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《国防科学技术大学》 2014年
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智能电网安全与隐私保护相关问题研究

江荣  
【摘要】:随着信息和通信技术的飞速发展,中国、美国、加拿大等世界各国都正在将陈旧的电力系统升级为智能电网。智能电网拥有双向通信、高可靠性、实时需求响应、自愈以及用户参与等特点,具有很高的研究价值和应用价值。其中,安全和隐私是智能电网设计和实现的关键问题之一,直接影响智能电网的正常运行和人们对智能电网技术的接受程度。从智能电网的组成成分、分布地域以及设计对象来看,智能电网是个非常复杂的系统,随着智能电网在全世界范围内的部署,越来越多的安全和隐私问题也暴露出来。由于智能电网的复杂性和不断有新技术的应用,传统的安全和隐私保护机制无法直接应用,亟待新的保护机制解决这些问题。本文在系统研究智能电网安全和隐私保护问题的基础上,针对智能电网中新涌现的安全和隐私问题:电网用户隐私问题和关键设备组通信问题,进行了深入的研究,提出了相应的解决方案。本文的主要工作和创新点如下:1.研究了智能电网中用户多维测量数据隐私保护问题,设计了一种基于云的用户数据快速安全查询机制(第二章)智能电网快速发展导致测量数据的井喷式爆发,给电力公司带来了沉重的负担。如何进行安全高效且保护用户隐私的多维测量数据查询是智能电网面临的严峻问题。因此,本文提出了一个保护隐私的多维测量数据查询机制并在hadoop分布式环境下用Mapreduce程序实现了原型系统。在本文所提出的查询机制中,多维测量数据以密文的形式存放在云服务器中,为了在保护用户隐私的同时提高数据的可用性,查询者通过本文设计的搜索算法可以获得前K个最相似数据的ID。对于搜索结果,为了加强数据所有者对数据的控制,本文使用一种改进的基于属性的密文策略加密方法实现对数据的访问控制,只有满足特定属性的查询者才能计算出数据密文的密钥从而获得所查询的数据。安全分析表明本文提出的查询机制可以有效保护测量数据的机密性以及用户的隐私。通过对测试数据进行实验表明该机制在保证不损失搜索质量的情况下,能够较大的缩短搜索时间和提高搜索效率,使其更适合于智能电网中的海量多维测量数据搜索。2.研究了智能电网中电车用户的隐私问题,设计了电车到电网(V2G)中具有可控链接和保护隐私属性的安全通信模型(第三章)V2G是智能电网的重要组成部分,能极大提高电网的效率和促进清洁能源的应用,然而参与V2G用户的隐私问题却没有得到很好的解决,制约着V2G的进一步发展。本文针对V2G中用户的隐私保护与V2G管理者调度优化之间的矛盾,设计了具有可控链接和保护隐私属性的安全通信模型。为了保护电动汽车用户的敏感数据,我们基于隐藏向量加密的查询谓词方法设计了用户信息查询方案,使得V2G管理者可以在不获取用户确切敏感数据的情况下对电动汽车进行充放电调度。另外,V2G操作者可以通过链接服务器根据实际需求对用户参与V2G的情况进行匿名统计,并可向可信授权申请对破坏V2G系统的恶意用户进行追踪。安全分析表明,本文提出的模型可以有效地保护用户身份和位置隐私、状态信息隐私。性能分析表明,该模型的计算开销和通信开销都比较适中,完全适用于V2G系统中。3.研究了智能电网中监测控制和数据采集(SCADA)系统的安全可靠组通信问题,提出了一种高效的自愈群组密钥管理机制(第四章)本文根据智能电网中SCADA系统的实时性、资源受限性等特点,提出了一种高效的自愈组密钥管理机制。通过巧妙构造的自愈结构,本文所提机制可以保证系统在设备出现故障的情况下仍然能够继续安全运行。群组密钥的前向安全性和后向安全性由双向哈希链所保证。安全分析表明本文所提出的密钥管理机制能够满足组密钥的安全需求,并且具有动态撤销被俘获节点、抗同谋攻击等特性。性能分析表明该机制的存储开销和通信开销都比较适中,能够满足SCADA系统中的性能要求。4.研究了智能电网数据采集端的安全组通信问题,基于逻辑路由树提出了一种高效的组密钥管理机制(第五章)针对负责智能电网中的重要设备与关键线路数据采集的无线传感器网络,本文提出了一种基于分层和分簇的安全并可扩展的组密钥管理机制。根据通信安全需求的不同,本文根据无线传感器网络的路由拓扑分别为簇头和簇成员设计了两种密钥管理方案。在本文提出的密钥管理机制中,由于一个层或簇中位置相邻的节点共享相同的密钥加密密钥,密钥更新的开销可以显著降低,此外,懒惰更新策略的应用进一步降低了密钥更新的开销。在本文提出的密钥管理机制中,每个节点只需要存储少量的密钥,密钥存储开销很低,满足传感器节点存储空间有限的要求。安全分析表明该机制从密钥建立阶段至密钥更新都满足组密钥管理方案的安全需求,并可以有效降低女巫攻击、Rep拒绝服务和节点俘获攻击的危害。仿真结果表明,在成员节点变化很大的情况下,该机制可以极大地减少密钥更新时的能量消耗,因此可以延长整个网络的生命周期,具有很好的可拓展性。综上所述,本文针对智能电网中用户隐私问题和关键设备安全组通信问题这两大关键技术难题提出新的解决方案,并且从性能开销和安全性两个方面保证了本文所提出算法的有效性。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TM76;TP309

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