CN107800704A - 适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法和系统 - Google Patents

适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法和系统，包括：提供作为消息的配电网同步相量数据；提供随机生成的DES密钥；提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥；使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥；使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥；使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据。本发明有益效果：既能实现轻型同步相量测量仪数据的加密解密，又能保证加密解密的速度符合轻型同步相量测量仪的时延要求，还能实现密钥的动态的管理，最终确保轻型同步相量测量仪数据的通信安全。

Description

适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法和系统
技术领域
本发明涉及配电网同步相量测量通信安全领域，尤其涉及一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法和系统。
背景技术
风电、光伏、电动汽车等新能源大量接入配电网后，配电网已不再是单纯的负荷侧，其动态行为远比输电网的复杂。轻型同步相量测量仪(PMU Light)和轻型广域测量系统(WAMS Light)可对配电网进行同步监测。轻型同步相量测量仪采集的大量实时数据通过网络传输到数据处理中心，以实现数据存储、在线展示、在线扰动监测和辨识、在线频率安全评估和预警、在线低频振荡监测和动态稳定预警等功能。WAMS Light主站通过网络实现对轻型同步相量测量仪的远程控制、远程配置以及数据召唤。
轻型同步相量测量仪的数据量大，包含频率、电压幅值、电压相角和时间等物理信息，各物理量精度高，频率精度达到10-4Hz，上传频次高，分为10次每秒，25次每秒，50次每秒。
轻型同步相量测量仪中用到各类智能组件和网络通讯技术，存在病毒、黑客、木马等信息安全问题。同时，由于公网的加入和传输协议、通信规约的公开，任何威胁性数据一旦入侵，进行数据监听、窃取、篡改、伪造、重放，将会造成信息泄露、上传数据紊乱，严重影响到数据处理中心的判定功能。当大量轻型同步相量测量仪被广泛安装、布置后，实时数据的通信安全问题便被提上了研究日程。
对数据进行加密处理是应对数据传输安全问题的常用措施。任何加密系统不论形式多么复杂，都至少包括明文、密文、加解密装置或算法和密钥4部分。数据加密算法分为对称加密算法和非对称加密算法。在对称加密算法中加密和解密的密钥相同，一旦密钥泄漏，任何人都能对传递的消息进行加密和解密。非对称加密算法加密和解密的密钥不相同，算法复杂，而使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快，对硬件计算速度的要求较高，不适合用于对时效性要求较高的WAMS Light数据的加密和解密。密钥作为加密和解密的“钥匙”包括静态密钥和动态密钥。对密钥进行科学有效地动态管理将直接影响到整个系统的安全性，密匙分发中心(Key Distribution Center,KDC)是管理动态密钥的有效手段。在配电网RTU的加密过程中，其密钥是以明文的形式传递，依然存在密钥泄漏的风险，且其使用“一时一密”的方案，不适应于传递实时的PMU Light数据。
由此可见，设计一种既能实现密钥的动态管理，又能保证密钥传输的安全，还能保证加密解密速度符合轻型同步相量测量仪时延要求的适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，本发明提出了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法和系统，该方法既能实现轻型同步相量测量仪数据的加密解密，又能保证加密解密的速度符合轻型同步相量测量仪的时延要求，还能实现密钥的动态的管理，最终确保轻型同步相量测量仪数据的通信安全。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，包括：
提供作为消息的配电网同步相量数据；
提供随机生成的DES密钥；
提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥；
使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥；
使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥；
使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据。
进一步地，使用随机生成的DES密钥对所述加密后的配电网同步相量数据进行解密。
进一步地，使用所述RSA公钥加密所述DES密钥时，如果在设定时间内没有接收到DES密钥，则此次DES密钥加密过程失败；重新提供随机生成的DES密钥以及依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥，使用所述RSA公钥加密所述DES密钥。
