智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法技术

本发明专利技术公开了一种智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法。本发明专利技术提出的方法利用差额补偿的思想，对智能电表用电数据进行缩放扰动，实现了对智能电网中用户用电隐私保护，相比一般的隐私保护方法，本发明专利技术在保证更高程度用电隐私的同时，提供更高的数据效用性。本发明专利技术在实现的过程中，开销只限制在聚合数据时的求和计算开销，无需复杂运算或加密解密，极大降低了智能电网的负载。在大型智能电网中，本发明专利技术简单、易于实现，可扩展性强，实用价值高。

【技术实现步骤摘要】
智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法
：本专利技术的应用领域为智能电网中用户用电行为的隐私保护，具体涉及一种智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法。
技术介绍
：随着智能电网的建设和部署，智能测量系统，尤其是智能电表，将广泛地取代原有机械电子电表，并通过采集更加准确和时效的电能消费信息来改进电能生产、供应、调度和消费的一系列过程。通过测量智能电表的用电数据，一方面可以进行用电负载的实时监测，从而供电公司可以更好地调度电能；另一方面，也可以提供用户用电的准确计费；因此，智能电网系统无论对于电能供应方和消费者都将发挥积极而重要的作用。然而，高精度和强实时的信息将会导致用户的用电隐私暴露。智能电表周期性采集的用电信息将在智能电网这样相对开放的网络环境中传输、处理和存储，一旦遭受攻击，个体的用电负荷曲线，也即特定时段的用电历史信息都可能被攻击者获取。已有文献证实具有一系列类似NILM(非入侵式负载监控)算法能分解和识别良好精度的负荷曲线，从而推断用户的用电器开关行为，侵犯用户的行为隐私。因此，保护智能电网系统中用户个人的行为隐私安全，关乎所有消费者的个人利益，提供强健的隐私保证是亟待解决也是至关重要的问题。目前已有大量强化和保护智能测量系统中用户隐私的研究方法。根据一般隐私保护的基本原则，现有的方法和技术可分为3类：基于匿名化的方法，基于数据加密的方法，和基于数据失真的方法。基于匿名化的方法通常简单易于实现，但是很容易遭受“连接攻击”。基于加密的方法通常都具有很高的精确性，但安全可靠的加密方法通常需要复杂的计算与通信开销，这点尤其影响智能电表这种资源相对受限的小型设备的实际工作效率。而现有的基于数据失真的方法虽然能达到直观的隐私保护，但是隐私-效用间的折衷并不高效，而且与数据无关的噪声很容易被过滤掉，减弱了隐私保护的功效。因此，不仅需要在隐私性和数据的效用性两方面进行折衷，还要尽可能实线噪声的自适应覆盖。此外，针对智能电网这一特殊应用场景，已有的方法要么只是对智能电网中的负载监测进行保护，要么只是对用户的用电计费数据进行保护，而本专利技术可以同时对智能电网中的负载监测和用户计费进行隐私保护。
技术实现思路
：本专利技术的目的是解决在智能电网中用户隐私的泄露问题，提出了一种智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法。本专利技术简单且易于实现，可以有效保护用户负载曲线中数据的隐私，同时保证高可靠的聚集统计精度和正确的计费，协议无需复杂运算或加密，具有极低的开销。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案来实现的：智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法，在智能电表的每个时隙都生成一个随机的缩放系数，然后基于差额补偿机制对用电数据进行扰动，最后进行实时聚集统计和用户计费，具体包括以下步骤：1)智能电表系统初始化：包括电网后台系统注册用户的智能电表ID、时间和生成通信密钥，智能电表生成自己的隐私密钥，以及智能电表和后台系统进行时钟同步；2)用户智能电表端处理：智能电表进入正确工作状态，并默认进入第一个时隙，包括智能电表用电数据测量，生成缩放系数和生成汇报数据，具体包括以下步骤，2-1)原始数据测量：测量第i个智能