張曉穎,莊葛巍,張洪紅,張靜月

(國網(wǎng)上海電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200051)

新型高安全性智能電網(wǎng)電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張曉穎,莊葛巍,張洪紅,張靜月

(國網(wǎng)上海電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200051)

針對國家智能電網(wǎng)中現(xiàn)有的電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)安全性不高等問題，設(shè)計(jì)了一種新型的加密器，以提高電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)的信號安全性?？紤]到檢測系統(tǒng)的信號傳輸大的特點(diǎn)，采用了最新型的橢圓曲線密碼系統(tǒng)，在具體的電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)上進(jìn)行了可行性研究。首先提出了一種新型的基于分布式算法的濾波器結(jié)構(gòu)，然后在該濾波器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。除此之外，橢圓曲線密碼系統(tǒng)中采用了一種基于有限域GF(2m)的乘法器。該乘法器以脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的形式，實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)行。整個(gè)橢圓曲線密碼系統(tǒng)由乘法器、加法器等運(yùn)算單元組成，并在基于FPGA的平臺上實(shí)現(xiàn)，取得了更好的應(yīng)用效果。實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了該橢圓曲線系統(tǒng)在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中的可行性，該設(shè)計(jì)可以推廣應(yīng)用到大范圍電能檢測系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)； 電能表； FPGA; 濾波； 安全性； 檢測

0 引言

國家智能電網(wǎng)系統(tǒng)在這幾年得到了大力發(fā)展，電能終端檢測系統(tǒng)也變得越來越重要。同時(shí)，傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)也凸顯出越來越多的弊病[1-5]：①效率低下，傳統(tǒng)檢測多依賴人工；②安全性低，智能電網(wǎng)的規(guī)模變大。因此，如何保護(hù)數(shù)據(jù)已成為亟待解決的問題。

針對這一現(xiàn)狀，已經(jīng)涌現(xiàn)了一些基于電能終端的自動(dòng)化檢測系統(tǒng)[1,5]。這些檢測系統(tǒng)具有一些共同的特點(diǎn)：都是在基于具體的實(shí)際檢測情況下，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)對電能終端進(jìn)行檢測處理。但是對于這些檢測系統(tǒng)的安全性進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)的研究并不是很多。

本文在基于上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型基于FPGA平臺的終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)。該自動(dòng)檢測系統(tǒng)將結(jié)合最新型橢圓曲線密碼系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的高度加密，并在具體環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)行可行性驗(yàn)證。

1 電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)

1.1 總體介紹

在智能電網(wǎng)中，電能終端主要包括單相電能表、三相電能表和集中器等儀表。這些儀表的運(yùn)行準(zhǔn)確性決定了電網(wǎng)的正確運(yùn)行。因此，每個(gè)電能終端都要經(jīng)過嚴(yán)格的測試才能投入使用。目前，由于存在許多不同規(guī)格的電能終端，檢測系統(tǒng)只能分規(guī)格對這些儀表的電能終端進(jìn)行多條流水線檢測，導(dǎo)致檢測任務(wù)占用智能電網(wǎng)比重太大；同時(shí)，還存在智能檢測系統(tǒng)研發(fā)上的投入不足等問題，亟需大力改進(jìn)研發(fā)突破度不夠等現(xiàn)狀[5-6]。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的目的是要提供一種電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電能終端的檢測，而且可以有效解決檢測系統(tǒng)的安全性問題。

對此，本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)采用一個(gè)電能終端自動(dòng)檢測裝置來實(shí)現(xiàn)。該裝置包括基座、氣缸、導(dǎo)軌、移動(dòng)裝置、固定架子、驅(qū)動(dòng)器和檢測端子。氣缸作為一個(gè)缸體被固定安置在架子上，移動(dòng)裝置通過移動(dòng)滑輪來回滑動(dòng)，從而推動(dòng)氣缸的活塞與移動(dòng)裝置相連。同時(shí)，在移動(dòng)架子上有專門的固定架子用來固定電能終端的檢測設(shè)備。各部件的相關(guān)功能如下。

①固定架子：主要通過軸承固定在移動(dòng)裝置上，并且該移動(dòng)裝置有比較靈活的內(nèi)外圈設(shè)計(jì)，使得軸承可以對這個(gè)架子進(jìn)行直接控制，從而降低對馬達(dá)的要求。

②驅(qū)動(dòng)器：主要包括一個(gè)電機(jī)，該電機(jī)通過軸承與外面的齒輪結(jié)合。該設(shè)計(jì)比較簡單、方便，同時(shí)也便于電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)固定架子移動(dòng)。

③檢測端子：中部有孔，可以和移動(dòng)裝置相連接。同時(shí)，這個(gè)裝置也與檢測端的電能終端有接觸，從而使得檢測的接觸變得方便。

由于固定架子上有不同的檢測端子，使得該檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)對多種檢測物體的同時(shí)檢測。此外，在移動(dòng)裝置的底部還有一段移動(dòng)使用的導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌可以很方便地與移動(dòng)裝置配合，使整個(gè)系統(tǒng)的操作變得簡單。