进一步地，提供随机生成的DES密钥时，DES密钥按照设定的频率进行更换。可支持30分钟1次，1小时1次，3小时1次，5小时1次，24小时1次等多种情况。
因网络延迟可能造成接收到密钥、密文的时间存在时间差，这将会引起短时间内的乱码，为防止这一现象发生，提供随机生成的DES密钥时，DES密钥的生成和分发时间相对于密钥的生效时间提前设定间隔。
本发明公开了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密装置，包括：
提供作为消息的配电网同步相量数据的装置；
提供随机生成的DES密钥的装置；
提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥的装置；
使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥的装置；
使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥的装置；以及
使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据的装置。
进一步地，所述装置还包括：
使用随机生成的DES密钥对所述加密后的配电网同步相量数据进行解密的装置。
本发明进一步公开了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密系统，包括：
轻型同步相量测量仪：提供作为消息的配电网同步相量数据，提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥；
密钥分发中心端：提供随机生成的DES密钥；接收RSA公钥对DES密钥进行加密，并将加密后的数据发送至轻型同步相量测量仪；
所述轻型同步相量测量仪利用RSA加密算法以及RSA私钥对加密后的DES密钥进行解密，并利用解密后的DES密钥加密配电网同步相量数据。
进一步地，所述系统还包括：主站，所述主站同时接收密钥分发中心端提供的随机生成的DES密钥和轻型同步相量测量仪端发送的加密后的配电网同步相量数据；利用接收到的所述DES密钥解密配电网同步相量数据并存储。
进一步地，如果轻型同步相量测量仪在设定的时间内没有收到来自密钥分发中心的加密的DES密钥，则认为此次密钥传输失败，启用新一轮的密钥传输过程；或者，
密钥分发中心端随机生成的DES密钥相对于密钥生效时间提前设定间隔生成、分发；待轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站均收到确认信息后才开始执行加密解密过程。这样可以防止接收到密钥、密文的时间不一致导致的短时间内乱码的问题。
为了保持轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站时间同步，轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站均安装GPS，实现时间同步。
本发明有益效果：
1、利用DES加密算法和8位随机DES密钥，能保证通信过程中的数据安全性，防止出现数据监听、窃取、篡改、伪造、重放的恶意攻击。
2、密钥分发中心能够生成8位随机DES密钥，密钥生成过程不受人为因素控制，保证DES密钥的随机性。
3、密钥分发中心能够对多台、多次的DES密钥进行分发、管理和销毁。
4、利用RSA加密算法对DES密钥进行加密，保证了传输过程中DES密钥的安全。
5、本发明能实现DES密钥动态管理，定期更换，防止密钥泄露和被破解，保证配电网同步相量数据的安全性。
6、DES密钥获取失败时能够自动重新生成、分发、获取，防止意外情况发生。
7、提前60秒生成、分发DES密钥，防止因网络延迟造成轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站接收到密钥、密文的时间存在时间差，进而引起短时间内的乱码。
8、轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站均安装GPS，实现轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站时间同步。
9、本发明中除了密钥分发中心需要购置一台工作站外，无需其他硬件费用支出。
说明书附图
图1为本发明轻型同步相量测量仪、密钥分发中心、主站的通信架构图；
图2为本发明加密解密总体过程图；
图3为本发明加密解密流程图；
图4为本发明密钥获取失败重新获取的流程图；
图5为本发明密钥分发中心数据库结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明公开了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，包括：
提供作为消息的配电网同步相量数据；
提供随机生成的DES密钥；
提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥；
使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥；
使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥；
使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据。
