CN112800459A - 基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法。本发明利用两个超递增序列、霍纳规则以及Paillier加密算法将系统中每一维用电数据划分为多个子集，实现了对多维用电数据进行多子集划分，控制中心不仅可以获取系统中每一维用电数据中每个子集内的用户数量，还可以获取每一维用电数据中每个子集的用电总量，使得电力公司可以在保护用户用电数据隐私的基础上对用电信息进行细粒度分析，有利于电力公司对电网进行有效的监控和管理，以及更好地预测电力需求并制定合理的梯度电价策略。另外，本发明引入区块链技术，可以很方便验证数据的完整性和有效性，很好地解决第三方的验证问题。
Description
技术领域
本发明属于信息安全技术及智能电网技术领域，是一种基于区块链针对多维数据在每一维用电数据内进行多子集划分的隐私保护数据聚合的方法。
背景技术
作为下一代电力系统，智能电网显著提高了电力服务的可靠性、效率、安全性和可持续性。智能电网技术的进步使得智能电网中的智能电表可以实时收集用电数据，有助于高效调控当地电力，但也容易导致用户信息泄漏。如何平衡用户实时电量数据与保护用户隐私是一个至关重要的问题，智能电网在数据聚合和隐私安全方面仍然面临一些挑战。传统的数据聚合方案不支持对系统中每一维用电数据进行多子集划分，使得电力公司不能对用户的用电数据进行细粒度的分析，不利于制定梯度电价策略以及有效的电网监控和管理。同时，在各方通信的过程中，如何保证数据的完整性和有效性也是一个重要的问题。
因此，发明一种有效的、保护隐私的对系统中的每一维用电数据进行多子集划分的数据聚合方法，实现精确的子集聚合且具有较低的计算开销是十分重要的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种面向智能电网的对多维数据进行子集划分的聚合方法。
本发明包括以下步骤：
步骤A、系统初始化：
1)可信第三方产生Paillier加密算法所需的参数，并通过安全信道将密钥发送给每个智能电表、雾节点以及控制中心。
2)控制中心将用户的用电范围分为s个子集并产生两组超递增序列{a1,a2,...,as}，{b1,b2,...,bs}以及一个霍纳参数R用于实现对多维数据进行多子集划分；并将两组超递增序列以及霍纳参数R在系统中公开；
其中超递增序列{a1,a2,...,as}用于获得系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量，超递增序列{b1,b2,...,bs}用于获得系统中每一维用电数据中每个子集内用户的数量，霍纳参数R用于标记每一维用电数据。
3)控制中心根据两组超递增序列以及Paillier加密算法的生成元计算聚合参数并发送给智能电表。
步骤B、智能电表端密文的生成：
1)智能电表收集用户的l维用电数据，并根据控制中心划分的用电范围判断每一维用电数据属于哪一个子集。
2)智能电表利用自己的私钥、霍纳参数R以及聚合参数采取Paillier加密算法对用户多维用电数据加密生成密文，并将该密文打包成一个交易，构成一个区块，发送到区块链中。
3)区块链上的矿工利用工作量证明机制PoW为该交易进行工作量证明，并广播给其它节点，其它节点对此证明进行验证；通过，则表示接收并将该区块加入到区块链上。
步骤C、雾节点端聚合密文的生成：
1)区块链上的雾节点聚合所有正常工作的智能电表的密文得到聚合密文，并将该聚合密文打包成一个交易，构成一个区块，发送到区块链中，区块链上的矿工对交易进行证明。
步骤D、控制中心端解密：
1)控制中心使用自己的私钥对聚合密文进行解密得到一个明文多项式。
2)控制中心利用霍纳规则对明文多项式进行解析，获得关于系统中每一维用电数据的聚合多项式。
3)控制中心根据超递增序列{b1,b2,...,bs}从每一维的聚合多项式恢复系统中每一维用电数据中每个子集内的用户数量。
4)控制中心根据超递增序列{a1,a2,...,as}从每一维的聚合多项式恢复系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明利用两组超递增序列、霍纳规则以及Paillier加密算法可以将系统中每一维用电数据划分为多个子集，实现了对多维数据进行多子集划分，使控制中心在获取每一维用电数据中每个子集内的用户数量的同时，还可以获取每一维用电数据中每个子集内的用电数据之和，进一步使电力公司对用电信息进行细粒度分析、制定梯度电价策略以及有效的电网监控和管理；本发明还引入区块链技术，可以很方便验证数据的完整性和有效性，很好地解决第三方的验证问题。
附图说明
图1是本发明方法的系统结构图；
图2是本发明方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明设计基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法。在实际应用过程当中，智能电网系统由用户、雾节点、控制中心和可信第三方四个部分组成。每个用户都装有一个智能电表，负责实时采集、加密该用户的多维用电数据得到密文上传给雾节点，雾节点负责对收到的密文进行聚合得到聚合密文并验证智能电表的身份，然后发送给控制中心。最终控制中心对收到的聚合密文进行解密。
如图2所示，基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法，包括以下步骤：
系统初始化：
1)可信第三方产生Paillier加密算法所需的参数，并通过安全信道将密钥发送给每个智能电表、雾节点以及控制中心。
