CN101944995A

CN101944995A - 电力管理系统通讯方法

Info

Publication number: CN101944995A
Application number: CN 200910151280
Authority: CN
Inventors: 杨红卫
Original assignee: Shenzhen Kaifa Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Great Wall Development Technology Co ltd
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: CN101944995B

Abstract

一种电力管理系统通讯方法，该电力管理系统是兼容DL/T645协议的，使该主站上保存有第二密钥，并使该主站能够进行第二加密运算；使该从站上保存有第一密钥，并使该从站能够进行第一加密运算；在主站和从站的通讯过程中，包括以下步骤：该主站与从站相互交换随机序列；该主站依据随机序列和该第二密钥进行第二加密运算以生成用以对该从站进行操作的第二口令；该从站依据随机序列和该第一密钥进行第一加密运算生成第一口令；该从站通过比对该第一口令与该第二口令来核对该主站的身份是否有效，是则允许该主站对该从站进行的安全操作，否则禁止该主站对该从站进行的安全操作。安全性可大大提高，而系统的维护成本可大大降低。

Description

电力管理系统通讯方法

技术领域

本发明涉及一种电力设备，尤其电力管理系统。

背景技术

在现有的电力管理系统的通讯中，通常采用如DL/T645的行业标准。该标准规定了主站设备与从站设备之间的通信协议。其中，在应用层，对涉及到对从站设备的、比较重大的操作时，使用到了口令，比如：针对写数据、最大需量清零、电表清零以及事件清零中，主站发出的请求帧中携带有口令；而针对密码管理，也就是修改密码，规定了主站请求帧中携带旧口令和新口令，而从站的正常应答帧要回报新密码。

现有的这种通讯方式，在由电表(相当于从站设备)、集中器(相当于主站设备)以及管理中心计算机构成的集中抄表系统中，电表出厂时设定一个密码，密码包括PA，P0，P1和P2四个字节，其中：PA可分成0至9十个密码级，每一个密码级对应一组P0，P1，P2值。由于密码值相对稳定，通讯过程中采用的设备编码地址也是相对稳定，因此，数据传输起来没有有效的变化机制，密码容易被窃取。

并且，这种通讯方式也限定了电表的软件在应用编程，需要人工手动操作电表的编程用物理开关才能进行，从而大大地增添了系统的维护成本。

可见，现有的通讯方式，无论是电表的数据传输到集中器，还是数据从集中器传输到电力公司的管理中心计算机，全过程是固定的明码传输，数据安全性极低，并且系统维护成本高。

发明内容

本发明的目的在于，电力管理系统的安全性大大提高，而系统的维护成本可以大大降低。

为了实现上述的目的，本发明提供一种电力管理系统通讯方法，该电力管理系统包括相互通讯连接的主站和从站，该主站和从站之间的通讯是兼容DL/T645协议的，使该主站上保存有第二密钥，并使该主站能够进行第二加密运算；使该从站上保存有第一密钥，并使该从站能够进行第一加密运算；使主站和从站的通讯过程中包括以下步骤：该主站与从站相互交换随机序列；该主站依据随机序列和该第二密钥进行第二加密运算以生成用以对该从站进行操作的第二口令；该从站依据随机序列和该第一密钥进行第一加密运算生成第一口令；该从站通过比对该第一口令与该第二口令来核对该主站的身份是否有效，是则允许该主站对该从站进行的安全操作，否则禁止该主站对该从站进行的安全操作。

其中，该主站进行第二加密运算时所依据的随机序列包括其发送给从站的随机序列以及其自该从站获取的随机序列；该从站进行第一加密运算时所依据的随机序列包括其发送给主站的随机序列与其自该主站获取的随机序列。

该主站与该从站相互交换随机序列的过程包括：该主站生成并发送一第二随机序列给该从站；该从站在接收到该第二随机序列后生成并发送一第一随机序列给该主站。

该第一口令与该第二口令一致是该从站判断该主站的身份有效的依据。

该从站在判断该主站的身份有效后，启动第二安全窗口以确定允许该主站对该从站进行安全操作的时间长度。

该从站在交换随机序列后，启动第一安全窗口以限定该从站接收安全操作命令的时间长度。

该第一安全窗口和/或第二安全窗口的时间长度取决于该主站发送给该从站的参数。其中，时间长度可以是取决于本次该主站发送给该从站的参数，也可以是取决于主站和从站共同约定的缺省的参数，还可以是取决于上次主站发给从站的参数。