本文設(shè)計(jì)的電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)為：本系統(tǒng)由移動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)檢測端子對電能終端系統(tǒng)進(jìn)行檢測，具有性能優(yōu)異、使用簡單等特點(diǎn)；同時(shí)，該檢測系統(tǒng)可以對多種電能終端進(jìn)行檢測，從而極大提高了系統(tǒng)的檢測效率。

1.3 濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的濾波器主要包括兩個(gè)部分：①外在的電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)；②以FPGA(可編程邏輯控制器件)為主的安全系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

其中，在基于FPGA的控制系統(tǒng)中，信號的濾波部分格外重要，因?yàn)槠涫钦麄€(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的前提。該濾波器的設(shè)計(jì)過程如下。

該濾波器是由有限脈沖響應(yīng)濾波器(finite impulse response,FIR)實(shí)現(xiàn)的[6]。考慮到FPGA的主要組成特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用分布式算法(distributed arithmetic,DA)。分布式算法為：

(1)

式中：{ci}為系數(shù)；{xi}為W位的輸入；N為濾波器的項(xiàng)數(shù)；Y為濾波器的輸出。

輸入可以表示為二進(jìn)制補(bǔ)碼的方式：

(2)

式中：xi,W-1為{xi}的每一個(gè)二進(jìn)制位。

把式(2)代入式(1)，可得：

(3)

定義：

(4)

(5)

則式(3)可表示為：

(6)

為便于計(jì)算，假設(shè)輸入均為整數(shù)，則有：

(7)

定義：

(8)

如N=P×M，則可以有：

(9)

(10)

式中：(G)j,P為存儲器中的值。

在上述算法的基礎(chǔ)上，本文創(chuàng)造性地提出了一種新型基于脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的濾波器。與現(xiàn)有的基于脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的濾波器相比，本設(shè)計(jì)主要具有處理速度快、結(jié)構(gòu)簡單這兩大特點(diǎn)。

①處理速度快?；诿}動(dòng)結(jié)構(gòu)的濾波器算法如圖2所示。該濾波器采用了所有字節(jié)都可以進(jìn)行平行處理的方法。與現(xiàn)有的濾波器不同的是，該濾波器的處理單元(processing element，PE)可同時(shí)進(jìn)行數(shù)值的計(jì)算，雖然資源比之前減少了，但是還是保持了很高的計(jì)算速度。

圖2 基于脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的濾波器算法示意圖

②結(jié)構(gòu)簡單。不同于傳統(tǒng)意義上的濾波器，本設(shè)計(jì)建立在分布式算法的基礎(chǔ)上，其計(jì)算部分主要由查找表(lookup table,LUT)實(shí)現(xiàn)。由于本設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，該濾波器的查找表可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對輸入的處理，大大提高了工作效率。該查找表的設(shè)計(jì)符合FPGA本身器件的特點(diǎn)，因此在該平臺上可以有很好的表現(xiàn)。

2 橢圓曲線加密系統(tǒng)

由于電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)需要傳輸與處理很多重要的信息，系統(tǒng)的安全性數(shù)據(jù)處理問題也越來越受到重視。此外，自動(dòng)化檢測系統(tǒng)本身是否具有良好的安全性也是一個(gè)很大的問題。針對這一現(xiàn)狀，本文提出將基于有限域GF(2m)的橢圓曲線加密系統(tǒng)嵌入到電能終端檢測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高安全性運(yùn)行[7-11]。

橢圓曲線密碼系統(tǒng)是一種公匙密碼系統(tǒng)，最早由Koblitz和Miller在1985年分別提出[9]。在目前已知的公匙密碼系統(tǒng)中，橢圓曲線密碼系統(tǒng)具有最高級別的安全性，也是數(shù)據(jù)處理安全性研究的熱點(diǎn)。

2.1 設(shè)計(jì)流程

整個(gè)橢圓曲線加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

該加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是從底層結(jié)構(gòu)的基于有限域GF(2m)的乘法器開始的。本文通過設(shè)計(jì)新型的基于有限域GF(2m)的乘法器，來實(shí)現(xiàn)底層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，對中間層次的算法進(jìn)行改良。這個(gè)算法主要是對加密系統(tǒng)中的計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括在每一個(gè)周期使用最少數(shù)量的乘法器進(jìn)行計(jì)算。最后，進(jìn)行系統(tǒng)的編程處理，并且取得最終的結(jié)果，該結(jié)果將進(jìn)行測試驗(yàn)證并且在FPGA上得到實(shí)際操作。通過該流程也可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)密碼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)的乘法器是橢圓曲線加密系統(tǒng)上執(zhí)行點(diǎn)加和點(diǎn)乘的基本運(yùn)算單元。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局為此推薦了五個(gè)多項(xiàng)式用于有限域GF(2m)乘法運(yùn)算[9]，其中有兩個(gè)三項(xiàng)式、三個(gè)五項(xiàng)式。近年來，許多研究都集中在脈動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的三項(xiàng)式有限域GF(2m)乘法器。特別是文獻(xiàn)[10]推出了基于Karatsuba方法的三項(xiàng)式有限域GF(2m)脈動(dòng)結(jié)構(gòu)乘法器。該乘法器具有速度快和資源消耗低等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的乘法器將在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的改進(jìn)。

