[发明专利]基于对用户隐私保护的智能电网中数据收集方法

说明书

本发明公开了一种基于对用户隐私保护的智能电网中数据收集方法，包括如下步骤：第一步，系统初始化；第二步，智能电表将用户的多类用电信息发送给本地聚合器；第三步，智能电表为用户信息进行签名并发送给本地聚合器；第四步，本地聚合器确定用户消息及签名；第五步，本地聚合器对签名进行批量验证；第六步，本地聚合器对所有用户总用电信息进行聚合；第七步，本地聚合器查找无效签名；第八步，处理电表故障情况；第九步，处理用户加入及退出情况。本发明的方法实现了对多类用电信息的收集，不但能抵抗外部攻击者，还能抵抗内部攻击者，并且实现信息的不可伪造性，从而保护用户用电量情况的隐私。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及密码技术领域和数据处理技术领域，尤其是基于对用户隐私保护的智能电网中数据收集。本发明可用于统计智能电网中用户的各类用电信息，并且实现对不可信本地聚合器的匿名性以及实现对消息的不可伪造性，从而保护用户用电量情况的隐私。

背景技术

随着智能电网技术的不断发展，其重要性得到越来越多地显现。和传统的中心式单向传输电网相比，智能电网具有信息分散式特性和双向传输特性，旨在提供可靠的，有效的，稳定的和安全的服务。在智能电网中，每个用户都会配备一个智能电表，一方面，控制中心在调整电价及调配电力时需要收集所有用户的用电情况，而另一方面，不可信本地聚合器不能知道用户的相关用电信息，因为这在一定程度上可能会泄露用户的行为习惯，比如，用电的多少在很大的程度上可以说明用户是否在家。因此，保护用户的数据隐私并同时允许本地聚合器收集所有用户的总用电信息是智能电网中目前的两大重要任务。

为了解决这两大任务，Paillier同态加密系统被用在许多相关研究中，Paillier同态加密系统是一种加密算法，它可以直接对密文进行操作，而不需要知道相应的明文。所以应用在智能电网中就是，本地聚合器对所有用户的密文直接进行聚合操作得到一个秘密值，然后对秘密值进行一次解密获得总的用电信息而不需要解密每个用户的密文。截止到目前为止，已经有许多研究都用到了这项技术，但是绝大部分的研究只是针对一种信息的聚合操作，这样存在的缺点就是单一性，因为用户的用电信息可能不只有用电量这一种，比如用电时间，每小时用电量等，如果要收集多种信息，那么大部分现有的研究是无法满足这种需求的。Rongxing Lu等在其论文“EPPA:An efficient and privacy-preservingaggregation scheme for secure smart grid communications”(IEEE Transactions onParallel and Distribution Systems,vol.23,no.9,pp.1621-1631,2012)中提出了多种信息的情况，具体内容是依靠一组向量将多种信息不失独立性地合并为一种信息，不失独立性是指最终解密得到的是每一种信息的总和，即实现了对多种信息中的每一种信息的收集。但是这篇论文存在两个缺点，一个是他们的方案不能抵抗内部攻击，也就是说一旦操作中心被恶意攻击者入侵，那么用户的信息就会泄露；另一个是虽然他们的方案应用了批量验证，但批量验证消耗的时间关于用户数量成正比，也就是说计算量仍然很大。为了解决内部攻击问题，Chun-I Fan等在其论文“Privacy-enhanced data aggregation schemeagainst internal attackers in smart grid”(IEEE Transactions on IndustrialInformatics，vol.10,no.1,pp.666-675,2014)中提出了一个可以抵抗内部攻击的方案，他们应用了盲因子技术来实现这个要求，具体做法为，每个用户和本地聚合器都拥有一个随机数作为盲因子，并且满足本地聚合器的盲因子和用户的盲因子的和为0，本地聚合器利用这个特点就可正确收集用户的信息，用户在密文中加入盲因子，这样即使内部被攻击者攻破，那么不知道盲因子就依然无法得到用户的信息。但是这种应用盲因子技术的方案一般都有一个共同的缺点，即不具有容错性，具体是指一旦有用户的电表出故障无法工作，那么用户的盲因子和本地聚合器的盲因子的和就不是0，就无法恢复出总的电量信息。Le Chen等在其论文“PDAFT:A privacy-preserving data aggregation scheme with faulttolerance for smart grid communications”(Peer-to-Peer Network Application,vol.8,no.6,pp.1122-1132,2015)中提出了一个具有容错功能的方案，他们的方案将同态加密与秘密共享相结合，由可信中心分发盲因子，一旦有用户电表故障，那么依靠可信中心的帮助，聚合操作就可以正常进行。但是他们的方案存在的缺点就是，他们的方案没有消息认证过程，不具有不可伪造性，即攻击者可能会伪装成合法用户发送错误信息而不被发现。