CN103957206A - 一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能配电网的防御方法，其步骤：1对中央信息处理系统初始化；2设置一个n元布尔函数和代数免疫度与函数非线性度的约束条件；3计算n元布尔函数与新函数的势能差值以及总能量差值，所述的总能量为势能与动能相加之和；4判断内循环迭代因子是否大于内循环迭代次数，如果是大于内循环迭代次数，则转步骤5；如果不是大于内循环迭代次数，则令内循环迭代因子，转步骤1；5对中央信息处理系统进行退温_；6当n元布尔函数的势能达到一个设定的势能值，即磁场强度，则得到布尔函数的全局最优解。该方法用自身量子波动的特点实现全局最优，搜索效率高，能提高智能配电网抵御外界恶意攻击能力，实现智能配电网高效安全通信。

Description

一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法

技术领域

本发明涉及智能电网信息安全领域，具体涉及一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法。

背景技术

在当今的信息技术发展趋势下，智能化已成为智能配电网发展的必然之路。智能配电网将最先进的无线传感器网络技术运用到电力系统中，使其具备现有电网尚不具备的自愈、互动、兼容、集成、优化和安全等特点，但是由于大量智能终端的接入以及外界的恶意攻击等问题，对智能配电网的发展提出了新的安全问题。如何保证智能配电网在运用无线传感器网络技术的同时更加安全可靠的运行，尤其是防止外界恶意攻击破坏，成为智能配电网信息安全领域的重要研究方向之一。

智能配电网加入了先进的无线传感器网络技术，使其具有实现分布式能源整合、双向电流、设备智能化和动态定价等特征，接入大量的家居或建筑内的各种智能电气设备和分布式能源，完成了搜集用电信息、监控电气设备状态、发送控制信息和发送价格信息等一系列任务。但是大量智能终端的接入以及大量数据信息传输给智能配电网带来了很大的安全隐患。

 智能配电网主要有配电主站、中央信息处理系统、配电终端组成，配电主站是数据采集、人机联系和实现各种应用功能的核心；中央信息处理系统是数据信息处理整合加密的重要环节，是连接配电终端与配电主站的中心节点；配电终端是安装在一次设备运行现场的自动化装置，根据具体应用对象选择不同的类型。智能配电网业务流主要表现为：首先，将无线传感器节点部署在配电主站的开关柜中，通过多跳通信将感知信息中继给中央信息处理系统；接着，中央信息处理系统将接收的数据信息进行处理整合加密等操作，最后将数据信息发送至相应的智能配电终端（结合附图1）。

目前，智能配电网信息安全措施包括身份认证、访问控制、加密传输等技术，其中，身份认证通过鉴定智能终端的身份防止非法接入，访问控制通过限制智能配电终端的权限防止其越权操作，加密传输通过加密保证数据流的机密性。身份认证和访问控制主要阻止恶意终端的入侵，但是大量智能终端的接入产生的密集的数据流。然而加密传输技术在处理密集数据流和阻止任何形式的恶意攻击破坏方面具有不可替代的优势。

中央信息处理系统是连接配电终端与配电主站的中心节点，该系统分为四个模块：信息接收模块1、 信息处理加密模块2、电源模块3和信息发送模块4。其中，信息接收模块1负责收集配电主站发送过来的信息，实现A/D转换，然后发送至信息处理加密模块2；然后信息处理加密模块对接收到的信息进行数据处理，融合，冗余，加密；电源模块3负责供应整个系统正常运转所需能量；信息发送模块4负责将接收的信息整合，实现D/A转换，然后发送至配电终端。在所述的信息处理加密模块2中采用传统的加密算法，诸如“模拟退火算法（SA）”、“遗传算法”、“爬山算法”。上述传统的加密算法应用于所设计的均衡布尔函数时，由于自身存在的局限性，使得所设计的布尔函数容易陷入局部最优解的状况，搜索范围小、耗时久、效率低，影响智能配电网的安全。如图3所示，图中，纵轴表示的是评价函数：布尔函数的总能量                                               ；横轴表示的是变量：迭代次数K。曲线表示的是布尔函数的总能量随迭代次数K的增加而变化的情况。如图3所示：当迭代次数为时，布尔函数的总能量达到局部最低，模拟退火算法和量子退火算法同时达到局部最优解P点；当迭代次数为时，布尔函数的总能量达到全局最优，量子退火算法则利用其隧穿效应直接到达全局最优解P’点，但是，另一模拟退火算法却陷入局部最优的状态。从图3中的变化趋势曲线看出，设计一个基于量子退火算法的均衡布尔函数的防御方法，在智能配电网中加密算法能够防止外界恶意攻击，提高整个智能配电网的安全。