假設(shè)a(x)和b(x)為輸入、c(x)為輸出，則根據(jù)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)可簡化為：

(14)

則：

(15)

式中：u和v分別代表式(14)中矩陣B1和B2的每一列。

根據(jù)算法進(jìn)行乘法器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文采用以脈動(dòng)結(jié)構(gòu)為主的乘法器，主要是因?yàn)榛诿}動(dòng)結(jié)構(gòu)的乘法器速度比較快、結(jié)構(gòu)比較簡單。

基于脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的乘法器的設(shè)計(jì)流程如下。首先，如式(15)所示，整個(gè)計(jì)算的最終結(jié)果由兩部分組成，因此本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)處理單元并行處理三個(gè)數(shù)據(jù)的方式。其次，嚴(yán)格按照式(15)的計(jì)算順序，把每一個(gè)處理單元相連以取得最終結(jié)果。最后，加密系統(tǒng)將設(shè)計(jì)好的乘法器作為基本運(yùn)算單元調(diào)用。

2.3 橢圓曲線加密系統(tǒng)的算法和實(shí)現(xiàn)

橢圓曲線加密系統(tǒng)的運(yùn)算主要以橢圓曲線的某兩個(gè)點(diǎn)按一定規(guī)則進(jìn)行計(jì)算為基礎(chǔ)而組成的。其中一個(gè)曲線可以表示如下[11]：

E:y2+xy=x3+ax2+b

(16)

假設(shè)橢圓曲線(15)上的坐標(biāo)為X、Y和Z，加密系統(tǒng)的運(yùn)算可表示為：

(17)

(18)

(19)

式中：所有的參數(shù)均為曲線對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

由式(17)～式(19)可知，橢圓曲線加密系統(tǒng)的運(yùn)算基本取決于乘法器的運(yùn)算。

基于式(17)～式(19)的加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，該系統(tǒng)主要由控制器、運(yùn)算器(乘法、加法和平方)和存儲單元組成?？刂茊卧饕?fù)責(zé)對運(yùn)算器進(jìn)行合理調(diào)配和資源安排，使得這些單元部件之間充分配合，以取得合理結(jié)果。

3 自動(dòng)測試系統(tǒng)的驗(yàn)證和應(yīng)用

本部分將重點(diǎn)研究自動(dòng)測試系統(tǒng)的驗(yàn)證和應(yīng)用，其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動(dòng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖5可知，自動(dòng)測試系統(tǒng)在正常工作的情況下，首先由控制總部發(fā)出檢測命令使得密碼系統(tǒng)工作，然后密碼系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令對電能終端進(jìn)行檢測控制。在這一過程中，由于測試信號被加密，確保了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)處于高度保密狀態(tài)。

與此同時(shí)，該系統(tǒng)的高安全性極大地增強(qiáng)了電能終端的自動(dòng)檢測能力，這也使得傳統(tǒng)檢測方式所附帶的數(shù)據(jù)難以管理的問題得以解決。

整個(gè)系統(tǒng)包括濾波器(64項(xiàng)，8位字長)和加密器(三項(xiàng)式域值為233)，最終都由硬件描述語言寫成程序并下載到FPGA Virtex-6芯片中。表1是最終測試系統(tǒng)在FPGA平臺上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的具體數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)結(jié)果的比較。由表1可以看到，本文所提出的結(jié)構(gòu)比文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)在面積、關(guān)鍵路徑時(shí)間和功耗上均有較大提高。

表1 幾種設(shè)計(jì)方法的FPGA實(shí)現(xiàn)比較

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的電能終端的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，成功解決了傳統(tǒng)電能終端檢測效率低下和安全性低等問題，實(shí)現(xiàn)了電能終端的自動(dòng)測試和安全性數(shù)據(jù)控制，極大地減少了人工檢測所帶來的不便。該系統(tǒng)具有多種優(yōu)點(diǎn)，可以推廣到其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

本檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每年工作365天，每日工作24 h。安裝本文設(shè)計(jì)前后的系統(tǒng)檢測能力對比如表2所示。

表2 系統(tǒng)檢測能力對比

5 結(jié)束語

本文通過結(jié)合橢圓曲線密碼系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了電能終端檢測系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)。該電能終端自動(dòng)檢測系統(tǒng)具有高安全性、高速度和低資源占用等優(yōu)點(diǎn)，性能優(yōu)異。該系統(tǒng)可減少63%的人力成本，所需時(shí)間節(jié)約50%。同時(shí)，該系統(tǒng)的一期和二期檢測能力分別提高了13.6%和12.5%，而數(shù)據(jù)正確率分別提高了2.3%和3%，保障了整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，值得在相關(guān)領(lǐng)域推廣使用。

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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

中國人民解放軍總裝備部預(yù)先研究基金資助項(xiàng)目(9140A20040514BQ04294)

張曉穎(1976—)，女，碩士，工程師，主要從事電能計(jì)量及自動(dòng)化檢測技術(shù)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