该第一安全窗口和第二安全窗口是分别用一定时器进行时间长度的设定。

该主站对该从站进行的安全操作包括改变从站信息内容的通信操作，如：写数据和/或在应用编程等。

与现有技术相比，本发明的电力管理系统通讯方法，通过由设计、生产和使用者分别管理系统的各安全密钥和算法；通过扩展DL/T645应用协议，例如：1、增加握手过程：A、增加随机数请求消息和随机数应答消息；B、增加软编程开关打开请求消息(含用随机数、密钥生成的密码)和关闭请求消息；或2、增加：随机数的数据标识、软编程开关的数据标识；3、动态密码由2个或以上随机数及各密钥和相关算法生成；4、成功的一次握手有时间限制，超时后关闭安全连接，不再接受安全消息。可达到以下有益效果：兼容现有的DL/T645协议，成功解决DL/T645协议系统通信不安全的问题，这体现在：1、密钥在通信过程中不传输，只传输由密钥、随机数参与的随机值及相关算法生成的动态密码。因有随机数的参与，因密码的表象也是随机的，这些随机值即使被监听也难被破解。2、由于是由流程来保证系统的安全性，即使知道某几个环节，也不能破解和攻击，包括设计人员也不能破解。3、可实现在应用编程的软开关控制，系统的维护成本可以大幅度降低。

附图说明

图1是本发明的电力管理系统通讯方法的工作原理之一。

图2是本发明的电力管理系统通讯方法的工作原理之二。

图3是本发明的电力管理系统通讯方法实施例中的安全分配设置的流程图。

图4是本发明的电力管理系统通讯方法实施例的流程图。

图5是本发明的电力管理系统通讯方法实施例用于在对从站进行应用编程时的流程图。

图6是交换随机数实施例中的主站请求帧帧格式示意。

图7是交换随机数实施例中的从站正常应答帧帧格式示意。

图8是交换随机数实施例中的从站异常应答帧帧格式示意。

图9是设置安全窗口实施例中的主站请求帧帧格式示意。

图10是设置安全窗口实施例中的从站正常应答帧帧格式示意。

图11是设置安全窗口实施例中的从站异常应答帧帧格式示意。

图12是现有的DL/T645协议中写数据的主站请求帧帧格式示意。

图13是现有的DL/T645协议中写数据的从站正常应答帧帧格式示意。

图14是现有的DL/T645协议中写数据的从站异常应答帧帧格式示意。

图15是本发明的电力管理系统通讯方法实施例的一个具体流程示意。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明的电力管理系统通讯方法的工作原理之一，该电力管理系统包括相互通讯连接的主站和从站，该主站和从站之间的通讯是兼容DL/T645协议的，该主站上保存有第二密钥并能够进行第二加密运算；该从站上保存有第一密钥并能够进行第一加密运算；该主站和从站之间的通讯包括的步骤有：

1、主站与从站间相互交换随机序列；

2、从站以随机序列以及第一密钥为自变量，进行第一加密算法的运算，得到其当前进行通讯的用以安全管理的第一口令；

3、主站以随机序列以及第二密钥为自变量，进行第二加密算法的运算，得到其当前的、用以与特定从站进行安全操作的第二口令，并将该第二口令给该从站；

4、从站通过比对第一口令与第二口令来核对主站的身份是否有效。

其中，该第一密钥和第一加密算法是根据一定的规则预设于该从站的，该第二密钥和第二加密算法是根据一定的规则预设于该主站的。

如图2所示，本发明的电力管理系统通讯方法的工作原理之二，其除了上述的工作原理之一的四个步骤之外，还包括有：

5、该从站经核对该主站的身份为有效时，启动一安全窗口，在设定时间内允许该主站对该从站进行安全操作。

显然，通过采用安全窗口，可以令主站对从站的安全操作变得更加安全。

如图3所示，本发明的电力管理系统通讯方法，就主站、从站以及管理中心之间的安全通讯，设定了一套有效的密码变化机制，而上述的第一密钥、第一加密算法、第二密钥和第二加密算法就是根据该机制予以预设的。这大致包括，

101：在从站中设置第一加密算法和第一密钥，这又分别包括：101a：由设计者完成往从站设置第一加密算法的任务，和，101b：由生产者完成将第一密码写入从站中，以增强系统安全；

102：从站制造商根据第一管理算法，以第一密钥为自变量进行运算，得到与从站相对应的第一管理密钥，该第一管理密钥转移给第一级用户，该第一级用户具有第一级用户密钥；

103：第一级用户根据第二管理算法，以第一管理密钥以及该第一级用户密钥为自变量进行运算，得到第二管理密钥，该第二管理密钥伴随该从站转移给第二级用户，该第二级用户具有第二级用户密钥；