电表在时隙t的真实用电量数据测得值并不直接汇报给后台系统；2-2)生成缩放系数：在时隙t，智能电表i以其隐私密钥、智能电表ID和时间戳的哈希作为种子，生成第i个智能电表在时隙t的随机缩放系数2-3)生成应汇报数据：利用差额补偿机制，生成第i个智能电表在时隙t的应汇报数据并计算第t-1时隙第i个智能电表添加的扰动噪声2-4)生成实际汇报数据：对应汇报数据进行噪声扰动，生成第i个智能电表在时隙t的实际汇报数据3)后台系统处理：供电公司后台系统接收到智能电表的汇报数据后，进行实时聚集统计和计费处理，具体包括以下步骤，3-1)实时聚集统计：后台系统在时隙t接收到各个智能电表的实际汇报数据对当前时隙的汇报数据求和，得到第t个时隙汇报的聚集统计值Aggt；3-2)计费：后台系统从数据存储系统中获取该时段中所有时隙的用电数据，计算第i个智能电表的总计费Billi。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中智能电表在后台系统进行注册，保证智能电表与后台系统正确协作，同时生成智能电表i的隐私密钥Ki，保证通信的数据完整性、认证性和隐私性。本专利技术进一步的改进在于，步骤2-2)中智能电表以其隐私密钥、智能电表ID和时间戳的哈希值作为种子，在每个时隙t生成第i个智能电表的随机缩放系数即其中Rand()表示随机函数，Ki、Mi、Timet分别表示智能电表i的隐私密钥、智能电表ID和第t时隙的时间戳，缩放系数依据后台系统所公开给定的缩放界限值a，0≤a≤1，a由用户和供电商协商制定，并按照[-a,a]上的均匀分布随机生成，保证了缩放系数的机密性，由于使用差额补偿机制，故设定计费时段结束时隙的缩放系数一律取值为0。本专利技术进一步的改进在于，步骤2-3)中规定每个计费周期的第1个时隙的第i个智能电表的应汇报数据即为原始测量数据，即利用差额补偿机制，第i个智能电表在时隙t的应汇报数据为当前时隙的原始测量数据减去前一时隙添加的扰动噪声，代表时隙t-1的扰动噪声，则有因此时隙t的应汇报数据为本专利技术进一步的改进在于，步骤2-4)中对第i个智能电表在第t个时隙的应汇报数据进行噪声扰动，计算得到第i个智能电表在第t个时隙的实际汇报数据，用表示实际汇报数据，即本专利技术进一步的改进在于，步骤3-1)中后台系统在当前时隙接收到各个智能电表的实际汇报数据后，将汇报数据在后台存储系统中安全存放，对时隙t的所有汇报数据进行求和处理，得到在第t个时隙所有智能电表的汇报数据的聚集统计值为本专利技术进一步的改进在于，步骤3-2)中后台系统从数据存储系统中获取单个智能电表在该时段中各个时隙t的汇报数据，直接加和处理，得到该计费时段第i个智能电表的消费值为本专利技术所述的一种智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法，与其他直接在原始数据上添加正态分布噪声的方法相比，本专利技术对原始数据进行缩放扰动来添加噪声，保证用户在任何时隙用电数据都能得到有效扰动。通过理论分析和实验分析，实验结果都证实了本专利技术在隐私保护和保证数据效用性方面都十分有效，并且本专利技术在隐私与效用的折衷方面更优于其他的数据失真方法。附图说明：图1是用户智能电表的原始测量数据示意图；图2是对原始数据进行缩放扰动的示意图；图3是用户智能电表的扰动后的数据示意图；图4是本专利技术与已有方法的聚集误差期望值与扰动标准差间关系的对比图；图5是本专利技术与已有方法的聚集误差标准差与扰动标准差间关系的对比图；图6是本专利技术与已有方法的计费误差均值与扰动标准差间关系的对比图；图7是本专利技术与已有方法的计费误差标准差与扰动标准差间关系的对比图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。参照图1、图2和图3，本专利技术智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法，包括以下步骤：系统的初始化、用户智能电表端处理，和供电公司后台系统处理。1.系统初始化本专利技术的方法中，假设智能电表与后台系统的初始化过程是可靠安全的，包括以下步骤：Step1智能电表注册：智能电表在后台系统进行注册，注册信息包括智能电表ID、注册日期本文档来自技高网...