使用随机生成的DES密钥对所述加密后的配电网同步相量数据进行解密。
针对上述方法，本发明公开了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密装置，包括：
提供作为消息的配电网同步相量数据的装置；
提供随机生成的DES密钥的装置；
提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥的装置；
使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥的装置；
使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥的装置；
使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据的装置；以及
使用随机生成的DES密钥对所述加密后的配电网同步相量数据进行解密的装置。
作为一种实施方式，本发明公开了一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密系统，如图1所示。图1中密钥分发中心负责随机生成DES密钥、存储DES密钥、分发DES密钥、销毁DES密钥，能够接受来自轻型同步相量测量仪的RSA公钥，将加密后的DES密钥传给轻型同步相量测量仪。
轻型同步相量测量仪能够将RSA公钥发送到密钥分发中心，同时能接收来自密钥分发中心的加密后的DES密钥。
主站能够接受来自轻型同步相量测量仪的加密后的同步相量数据和来自密钥分发中心的DES密钥，同时能够实现对轻型同步相量测量仪的控制。
轻型同步相量测量仪依据RSA加密算法生成随机的RSA公钥和私钥。轻型同步相量测量仪将RSA私钥存储在轻型同步相量测量仪内存中，将RSA公钥通过网络传输到密钥分发中心。
密钥分发中心将随机DES密钥存储在密钥分发中心的数据库中，密钥分发中心通过本地/内网将DES密钥传送到主站端。
密钥分发中心接收到来自轻型同步相量测量仪的RSA公钥，以RSA加密算法对DES加密算法的密钥进行加密，得到加密后的DES密钥；将加密后的DES密钥通过外网发送到相应的轻型同步相量测量仪。
轻型同步相量测量仪在收到加密后的DES密钥后，用RSA算法和存储在内存中的私钥解密DES密钥，获得解密后的DES密钥。利用DES加密算法和解密后的DES密钥对轻型同步相量测量仪采集的配电网同步相量数据进行加密，将加密后的配电网同步相量数据通过网络传输到主站端。
主站接收到来自轻型同步相量测量仪的加密后的配电网同步相量数据和来自密钥分发中心的DES密钥后通过DES解密算法解密得到配电网同步相量数据，对配电网同步相量数据进行深度应用。
如图2为本发明加密解密总体过程图，图2中各序号的含义如下：①RSA公钥②随机生成的DES密钥③加密的DES密钥④解密的DES密钥⑤通过解密的DES密钥对同步向量数据进行加密⑥加密后的同步向量数据⑦解密同步向量数据。
图3给出了本发明加密解密总体流程，包括：
第一，轻型同步相量测量仪根据RSA算法生成一对随机的RSA密钥，RSA公钥和RSA私钥，轻型同步相量测量仪将私钥存储在轻型同步相量测量仪内存中，将公钥通过网络传输到密钥分发中心。并开始计时T1。
第二，密钥分发中心随机生成8位由0～9，a～z，A～Z，！，#，$，％，&等字符任意组成的DES密钥。并将该DES密钥存储在密钥分发中心的数据库中。
第三，密钥分发中心将8位DES密钥通过本地/内网传输到主站。
第四，密钥分发中心收到来自轻型同步相量测量仪的RSA公钥，通过RSA加密算法，把8位DES密钥加密。
第五，密钥分发中心通过网络将加密的DES密钥传输到轻型同步相量测量仪。
第六，轻型同步相量测量仪得到加密的DES密钥，依据存储在轻型同步相量测量仪内存中的RSA私钥和RSA算法解密获得DES密钥。
轻型同步相量测量仪计时T2。如果在(T2-T1)小于20秒内轻型同步相量测量仪没收到来自密钥分发中心的加密的DES密钥，则认为此次密钥传递失败，重新开始第一步。
第七，轻型同步相量测量仪根据DES加密算法和解密后的DES密钥，对同步相量数据进行加密。
第八，轻型同步相量测量仪将加密后的同步相量数据通过网络传输给主站。
第九，主站端接收到加密的同步相量数据，依据DES解密算法和DES密钥对加密的同步相量数据进行解密，得到同步相量数据的明文，并将同步相量数据的明文存储，进行深度应用。
如图4为本发明密钥获取失败重新获取的流程图。轻型同步相量测量仪在20秒的规定时间内没有收到来自密钥分发中心的加密的DES密钥，则认为此次密钥传输失败，紧接着启用新一轮的密钥传输过程：轻型同步相量测量仪重新生成RSA公钥和私钥，密钥分发中心重新生成DES密钥，直到轻型同步相量测量仪收到DES密钥为止。
如图5为本发明密钥分发中心数据库结构图。密钥分发中心的数据库支持access、mysql、sqlserver、oracle等主流数据库，数据库名称为“密钥分发中心数据库”。三个表存储三个月份的数据，第三个月最后一天的23:00将第一个月的数据清空，将相关数据销毁。每个表中的字段相同，依次为：序号、设备号、生成时间、生效时间、DES明文、DES密文、设备确认、主站确认。DES明文代表DES密钥的明文，即8位随机数，DES密文代表加密后的DES密钥，设备确认和主站确认代表来自轻型同步相量测量仪和主站的确认信息。
本发明中的DES加密过程是实时进行的。