104：第二级用户根据第三管理算法，以第二管理密钥以及该第二级用户密钥为自变量进行运算，得到第二密钥，并将该第二密钥写入到该从站所连接的主站中，该主站中还设置第二加密算法。

如图4所示，在本发明的电力管理系统通讯方法实施例中，主站与从站之间的通讯过程，其大致包括有以下步骤：

201：主站向从站发送第二随机序列；

202：从站在接收并保存该第二随机序列后，向主站应答第一随机序列；

203：从站以该第一随机序列、该第二随机序列以及第一密钥为自变量，进行第一加密算法的运算，得到其当前进行通讯的有效密码；

204：主站以该第一随机序列、该第二随机序列以及第二密钥为自变量，进行第二加密算法的运算，得到其当前的、用以与特定从站进行通讯的有效密码。

如图5所示，为采用本发明的电力管理系统通讯方法实施例应用在一种具体的安全操作--在应用编程的过程，其大致包括，

301：主站向从站发送第二随机序列；

302：从站在接收并保存该第二随机序列后，向主站应答第一随机序列；

303：从站以该第一随机序列、该第二随机序列以及第一密钥为自变量，进行第一加密算法的运算，得到其当前软件进行在应用编程修改口令；

304：主站以该第一随机序列、该第二随机序列以及第二密钥为自变量，进行第二加密算法的运算，得到其当前的、用以对特定从站进行在应用编程的口令。

以下，以一个集中抄表系统为例，予以更详尽地说明。

该系统包括电表、集中器、市级管理中心和省级管理中心等四层结构，这里，电表与上述的从站对应，集中器与上述的主站相对应。下面，就本发明的通讯方法在该系统中的两种应用方式，予以举例说明：

第一种的应用方式：动态密码。

其中，安全管理分配机制有：

电力管理部门给电表生产厂家发放算法F1。

电力管理部门给集中器设计厂家发放算法F2。

电力管理部门给电表设计厂家发放算法F3。

省级电力公司给管理员分配KEY3，F4。

市级电力公司给管理员分配KEY4，F5。

各级的安全保证手段体现在设计及生产阶段，有：

电表设计时预存了电力管理部门发放的算法F3。

电表生产时预存了随机密钥KEY1。

电表生产厂家根据KEY1和F1得到KEY2，KEY2＝F1(KEY1)。

电表生产厂家出货时提供电表及KEY2给收货人。

收货人将KEY2传给省级电力公司，省级电力公司产生KEY5，KEY5＝F4(KEY3，KEY2)，并将KEY5发给市级电力公司。

市级电力公司产生KEY6，KEY6＝F5(KEY5，KEY4)，并将KEY6写入集中器/主站/或其他主通信设备。

在通讯过程中，于建立集中器与电表的握手时，包括有以下步骤：

集中器向电表发送随机值N1。

集中器从电表读得随机值N2。

集中器计算得到PWD1＝F2(KEY6，N1，N2)。

电表计算得到PWD2＝F3(KEY1，N1，N2)。

于集中器与电表的实际通信操作阶段：

集中器将PWD1替换现有的DL/T645协议中的密码相应内容，给电表发送安全请求消息，同时，让N1＝N2，N2＝PWD1。

电表收到集中器的请求消息，比对请求消息的密码和电表计算所得的PWD2，两者相等，电表即接受此安全通讯消息，同时，让N1＝N2，N2＝PWD2。

当安全通讯超时或出错或收到结束消息时，退出安全通信状态，解除握手。需要说明的是，这里的超时判断，可以通过设定定时模块来实现：该电表设有一定时模块，该定时模块于该PWD2生成时开始工作，该定时模块于设定的时间到了时通知该电表将该PWD2予以清除。