2)控制中心将用户的用电范围分为s个子集并产生两组超递增序列{a1,a2,...,as}，{b1,b2,...,bs}以及一个霍纳参数R用于实现对多维数据进行多子集划分；超递增序列{a1,a2,...,as}用于获得系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量，超递增序列{b1,b2,...,bs}用于获得系统中每一维用电数据中每个子集内用户的数量，霍纳参数R用于标记每一维用电数据。
3)控制中心根据两组超递增序列以及Paillier加密算法的生成元计算聚合参数并将聚合参数发送给智能电表。每个智能电表在加密阶段利用所述聚合参数、霍纳参数对用户的每一维用电数据进行加密，加密时只进行l个乘法操作。控制中心在解密阶段可以获得系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量，以及每一维用电数据中每个子集内用户的数量。
智能电表端密文的生成：
1)智能电表收集用户的l维用电数据，并根据控制中心划分的用电范围判断每一维用电数据属于哪一个子集，其中l代表用户用电数据的维数，说明该系统中有l种不同类型的功耗数据。相同维数的用电数据用相同的Rk进行计算,其中k代表第k维用电数据；相同子集的用电数据用相同的ai以及bi进行计算，其中i代表第i个子集。
2)智能电表利用自己的私钥、霍纳参数R以及聚合参数采取Paillier加密算法对用户多维用电数据加密生成密文，并将该密文打包成一个交易，构成一个区块，发送到区块链中。
3)区块链上的矿工利用工作量证明机制PoW为该交易进行工作量证明，并进行广播给其它节点，其它节点对此证明进行验证；通过，则表示接收并将该区块加入到区块链上，具体采用太坊区块链。
雾节点端聚合密文的生成：
1)区块链上的雾节点聚合所有正常工作的智能电表的密文得到聚合密文，并将该聚合密文信息打包成一个交易，构成一个区块，发送到区块链中，区块链上的矿工根据上述步骤中同样的方式对交易进行证明。
控制中心端解密：
1)控制中心使用自己的私钥对聚合密文进行解密得到一个明文多项式。
2)控制中心利用霍纳规则对明文多项式进行解析，获得关于系统中每一维用电数据的聚合多项式，其中每一维用电数据有1个聚合多项式，一共有l个聚合多项式，l代表用户用电数据的维数，说明该系统中有l种不同类型的功耗数据。
3)控制中心根据超递增序列{b1,b2,...,bs}从每一维的聚合多项式恢复系统中每一维用电数据中每个子集内的用户数量。
4)控制中心根据超递增序列{a1,a2,...,as}从每一维的聚合多项式恢复系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量。
Claims (3)
1.基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、系统初始化：
1)可信第三方产生Paillier加密算法所需的参数，并通过安全信道将密钥发送给每个智能电表、雾节点以及控制中心；
2)控制中心将用户的用电范围分为s个子集并产生两组超递增序列{a1,a2,...,as}，{b1,b2,...,bs}以及一个霍纳参数R用于实现对多维数据进行多子集划分；并将两组超递增序列以及霍纳参数R在系统中公开；
其中超递增序列{a1,a2,...,as}用于获得系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量，超递增序列{b1,b2,...,bs}用于获得系统中每一维用电数据中每个子集内用户的数量，霍纳参数R用于标记每一维用电数据；
3)控制中心根据两组超递增序列以及Paillier加密算法的生成元计算聚合参数并发送给智能电表；
步骤B、智能电表端密文的生成：
1)智能电表收集用户的l维用电数据，并根据控制中心划分的用电范围判断每一维用电数据属于哪一个子集；
2)智能电表利用自己的私钥、霍纳参数R以及聚合参数采取Paillier加密算法对用户多维用电数据加密生成密文，并将该密文打包成一个交易，构成一个区块，发送到区块链中；
3)区块链上的矿工利用工作量证明机制PoW为该交易进行工作量证明，并广播给其它节点，其它节点对此证明进行验证；通过，则表示接收并将该区块加入到区块链上；
步骤C、雾节点端聚合密文的生成：
1)区块链上的雾节点聚合所有正常工作的智能电表的密文得到聚合密文，并将该聚合密文打包成一个交易，构成一个区块，发送到区块链中，区块链上的矿工对交易进行证明；
步骤D、控制中心端解密：
1)控制中心使用自己的私钥对聚合密文进行解密得到一个明文多项式；
2)控制中心利用霍纳规则对明文多项式进行解析，获得关于系统中每一维用电数据的聚合多项式；
3)控制中心根据超递增序列{b1,b2,...,bs}从每一维的聚合多项式恢复系统中每一维用电数据中每个子集内的用户数量；
4)控制中心根据超递增序列{a1,a2,...,as}从每一维的聚合多项式恢复系统中每一维用电数据中每个子集内的总用电量。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法，其特征在于：系统初始化过程中每个智能电表在加密阶段利用所述聚合参数、霍纳参数对用户多维用电数据加密，在加密时只进行l个乘法操作。
3.根据权利要求1或2所述的基于区块链的智能电网多维多子集隐私保护数据聚合方法，其特征在于：所述的区块链为以太坊区块链。
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