一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法，采用上述加密算法中的代价函数设计。所述的代价函数的设计是指量子退火算法中量子汉密尔顿方程的设计，它包括动能部分和势能部分，动能部分主要涉及量子波动和布尔函数系数，势能部分主要涉及均衡布尔函数的设计。而均衡布尔函数的设计主要是指设计代数免疫度和函数非线性度同时可取较大值的布尔函数。代数免疫度和函数非线性度是布尔函数重要的密码学指标。两者同时取较大值可提高系统抗外界恶意攻击的能力，完成智能配电网的安全通信。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法，用来解决智能配电网在通信过程中被外界恶意攻击的问题，通过使用本发明可以提高智能配电网抵御外界恶意攻击的能力，实现在智能配电网中更高效安全通信。    

本发明提供一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1： 对中央信息处理系统初始化，设置初始化参数如下：退火温度， 磁场强度，内循环迭代因子 ，（） ， N为内循环迭代次数；

步骤2： 设置一个n元布尔函数和代数免疫度与函数非线性度的约束条件；

设置一个n元布尔函数，采用似Cauchy分步的扰动方法得到新函数， 设置新函数的代数免疫度，记为，设置新函数的函数非线性度，记为，分别计算和，设置代数免疫度和函数非线性度的约束条件分别为：

其中，是n元的布尔函数的最大代数免疫度，是布尔函数的最小代数免疫度；是布尔函数的最大函数非线性度，是布尔函数的最小函数非线性度，当新函数的代数免疫度和非线性度满足代数疫度和函数非线性度的上述约束条件，则转步骤3；

步骤3： 计算n元布尔函数与新函数的势能差值以及总能量差值，所述的总能量为势能与动能相加之和， 势能差值与总能量差值的表达式分别为：

势能差值：      

总能量差值：

其中，是n元布尔函数的势能，是新函数的势能；表示n元布尔函数的总能量，表示新函数的总能量，

首先判断势能差值或总能量差值是否小于0，如果是小于0，则确定，如果不是小于0，则再判断是否小于，如果是小于，则确定；否则，则转步骤2；

步骤4： 判断内循环迭代因子 是否大于内循环迭代次数，如果是大于内循环迭代次数，则转步骤5；如果不是大于内循环迭代次数，则令内循环迭代因子，转步骤1；

步骤5： 对中央信息处理系统进行退温，其表达式为：

 ， 

其中，为磁场强度，为磁场强度的初始值，为退火温度，为退火温度的初始值，M为外循环迭代次数；

步骤6： 当n元布尔函数的势能达到一个设定的势能值，即磁场强度，则得到的布尔函数的全局最优解。

  本发明的一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法与现有技术方案比，本发明的有益效果为：由于传统的加密算法自身存在的局限性，所设计的布尔函数容易陷入局部最优解的状况，其搜索范围小、耗时久、效率低，对于整个智能配电网的通信安全极为不利的，本发明采用的量子退火算法能利用自身量子波动产生的量子隧穿效应摆脱局部最优，提高智能配电网抵御外界恶意攻击的能力，实现全局最优，搜索范围广、效率高，能保证整个智能配电网的安全运行。

附图说明

图1 为本发明提供的智能配电网通信原理示意图；

图2 为本发明提供防御方法的流程图；

  图3 为本发明提供的量子退火算法与模拟退火算法工作原理比较。

具体实施方式

下面是对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明是一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法，如图2所示，所述方法包括如下步骤：    

步骤1： 对中央信息处理系统初始化，设置初始化参数如下：退火温度， 磁场强度，， 内循环迭代因子 ， （） ， N为内循环迭代次数；

步骤2： 设置一个n元布尔函数和代数免疫度与函数非线性度的约束条件；

设置一个n元布尔函数，采用似Cauchy分步的扰动方法得到新函数， 设置新函数的代数免疫度，记为，设置新函数的函数非线性度，记为，分别计算和，设置代数免疫度和函数非线性度的约束条件分别为：

其中，是n元的布尔函数的最大代数免疫度，是布尔函数的最小代数免疫度；是布尔函数的最大函数非线性度，是布尔函数的最小函数非线性度。

当新函数的代数免疫度和非线性度满足代数疫度和函数非线性度的上述约束条件，则转步骤3；

 所述的步骤2中n元布尔函数，其表达式为：  

            

其中，是n元布尔函数的系数；

   所述的步骤2中扰动采用依赖于温度的似Cauchy分步法，Cauchy分步法中的表达式：

                   

                   

其中，为温度，为当前解，为[0,1]内的均匀分布的随机数，[A,B]为的取值范围，为扰动后的解，且；

具体方法是：布尔函数的系数都是0或者1，由系数能确定唯一的布尔函数。取布尔函数所有的系数组成一个二元bit序列，该序列构成一个正整数M，采用Cauchy分步法对该正整数M扰动转换为正整数M’，再将转换后的正整数M’分解成二元bit序列，得到扰动后的；