【技术保护点】
智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法，其特征在于，在智能电表的每个时隙都生成一个随机的缩放系数，然后基于差额补偿机制对用电数据进行扰动，最后进行实时聚集统计和用户计费，具体包括以下步骤：1)智能电表系统初始化：包括电网后台系统注册用户的电表ID、时间和生成通信密钥，智能电表生成自己的隐私密钥，以及智能电表和后台系统进行时钟同步；2)用户智能电表端处理：智能电表进入正确工作状态，并默认进入第一个时隙，包括智能电表用电数据测量，生成缩放系数和生成汇报数据，具体包括以下步骤，2‑1)原始数据测量：测量第i个智能电表在时隙t的真实用电量数据测得值并不直接汇报给后台系统；2‑2)生成缩放系数：在时隙t，智能电表i以其隐私密钥、注册ID和时间戳的哈希作为种子，生成第i个智能电表在时隙t的随机缩放系数2‑3)生成应汇报数据：利用差额补偿机制，生成第i个智能电表在时隙t的应汇报数据并计算第t‑1时隙第i个智能电表添加的扰动噪声2‑4)生成实际汇报数据：对应汇报数据进行噪声扰动，生成第i个智能电表在时隙t的实际汇报数据3)后台系统处理：供电公司后台系统接收到智能电表的汇报数据后，进行实时聚集统计和计费处理，具体包括以下步骤，3‑1)实时聚集统计：后台系统在时隙t接收到各个智能电表的实际汇报数据对当前时隙的汇报数据求和，得到第t个时隙汇报的聚集统计值Aggt；3‑2)计费：后台系统从数据存储系统中获取该时段中所有时隙的用电数据，计算第i个智能电表的总计费Billi。...

【技术特征摘要】
1.智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法，其特征在于，在智能电表的每个时隙都生成一个随机的缩放系数，然后基于差额补偿机制对用电数据进行扰动，最后进行实时聚集统计和用户计费，具体包括以下步骤：1)智能电表系统初始化：包括电网后台系统注册用户的智能电表ID、时间和生成通信密钥，智能电表生成自己的隐私密钥，以及智能电表和后台系统进行时钟同步；2)用户智能电表端处理：智能电表进入正确工作状态，并默认进入第一个时隙，包括智能电表用电数据测量，生成缩放系数和生成汇报数据，具体包括以下步骤，2-1)原始数据测量：测量第i个智能电表在时隙t的真实用电量数据测得值并不直接汇报给后台系统；2-2)生成缩放系数：在时隙t，智能电表i以其隐私密钥、智能电表ID和时间戳的哈希作为种子，生成第i个智能电表在时隙t的随机缩放系数2-3)生成应汇报数据：利用差额补偿机制，生成第i个智能电表在时隙t的应汇报数据并计算第t-1时隙第i个智能电表添加的扰动噪声2-4)生成实际汇报数据：对应汇报数据进行噪声扰动，生成第i个智能电表在时隙t的实际汇报数据3)后台系统处理：供电公司后台系统接收到智能电表的汇报数据后，进行实时聚集统计和计费处理，具体包括以下步骤，3-1)实时聚集统计：后台系统在时隙t接收到各个智能电表的实际汇报数据对当前时隙的汇报数据求和，得到第t个时隙汇报的聚集统计值Aggt；3-2)计费：后台系统从数据存储系统中获取该时段中所有时隙的用电数据，计算第i个智能电表的总计费Billi。2.根据权利要求1所述的智能电网中同时支持负载监测和用户计费的隐私保护方法，其特征在于，步骤1)中智能电表在后台系统进行注册，保证智能电表与后台系统正确协作，同时生成智能电表i的隐私密钥Ki，保证通信的数据完整性、认证性和隐私性。3.根据权利要求1所述的智能电网中同时支持...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨新宇，任雪斌，蔺杰，王腾，李庄园，王路辉，赵聪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61