新型高安全性智能电网电能终端自动检测系统的设计

张晓颖,庄葛巍,张洪红,张静月

(国网上海电力公司电力科学研究院，上海 200051)

新型高安全性智能电网电能终端自动检测系统的设计

张晓颖,庄葛巍,张洪红,张静月

(国网上海电力公司电力科学研究院，上海 200051)

针对国家智能电网中现有的电能终端自动检测系统安全性不高等问题，设计了一种新型的加密器，以提高电能终端自动检测系统的信号安全性。考虑到检测系统的信号传输大的特点，采用了最新型的椭圆曲线密码系统，在具体的电能终端自动检测系统上进行了可行性研究。首先提出了一种新型的基于分布式算法的滤波器结构，然后在该滤波器的基础上进行了前端系统的设计。除此之外，椭圆曲线密码系统中采用了一种基于有限域GF(2m)的乘法器。该乘法器以脉动结构的形式，实现了高速运行。整个椭圆曲线密码系统由乘法器、加法器等运算单元组成，并在基于FPGA的平台上实现，取得了更好的应用效果。实测结果验证了该椭圆曲线系统在自动检测系统中的可行性，该设计可以推广应用到大范围电能检测系统。

智能电网； 电能表； FPGA; 滤波； 安全性； 检测

0 引言

国家智能电网系统在这几年得到了大力发展，电能终端检测系统也变得越来越重要。同时，传统的检测系统也凸显出越来越多的弊病[1-5]：①效率低下，传统检测多依赖人工；②安全性低，智能电网的规模变大。因此，如何保护数据已成为亟待解决的问题。

针对这一现状，已经涌现了一些基于电能终端的自动化检测系统[1,5]。这些检测系统具有一些共同的特点：都是在基于具体的实际检测情况下，结合现代数字技术和嵌入式系统技术对电能终端进行检测处理。但是对于这些检测系统的安全性进行结合设计的研究并不是很多。

本文在基于上述研究的基础上，设计了一种新型基于FPGA平台的终端自动检测系统。该自动检测系统将结合最新型椭圆曲线密码系统进行数据处理的高度加密，并在具体环境中进行运行可行性验证。

1 电能终端自动检测系统

1.1 总体介绍

在智能电网中，电能终端主要包括单相电能表、三相电能表和集中器等仪表。这些仪表的运行准确性决定了电网的正确运行。因此，每个电能终端都要经过严格的测试才能投入使用。目前，由于存在许多不同规格的电能终端，检测系统只能分规格对这些仪表的电能终端进行多条流水线检测，导致检测任务占用智能电网比重太大；同时，还存在智能检测系统研发上的投入不足等问题，亟需大力改进研发突破度不够等现状[5-6]。

1.2 基本结构

本设计的目的是要提供一种电能终端自动检测系统，它不仅能够实现多个电能终端的检测，而且可以有效解决检测系统的安全性问题。

对此，本文设计的检测系统采用一个电能终端自动检测装置来实现。该装置包括基座、气缸、导轨、移动装置、固定架子、驱动器和检测端子。气缸作为一个缸体被固定安置在架子上，移动装置通过移动滑轮来回滑动，从而推动气缸的活塞与移动装置相连。同时，在移动架子上有专门的固定架子用来固定电能终端的检测设备。各部件的相关功能如下。

①固定架子：主要通过轴承固定在移动装置上，并且该移动装置有比较灵活的内外圈设计，使得轴承可以对这个架子进行直接控制，从而降低对马达的要求。

②驱动器：主要包括一个电机，该电机通过轴承与外面的齿轮结合。该设计比较简单、方便，同时也便于电机驱动带动固定架子移动。

③检测端子：中部有孔，可以和移动装置相连接。同时，这个装置也与检测端的电能终端有接触，从而使得检测的接触变得方便。

由于固定架子上有不同的检测端子，使得该检测装置可以实现对多种检测物体的同时检测。此外，在移动装置的底部还有一段移动使用的导轨，该导轨可以很方便地与移动装置配合，使整个系统的操作变得简单。

本文设计的电能终端自动检测系统主要结构图如图1所示。

图1 系统结构示意图

本设计的主要优点为：本系统由移动装置驱动，带动检测端子对电能终端系统进行检测，具有性能优异、使用简单等特点；同时，该检测系统可以对多种电能终端进行检测，从而极大提高了系统的检测效率。