所述的步骤2中n元布尔函数的代数免疫度和函数非线性度，其表达式为：

n元布尔函数的函数非线性度的表达式为：

                 

其中，是上的n维向量空间， 是具有两个元素的Galois域，n元布尔函数的Walsh谱，其表达式为：

                   

其中“”表示两个n元向量的点乘，和为n元向量；

所述的布尔函数的代数免疫度，其表达式为：

           

其中，表示布尔函数表示成多项式形式的次数，是全体n元布尔函数的集合，是n元布尔函数，是n元布尔函数的零化子；

   所述的步骤2中的代数免疫度和函数非线性度约束条件分别为：

代数免疫度     ，

函数非线性度   ，

当分别取函数非线性度和代数免疫度最大值的90%时，其代数免疫度和函数非线性度是最小值；

步骤3： 计算n元布尔函数与新函数的势能差值以及总能量差值，所述的总能量为势能与动能相加之和，势能差值与总能量差值的表达式分别为：

势能差值：  

总能量差值：

其中，是n元布尔函数的势能，是新函数的势能；表示n元布尔函数的总能量，表示新函数的总能量。

首先判断势能差值或总能量差值是否小于0，如果是小于0，则确定，如果不是小于0，则再判断是否小于，如果是小于，则确定；否则，则转步骤2；

所述的步骤3中总能量包括势能和动能，是采用量子退火算法中的量子汉密尔顿方程得到的，具体如下：

①、采用量子退火算法将优化的多目标函数映射为施加在该量子系统的一个势场，将构造的多目标函数作为量子汉密尔顿方程中的势能。其表达式为：

             

    其中，是量子汉密尔顿方程的势能，是多目标函数，和是多目标函数的权重，满足下述方程组：

 ②、将量子波动的磁场强度Γ与n元布尔函数系数相乘之积作为量子汉密尔顿方程的动能，其表达式为：

                       

其中，是磁场强度，控制着动能的变化，直至为0；是n元布尔函数系数集合；

量子退火算法中的代价函数为：

         

步骤4： 判断内循环迭代因子 是否大于内循环迭代次数， 如果是大于内循环迭代次数，则转步骤5； 如果不是大于内循环迭代次数， 则令内循环迭代因子，转步骤1；

步骤5： 对中央信息处理系统进行退温，其表达式为：

 ， 

其中，为磁场强度，为磁场强度的初始值，为退火温度，为退火温度的初始值，M为外循环迭代次数； 

步骤6：当n元布尔函数的势能达到一个设定的势能值，即磁场强度，则得到的布尔函数的全局最优解。 

Claims (1)

1.一种智能配电网中央信息处理系统的防御方法即基于量子退火算法的均衡布尔函数设计方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤1： 对中央信息处理系统初始化，设置初始化参数如下：退火温度                                               ， 磁场强度， 内循环迭代因子，（）， N为内循环迭代次数；

步骤2： 设置一个n元布尔函数和代数免疫度与函数非线性度的约束条件；

设置一个n元布尔函数，采用似Cauchy分步的扰动方法得到新函数， 设置新函数的代数免疫度，记为，设置新函数的函数非线性度，记为，分别计算和，设置代数免疫度和函数非线性度的约束条件分别为：

其中，是n元的布尔函数的最大代数免疫度，是布尔函数的最小代数免疫度；是布尔函数的最大函数非线性度，是布尔函数的最小函数非线性度，当新函数的代数免疫度和非线性度满足代数疫度和函数非线性度的上述约束条件，则转步骤3；

步骤3： 计算n元布尔函数与新函数的势能差值以及总能量差值，所述的总能量为势能与动能相加之和，势能差值与总能量差值的表达式分别为： 

势能差值：  

总能量差值：

其中，是n元布尔函数的势能，是新函数的势能；表示n元布尔函数的总能量，表示新函数的总能量，

首先判断势能差值或总能量差值是否小于0，如果是小于0，则确定，如果不是小于0，则再判断是否小于，如果是小于，则确定；否则，则转步骤2；

步骤4：判断内循环迭代因子 是否大于内循环迭代次数，如果是大于内循环迭代次数，则转步骤5；如果不是大于内循环迭代次数，则令内循环迭代因子，转步骤1；

步骤5：对中央信息处理系统进行退温，其表达式为：

其中，为磁场强度，为磁场强度的初始值，为退火温度，为退火温度的初始值，M为外循环迭代次数；

步骤6：当n元布尔函数的势能达到一个设定的势能值，即磁场强度，则得到的布尔函数的全局最优解。