以下，给出一个简单的算法以对上述的加密运算进行例示(实际应用，可采用更为复杂的算法处理，以增加安全性)：

F1(x1)＝(x1+1)％0x100000000

F2(x1，x2，x3)＝(x1-KEY4-KEY3-1+X2+X3)％0x100000000

F3(X1，X2，X3)＝(x1+x2+x3)％0x100000000

F4(x1，x2)＝(x1+x2)％0x100000000

F5(x1，x2)＝(x1+x2)％0x100000000

设：

KEY1＝0x01020304

KEY3＝0x33333333

KEY4＝0x44444444

N1＝1

N2＝2

则：

KEY2＝F1(KEY1)＝0x01020305

KEY5＝F4(KEY2，KEY3)＝0x34353638

KEY6＝F5(KEY5，KEY4)＝0x78797A7C

PWD1＝F2(KEY6，N1，N2)＝0x1020307

PWD2＝F3(KEY1，N1，N2)＝0x1020307

第二种的应用方式：软编程开关

本发明从出厂时即约定此系统的一套密码变化机制。

管理分配：

电力管理部门给电表生产厂家发放算法F1。

电力管理部门给集中器设计厂家发放算法F2。

电力管理部门给电表设计厂家发入算法F3。

省级电力公司给管理员分配KEY3，F4，

市级电力公司给管理员分配KEY4，F5

设计及生产阶段：

电表设计时预存了电力管理部门发放的算法F3。

电表生产时预存了随机密钥KEY1，

电表生产厂家根据KEY1和F1得到KEY2：KEY2＝F1(KEY1)。

电表生产厂家出货时提供电表及KEY2给收货人。

收货人将KEY2传给省级电力公司，省级电力公司产生KEY5：KEY5＝F4(KEY3，KEY2)，并将KEY5发给市级电力公司。

市级电力公司产生KEY6：KEY6＝F5(KEY5，KEY4)，并将KEY6写入集中器/主站/或其他主通信设备。

握手阶段时：

集中器向电表发送随机值N1，

集中器从电表读得随机值N2。

集中器计算得到SW1＝F2(KEY6，N1，N2)

电表计算得到SW2＝F3(KEY1，N1，N2)

通信操作阶段：

集中器将SW1发送给电表。

电表收到集中器的请求消息中的SW1，比对电表计算所得的SW2，两者一致，电表打开一定时间窗口的软编程开关

当安全通讯超时或出错或收到结束消息时，关闭软编程开关，退出安全通信状态，解除握手。

需要说明的是：该电表设有在应用编程模块和与该在应用编程模块串联的编程开关，该编程开关平时处于断开状态，该编程开关只在接收到该集中器发出的携带有该SW1的编程命令，并且该SW1经该电表核对能够确认该主站身份是有效的之后才处于闭合状态。

该电表还设有一定时模块，该定时模块于该编程开关由断开状态切换为闭合状态时开始工作，该定时模块于设定的时间到了时通知该电表将该编程开关由闭合状态切换为断开状态。

其中，具体的算法示例与上述的第一种应用方式中相同，在此不再赘述。

以下，就本发明的电力管理系统通讯方法与DL/T645协议的兼容问题，予以更详尽地举例说明：

在本例中，从站设有两个定时器。主站与从站之间扩展两对应用：1、交换随机数；2、设置安全窗口。

1、交换随机数

1.1主站请求帧

功能：为进行安全通信主站传送随机数给从站

消息：RandomReq(MRND，TM)

控制码：C＝18H

长度：L＝05H

帧格式参见图6，其中：如需要加强安全，TM可由约定算法、主站的随机数和TM真值计算给出。

1.2从站正常应答帧

功能：从站收到主站传送的随机数后，从站给主站应答从站的随机数。同时从站给等待设置安全窗口超时定时器赋等待时间TM真值。

消息：RandomResp(SRND)

控制码：C＝98H

长度：L＝04H

帧格式参见图7。

1.3从站异常应答帧

功能：从站不支持此操作

消息：ErrResp(ERR)

控制码：C＝D8H

长度：L＝01H

帧格式参见图8。

2、设置安全窗口

2.1主站请求帧

功能：为进行安全通信主站传送随机密码给从站。此请求消息必须在从站的等待设置安全窗口超时定时器没归0时传送给从站。

消息：SecuritySet(MRANDP，TM)

控制码：C＝19H

长度：L＝05H

帧格式参见图9。其中，随机密码是主站通过其预设的算法、主站持有的对应该从站的密钥、主站自己产生的随机数及从站应答的随机数计算产生的；如需要加强安全，TM可由约定算法、主站的随机密码和TM真值计算给出；TM真值为0表示关闭安全窗口。

2.2从站正常应答帧

功能：从站在等待设置安全窗口超时定时器没归0时收到此设置安全窗口消息，随机密码与从站自己通过其预设的算法、从站持有的密钥、主站传给从站的随机数及从站自己产生的随机数计算产生的值一致时，从站给出正常应答，并将TM真值赋给等待设置安全窗口超时定时器和安全窗口超时定时器

消息：SecurityResp(TM)

控制码：C＝99H

长度：L＝01H

帧格式参见图10。其中，如需要加强安全，TM可由约定算法、主站的随机密码、TM真值计算给出。TM真值为0表示安全窗口已被关闭。

2.3从站异常应答帧

功能：从站不支持此操，或从站的等待设置安全窗口超时定时器归0时从站给出异常应答

消息：ErrResp(ERR)

