的是，電力監(jiān)控數(shù)據(jù)還涵蓋了電磁頻譜區(qū)域的復(fù)雜信息，因此在壓縮過程中應(yīng)全面考量，確保數(shù)據(jù)壓縮在優(yōu)化存儲空間的同時，不損害數(shù)據(jù)的完整性與準確性。為避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的失真風(fēng)險，壓縮后數(shù)據(jù)的信息熵不低于原始數(shù)據(jù)段的信息熵，以保障數(shù)據(jù)信息的無損傳遞^［4］?；诖嗽瓌t，數(shù)據(jù)壓縮被明確劃分為有損壓縮與無損壓縮2大類別。鑒于電力監(jiān)控數(shù)據(jù)對精確性的嚴格要求，采用無損壓縮技術(shù)，確保在壓縮與解壓過程中，數(shù)據(jù)信息能夠完整無損地恢復(fù)。利用小波變換技術(shù)將信號映射至新的空間域，剝離數(shù)據(jù)中的非必要信息。首先使用小波函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進行多層分解，將數(shù)據(jù)分解為不同尺度和方向的子帶，其用公式表示為：

P（a，b）=aψ（t）W₀+（a-b）b（2）

式中，P（a，b）表示分解后的小波系數(shù)；a表示平移參數(shù)，控制小波基函數(shù)在時間軸上的平移；b表示尺度參數(shù)，控制小波基函數(shù)的伸縮（即頻率的變化）；ψ（t）表示小波基函數(shù)；W₀表示電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)^［5］。

在上述基礎(chǔ)上對每個子帶的系數(shù)進行量化，舍棄部分精度以減少數(shù)據(jù)量。量化過程采用非均勻量化方法，對重要系數(shù)進行精細量化，對不重要系數(shù)進行粗略量化，以最大限度地保留數(shù)據(jù)的主要信息^［6］。對量化后的系數(shù)進行熵編碼，根據(jù)每個源符號（如字符、單詞等）在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的頻率的大小，構(gòu)建字符列隊，形成壓縮編碼，以此實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的壓縮。然而，無損壓縮技術(shù)受限于信息保留的原則，其壓縮比往往受到一定限制，因此在數(shù)據(jù)壓縮過程中對壓縮倍數(shù)進行約束，其用公式表示為：

H≤W≤2v

2v≤W₀（3）

式中，H表示壓縮量；W表示壓縮后的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)；v表示壓縮系數(shù)。利用以上設(shè)定的條件對電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)壓縮約束。

3 實現(xiàn)基于屬性加密的數(shù)據(jù)安全傳輸

為了進一步增強數(shù)據(jù)傳輸安全，本文采用屬性加密技術(shù)對壓縮后的數(shù)據(jù)進行加密處理，對加密處理后的數(shù)據(jù)進行傳輸，具體流程如下。

步驟1。隨機生成一個屬性密碼隨機數(shù)，利用隨機數(shù)生成公鑰和主密鑰，其用公式表示為：

Setup（σ，W₀）→PK，MSK（4）

式中，Setup（σ，W₀）表示初始化操作；σ表示屬性密碼隨機數(shù)；PK表示公鑰；MSK表示主密鑰。

步驟2。用戶密鑰對的自主生成。用戶在電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸平臺上完成注冊，詳細填寫個人信息，包括但不限于用戶名、自定義密碼、所屬單位、職務(wù)等關(guān)鍵信息^［7］。注冊成功后，用戶自主生成一對非對稱密鑰，將生成的公鑰上傳并提交申請證書的請求。

步驟3。屬性密鑰生成。接收到用戶的證書申請后，驗證用戶信息^［8］。確認無誤后，結(jié)合用戶提交的信息，生成專屬的用戶屬性密鑰，其用公式表示為：

KeyGen（MSK，S，PK）→SK（5）

式中，KeyGen（MSK，S，PK）表示屬性密鑰生成操作；S表示屬性密鑰用戶屬性集；SK表示屬性密鑰。

步驟4。密文生成。利用屬性密鑰對電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)加密，生成密文，其用公式表示為：

I=（SK，W₀，M）（6）

式中，I表示加密后的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)密文；M表示電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)哈希值^［9］。