1.3 滤波器设计

本文设计的滤波器主要包括两个部分：①外在的电能终端自动检测系统；②以FPGA(可编程逻辑控制器件)为主的安全系统和控制系统。

其中，在基于FPGA的控制系统中，信号的滤波部分格外重要，因为其是整个系统能否正常运行的前提。该滤波器的设计过程如下。

该滤波器是由有限脉冲响应滤波器(finite impulse response,FIR)实现的[6]。考虑到FPGA的主要组成特点，本设计采用分布式算法(distributed arithmetic,DA)。分布式算法为：

(1)

式中：{ci}为系数；{xi}为W位的输入；N为滤波器的项数；Y为滤波器的输出。

输入可以表示为二进制补码的方式：

(2)

式中：xi,W-1为{xi}的每一个二进制位。

把式(2)代入式(1)，可得：

(3)

定义：

(4)

(5)

则式(3)可表示为：

(6)

为便于计算，假设输入均为整数，则有：

(7)

定义：

(8)

如N=P×M，则可以有：

(9)

(10)

式中：(G)j,P为存储器中的值。

在上述算法的基础上，本文创造性地提出了一种新型基于脉动结构的滤波器。与现有的基于脉动结构的滤波器相比，本设计主要具有处理速度快、结构简单这两大特点。

①处理速度快。基于脉动结构的滤波器算法如图2所示。该滤波器采用了所有字节都可以进行平行处理的方法。与现有的滤波器不同的是，该滤波器的处理单元(processing element，PE)可同时进行数值的计算，虽然资源比之前减少了，但是还是保持了很高的计算速度。

图2 基于脉动结构的滤波器算法示意图

②结构简单。不同于传统意义上的滤波器，本设计建立在分布式算法的基础上，其计算部分主要由查找表(lookup table,LUT)实现。由于本设计的独特性，该滤波器的查找表可以同时实现对输入的处理，大大提高了工作效率。该查找表的设计符合FPGA本身器件的特点，因此在该平台上可以有很好的表现。

2 椭圆曲线加密系统

由于电能终端自动检测系统需要传输与处理很多重要的信息，系统的安全性数据处理问题也越来越受到重视。此外，自动化检测系统本身是否具有良好的安全性也是一个很大的问题。针对这一现状，本文提出将基于有限域GF(2m)的椭圆曲线加密系统嵌入到电能终端检测系统，以实现高安全性运行[7-11]。

椭圆曲线密码系统是一种公匙密码系统，最早由Koblitz和Miller在1985年分别提出[9]。在目前已知的公匙密码系统中，椭圆曲线密码系统具有最高级别的安全性，也是数据处理安全性研究的热点。

2.1 设计流程

整个椭圆曲线加密系统的结构设计流程如图3所示。

图3 系统结构设计流程图

该加密系统的设计主要是从底层结构的基于有限域GF(2m)的乘法器开始的。本文通过设计新型的基于有限域GF(2m)的乘法器，来实现底层结构的优化。在此基础上，对中间层次的算法进行改良。这个算法主要是对加密系统中的计算结构进行优化，包括在每一个周期使用最少数量的乘法器进行计算。最后，进行系统的编程处理，并且取得最终的结果，该结果将进行测试验证并且在FPGA上得到实际操作。通过该流程也可以发现，整个密码器的主要核心是基于有限域GF(2m)的乘法器。

2.2 基于有限域GF(2m)的乘法器

有限域GF(2m)的乘法器是椭圆曲线加密系统上执行点加和点乘的基本运算单元。美国国家标准局为此推荐了五个多项式用于有限域GF(2m)乘法运算[9]，其中有两个三项式、三个五项式。近年来，许多研究都集中在脉动结构实现的三项式有限域GF(2m)乘法器。特别是文献[10]推出了基于Karatsuba方法的三项式有限域GF(2m)脉动结构乘法器。该乘法器具有速度快和资源消耗低等特点，本文设计的乘法器将在此基础上作进一步的改进。

假设a(x)和b(x)为输入、c(x)为输出，则根据Montgomery算法，可以有：

(11)

c0=T2+T3+T1xm-n=c0,0+c0,1x+…+c0,m-1xm-1

(12)

c1=T1+T3xn=c1,0+c1,1x+…+c1,m-2xm-2

(13)

式(11)可简化为：

(14)

则：

(15)

式中：u和v分别代表式(14)中矩阵B1和B2的每一列。

根据算法进行乘法器结构的设计。本文采用以脉动结构为主的乘法器，主要是因为基于脉动结构的乘法器速度比较快、结构比较简单。

基于脉动结构的乘法器的设计流程如下。首先，如式(15)所示，整个计算的最终结果由两部分组成，因此本设计采用了一个处理单元并行处理三个数据的方式。其次，严格按照式(15)的计算顺序，把每一个处理单元相连以取得最终结果。最后，加密系统将设计好的乘法器作为基本运算单元调用。