控制码：C＝D9H

长度：L＝01H

帧格式参见图11。

关于安全操作。

本发明所指的安全操作是指能改变从站信息的操作，可以是DL/T 645标准定义的，也可以是扩展的。可以特别规定某些改变从站信息的操作(如广播校时)不为安全操作。为描述方便，将标准DL/T 645中的写数据操作作为安全操作示例。需要说明的是，本发明的从站在安全窗口超时定时器没归0时收到正确安全操作请求帧时，接受并响应该请求帧，并将上次收到的设置安全窗口请求帧中的TM真值赋给等待设置安全窗口超时定时器和安全窗口超时定时器。

写数据

主站请求帧

功能：主站向从站请求设置数据(或编程)

消息：WriteReq(DI，DATA)

控制码：C＝04H

长度：L＝02H+m(数据DATA长度)

帧格式参见图12。

从站正常应答帧

功能：将请求命令执行的结果告知主站

消息：WriteResp()

控制码：C＝84H

长度：L＝00H

帧格式参见图13。

从站异常应答帧

功能：从站的等待设置安全窗口超时定时器归0时，或出现其它异常情况，从站给出异常应答

消息：ErrResp(ERR)

控制码：C＝C4H

长度：L＝01H

帧格式参见图14。

关于两个定时器。

等待设置安全窗口超时定时器TmWaitSecuritySet

从站本定时器不为0时，从站会进行倒计时直至归0。当此定时器为0时，从站不接受设置安全窗口请求。

安全窗口超时定时器TmSecurityWindow

从站本定时器不为0时，从站会进行倒计时直至归0。当此定时器为0时，从站不接受安全操作请求帧。

图15为本发明的电力管理系统通讯方法实施例的一个具体流程。其中，设置电表日期(DI＝0xC010，DL/T 645标准数据项)、时间(DI＝0xC011，DL/T645标准数据项)和工作模式(DI＝0xE881，某电力公司扩展数据项，值：01＝普通载波电能表；02＝分时费率载波电能表；03＝梯度费率载波电能表)的实例流程。其中：TmWaitSecuritySet对应第一安全窗口，TmSecurityWindow对应第二安全窗口，它包括以下过程：1、先后分别开启第一和第二安全窗口；2、日期设置；3、时间设置；4、工作模式设置；5、关闭第二和第一安全窗口；6、安全窗口外进行安全操作(设置安全窗口)。其流程如所示。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电力管理系统通讯方法，该电力管理系统包括相互通讯连接的主站和从站，该主站和从站之间的通讯是兼容DL/T645协议的，其特征在于，

使该主站上保存有第二密钥，并使该主站能够进行第二加密运算；

使该从站上保存有第一密钥，并使该从站能够进行第一加密运算；

使该主站和从站之间的通讯包括以下步骤：

该主站与从站相互交换随机序列；

该主站依据随机序列和该第二密钥进行第二加密运算以生成用以对该从站进行操作的第二口令；该从站依据随机序列和该第一密钥进行第一加密运算生成第一口令；

该从站通过比对该第一口令与该第二口令来核对该主站的身份是否有效，是则允许该主站对该从站进行的安全操作，否则禁止该主站对该从站进行的安全操作。

2.如权利要求1所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该主站进行第二加密运算时所依据的随机序列包括其发送给从站的随机序列以及其自该从站获取的随机序列；该从站进行第一加密运算时所依据的随机序列包括其发送给主站的随机序列与其自该主站获取的随机序列。

3.如权利要求2所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该主站与该从站相互交换随机序列的过程包括：该主站生成并发送一第二随机序列给该从站；该从站在接收到该第二随机序列后生成并发送一第一随机序列给该主站。

4.如权利要求3所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该第一口令与该第二口令一致是该从站判断该主站的身份有效的依据。

5.如权利要求4所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该从站在判断该主站的身份有效后，启动第二安全窗口以确定允许该主站对该从站进行安全操作的时间长度。

6.如权利要求5所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该从站还在交换随机序列之后，启动第一安全窗口以限定该从站接收安全操作命令的时间长度。

7.如权利要求6所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该第一安全窗口和/或第二安全窗口的时间长度取决于该主站发送给该从站的参数。

8.如权利要求6所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该第一安全窗口和第二安全窗口是分别用一定时器进行时间长度的设定。

9.如权利要求1至8任一所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该主站对该从站进行的安全操作包括改变该从站信息内容的通信操作。

10.如权利要求9所述的电力管理系统通讯方法，其特征在于，该主站对该从站进行的安全操作包括对该从站进行在应用编程。