本发明中的RSA加密解密过程的频度即DES密钥的更换频率是按照用户设定进行的，可支持30分钟1次，1小时1次，3小时1次，5小时1次，24小时1次等多种情况。
因网络延迟造成轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站接收到密钥、密文的时间存在时间差，这将会引起短时间内的乱码，为防止这一现象发生，本发明中DES密钥会相对于密钥生效时间提前60秒生成、分发。待轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站均收到确认信息后才开始执行新一轮加密解密过程。为了保持轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站时间同步，轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站均安装GPS，实现时间同步。
本发明中密钥分发中心可根据轻型同步相量测量仪的编号对多台轻型同步相量测量仪同时进行密钥动态管理。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，其特征在于，包括：
提供作为消息的配电网同步相量数据；
提供随机生成的DES密钥；
提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥；
使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥；
使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥；
使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据。
2.如权利要求1所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，其特征在于，使用随机生成的DES密钥对所述加密后的配电网同步相量数据进行解密。
3.如权利要求1所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，其特征在于，使用所述RSA公钥加密所述DES密钥时，如果在设定时间内没有接收到DES密钥，则此次DES密钥加密过程失败；重新提供随机生成的DES密钥以及依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥，使用所述RSA公钥加密所述DES密钥。
4.如权利要求1所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，其特征在于，提供随机生成的DES密钥时，DES密钥按照设定的频率进行更换。
5.如权利要求1所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密方法，其特征在于，提供随机生成的DES密钥时，DES密钥的生成和分发时间相对于密钥的生效时间提前设定间隔。
6.一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密装置，其特征在于，包括：
提供作为消息的配电网同步相量数据的装置；
提供随机生成的DES密钥的装置；
提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥的装置；
使用所述RSA公钥加密所述DES密钥，生成加密后的DES密钥的装置；
使用所述RSA私钥和RSA加密算法解密加密后的DES密钥，生成解密后的DES密钥的装置；以及
使用解密后的DES密钥对所述消息进行加密，输出加密后的配电网同步相量数据的装置。
7.如权利要求6所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密装置，其特征在于，还包括：
使用随机生成的DES密钥对所述加密后的配电网同步相量数据进行解密的装置。
8.一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密系统，其特征在于，包括：
轻型同步相量测量仪：提供作为消息的配电网同步相量数据，提供依据RSA加密算法随机生成的RSA公钥和RSA私钥；
密钥分发中心端：提供随机生成的DES密钥；接收RSA公钥对DES密钥进行加密，并将加密后的数据发送至轻型同步相量测量仪；
所述轻型同步相量测量仪利用RSA加密算法以及RSA私钥对加密后的DES密钥进行解密，并利用解密后的DES密钥加密配电网同步相量数据。
9.如权利要求8所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密系统，其特征在于，还包括：主站，所述主站同时接收密钥分发中心端提供的随机生成的DES密钥和轻型同步相量测量仪端发送的加密后的配电网同步相量数据；利用接收到的所述DES密钥解密配电网同步相量数据并存储。
10.如权利要求9所述的一种适应于轻型同步相量测量仪通信的数据加密系统，其特征在于，如果轻型同步相量测量仪在设定的时间内没有收到来自密钥分发中心的加密的DES密钥，则认为此次密钥传输失败，启用新一轮的密钥传输过程；或者，
密钥分发中心端随机生成的DES密钥相对于密钥生效时间提前设定间隔生成、分发；待轻型同步相量测量仪、密钥分发中心和主站均收到确认信息后才开始执行加密解密过程。
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