2.3 椭圆曲线加密系统的算法和实现

椭圆曲线加密系统的运算主要以椭圆曲线的某两个点按一定规则进行计算为基础而组成的。其中一个曲线可以表示如下[11]：

E:y2+xy=x3+ax2+b

(16)

假设椭圆曲线(15)上的坐标为X、Y和Z，加密系统的运算可表示为：

(17)

(18)

(19)

式中：所有的参数均为曲线对应点的坐标值。

由式(17)～式(19)可知，椭圆曲线加密系统的运算基本取决于乘法器的运算。

基于式(17)～式(19)的加密系统结构如图4所示。

图4 加密系统结构示意图

如图4所示，该系统主要由控制器、运算器(乘法、加法和平方)和存储单元组成。控制单元主要负责对运算器进行合理调配和资源安排，使得这些单元部件之间充分配合，以取得合理结果。

3 自动测试系统的验证和应用

本部分将重点研究自动测试系统的验证和应用，其主要结构如图5所示。

图5 自动测试系统结构示意图

由图5可知，自动测试系统在正常工作的情况下，首先由控制总部发出检测命令使得密码系统工作，然后密码系统发出相应的指令对电能终端进行检测控制。在这一过程中，由于测试信号被加密，确保了整个系统的运转处于高度保密状态。

与此同时，该系统的高安全性极大地增强了电能终端的自动检测能力，这也使得传统检测方式所附带的数据难以管理的问题得以解决。

整个系统包括滤波器(64项，8位字长)和加密器(三项式域值为233)，最终都由硬件描述语言写成程序并下载到FPGA Virtex-6芯片中。表1是最终测试系统在FPGA平台上进行实现的具体数据与相关文献方法实现结果的比较。由表1可以看到，本文所提出的结构比文献中的结构在面积、关键路径时间和功耗上均有较大提高。

表1 几种设计方法的FPGA实现比较

4 系统的应用

本文设计的电能终端的自动检测系统，成功解决了传统电能终端检测效率低下和安全性低等问题，实现了电能终端的自动测试和安全性数据控制，极大地减少了人工检测所带来的不便。该系统具有多种优点，可以推广到其他相关产业。

本检测系统设计为每年工作365天，每日工作24 h。安装本文设计前后的系统检测能力对比如表2所示。

表2 系统检测能力对比

5 结束语

本文通过结合椭圆曲线密码系统，成功地实现了电能终端检测系统的最终设计。该电能终端自动检测系统具有高安全性、高速度和低资源占用等优点，性能优异。该系统可减少63%的人力成本，所需时间节约50%。同时，该系统的一期和二期检测能力分别提高了13.6%和12.5%，而数据正确率分别提高了2.3%和3%，保障了整个电力系统的安全运行，值得在相关领域推广使用。

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[4] 李良巧.机械可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，1998.

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Design of the Novel High Security Automatic Detection System for Power Terminal of Smart Grid

ZHANG Xiaoying,ZHUANG Gewei,ZHANG Honghong,ZHANG Jingyue

(Electric Power Research Institute,State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company,Shanghai 200051,China)

Based on the fact that automatic detecting systems of power terminal of smart State Grid are in a low security status,a novel cryptosystem is designed to enhance the data security of the automatic detecting systems of power terminal.Considering the feature of the massive data transmission of the detecting system,the latest elliptic curve cryptosystem is employed and the implementation research is conducted on specific automatic detecting system.Firstly,the novel structure of filter based on distributed arithmetic (DA) is proposed,and then based on this filter,a front-end system is designed.In addition,the multiplier based on finite domain GF(2m) is added in elliptic curve cryptosystem.With the systolic structure,the multiplier implements the effect of high speed operation.The whole cryptosystem is consisting of multiplier,adder,and other computation units,and implemented on the platform based on FPGA,to get better application effections.The testing results validate the feasibility of the proposed cryptosystem in detecting system,and it can be promoted to widerange of electric energy detecting systems.

Smart grid; Electric energy meter； FPGA; Filtering； Safety； Detection

中国人民解放军总装备部预先研究基金资助项目(9140A20040514BQ04294)

张晓颖(1976—)，女，硕士，工程师，主要从事电能计量及自动化检测技术的研究。E-mail:zhang_xiaoying2003@hotmail.com。

TH6;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704015

修改稿收到日期：2016-10-25