為了確保用戶能夠安全地接收并使用其數(shù)字證書與屬性密鑰，將使用用戶公鑰PK加密的屬性密鑰SK封裝后發(fā)送給用戶。將加密后的數(shù)據(jù)按照設(shè)計的傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點上，對數(shù)據(jù)進行傳輸，用戶接收到數(shù)據(jù)后，通過逆運算并使用自己的私鑰SK進行解密、解壓，得到電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)明文，其用公式表示為：

W_e=∑i=1（I，SK，S）σ·v·c^T（7）

式中，W_e表示傳輸模型；i表示傳輸節(jié)點數(shù)量；c表示傳輸信道頻率波動比^［10］。利用以上傳輸模型對數(shù)據(jù)傳輸，以此實現(xiàn)基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設(shè)計

為了驗證本文提出的基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方法的有效性，以某電力系統(tǒng)為實驗對象，該電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備數(shù)量為24臺，傳輸網(wǎng)絡(luò)為無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)帶寬為12.24 Mbps，利用本文設(shè)計方法對電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)進行安全傳輸。實驗中電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)包總量為8000個，每個數(shù)據(jù)包大小為0.01 GB，傳輸數(shù)據(jù)種類包括文字、視頻2種。為使本次研究具有一定的參考性與學(xué)術(shù)價值，將本文方法與邱鵬等^［1］提出的基于數(shù)字簽名的傳輸方法和杜玉昌^［2］提出的基于局部差分隱私的傳輸方法進行對比。對比指標選擇丟包率和誤碼率，丟包率可以表征出電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸丟失情況，丟包率=丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量/總傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量；誤碼率可以表征出電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸亂碼情況，是二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率，誤碼率=亂碼數(shù)據(jù)數(shù)量/總傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量。丟包率與誤碼率值域均為0～100%，數(shù)值越低，則表示電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸安全性越高。

4.2 實驗結(jié)果與討論

以傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量為變量，對比3種方法應(yīng)用下的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)丟包率；以傳輸節(jié)點數(shù)量為變量，對比3種方法應(yīng)用下的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)誤碼率，實驗結(jié)果如表1—2所示。

從表1—2中數(shù)據(jù)可以看出，在本次實驗中設(shè)計方法丟包率和誤碼率均最低，不超過1%，基于局部差分隱私的傳輸方法丟包率最高，在10%以上，基于數(shù)字簽名的傳輸方法誤碼率最高，在10%以上。因此通過以上對比證明，設(shè)計方法可以有效保證電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，具有良好的適用性與可行性。

5 結(jié)語

在探討基于屬性加密的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)安全傳輸方法的過程中，本文深入分析了屬性加密技術(shù)如何為電力系統(tǒng)這一關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施提供強有力的數(shù)據(jù)安全保障。通過精細設(shè)計的屬性策略，該方法不僅確保了數(shù)據(jù)傳輸過程中的機密性，還實現(xiàn)了對訪問權(quán)限的靈活控制，有效抵御了潛在的安全威脅。展望未來，隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和電力系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全需求的日益增長，基于屬性加密的數(shù)據(jù)安全傳輸方法將發(fā)揮更加重要的作用。期待通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化，進一步提高該方法的效率與安全性，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和國家的能源安全貢獻力量。同時，也呼吁業(yè)界同仁共同關(guān)注數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的新動態(tài)，攜手構(gòu)建更加安全、可靠的電力信息通信網(wǎng)絡(luò)。

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（編輯 沈 強）

Security transmission method for power system monitoring data based on attribute encryptionXU Hongyuan

（Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.， Chengdu 610041， China）

Abstract：In view of the problems of high packet loss rate and high bit error rate in the application of power system monitoring data security transmission， the safe transmission method of power system monitoring data based on attribute encryption is proposed. According to the power system monitoring data transmission requirements and standards， design data security transmission protocol， using the lossless compression technology to transmission monitoring data compression processing， using attribute encryption for monitoring data encryption， and by the transmission model of encrypted data transmission， implementation based on attribute encryption power system monitoring data security transmission. The experiment proved that the packet loss rate and bit error rate of the design method do not exceed 1%， which can effectively ensure the security in the process of data transmission， and has a good application prospect in the safe transmission of power system monitoring data.

Key words：attribute encryption; power system; monitoring data; secure transmission; transmission protocol; lossless compression technology