CN117454398A - 基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统 - Google Patents

基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统 Download PDF

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CN117454398A CN202311415551.XA CN202311415551A CN117454398A CN 117454398 A CN117454398 A CN 117454398A CN 202311415551 A CN202311415551 A CN 202311415551A CN 117454398 A CN117454398 A CN 117454398A
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余志文
张扬
蔡莹
王莉
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Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统，该方法包括：密钥管理模块生成密钥对，并将公钥发送给各分布式能源资源和灵活负载；各分布式能源资源和灵活负载利用公钥对其源数据明文进行加密，生成源数据密文；各边缘设备采集各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文，并通过边缘节点进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储；边缘存储与云平台同步，云平台可通过私钥进行数据解密，获得结果明文。本发明，部署更接近于数据源的边缘节点，以就近处理、存储和分析数据，保证数据处理的实时性，并采用全同态加密算法保证数据的安全性。

Description

基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统
技术领域
本发明涉及虚拟电厂数据处理技术领域，具体涉及一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统。
背景技术
虚拟电厂(Virtual Power Plant，VPP)是一种通过整合分布式能源资源(如太阳能电池板、风力发电机、储能设备等)和灵活负载(如电动汽车、能源储备设备等)，通过智能电网管理系统进行集中控制和协调运营的虚拟能源系统。虚拟电厂利用物联网、云计算和智能网格技术，将分散的能源资源和灵活负载连接到一个统一的虚拟平台上，实现能源系统的灵活性和高效性。
虚拟电厂连接和集成各种传感器、智能设备和能源管理系统，对其进行实时监测和控制，实时获取和处理能源数据，快速响应变化的能源需求和供应情况，并进行远程控制和调度操作。因此，安全、实时的数据收集、处理分析和数据传输，是实现虚拟电厂实时监测和预测能源需求和供应情况以优化能源资源的利用和分配的重要保障。
在实际应用中，虚拟电厂在收集、处理、传输大量实时数据并进行实时反馈时，海量边缘数据的爆炸式增长，产生了延迟增高、带宽不足、能耗过大等问题，造成数据处理的实时性较差，并且存在数据和信息的隐私保护风险。
有鉴于此，需要对现有的虚拟电厂数据实时处理方法进行改进，以降低网络传输压力、增强数据隐私和安全性。
发明内容
针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统，以解决现有技术数据处理的实时性较差，并且存在数据和信息的隐私保护风险的问题。
为此，本发明提供的基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法，包括以下步骤：
虚拟电厂的密钥管理模块利用安全系数，通过全同态加密算法随机生成公钥和私钥组成的密钥对，并将公钥分别发送给各分布式能源资源和灵活负载；
各分布式能源资源和灵活负载分别利用公钥对其源数据明文进行加密，生成源数据密文；
各边缘设备分别采集该边缘设备信号覆盖范围内的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文；
通过与所述边缘设备连接的边缘节点，对各所述边缘设备收集到的各源数据密文进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储；
边缘存储中的数据与云平台同步，实现数据的集中管理和分析，云平台可通过私钥进行数据解密，获得结果明文。
在上述方法中，优选地，公钥中包含有密钥信息和随机噪声。
在上述方法中，优选地，通过云平台实现远程访问和监控，对虚拟电厂进行远程管理和控制。
在上述方法中，优选地，所述边缘设备和包括传感器、智能电表、能源控制器。
在上述方法中，优选地，生成源数据密文时，对于相同的明文每次加密得到的密文都不同。
在上述方法中，优选地，分布式能源资源包括但不限于太阳能电池板、风力发电机、储能设备；灵活负载包括但不限于电动汽车、能源储备设备。
在上述方法中，优选地，通过无线传感器网络，边缘设备采集能源数据密文并将其传输到边缘节点。
在上述方法中，优选地，边缘节点根据结果密文进行决策和控制，包括调整能源生产、负荷管理或市场交易策略。
本发明还提供了一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理系统，包括：
密钥管理模块，利用安全系数，通过全同态加密算法随机生成公钥和私钥组成的密钥对，并将公钥分别发送给各分布式能源资源和灵活负载；各分布式能源资源和灵活负载分别利用公钥对其源数据明文进行加密，生成源数据密文；
边缘设备，分别采集该边缘设备信号覆盖范围内的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文；
边缘节点，与所述边缘设备连接，对各所述边缘设备收集到的各源数据密文进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储；
云平台，与边缘节点连接，并与边缘存储中的数据同步，实现数据的集中管理和分析，云平台可通过私钥进行数据解密，获得结果明文。
在上述系统中，优选地，所述边缘设备和包括传感器、智能电表、能源控制器；所述分布式能源资源包括但不限于太阳能电池板、风力发电机、储能设备；所述灵活负载包括但不限于电动汽车、能源储备设备。
由上述技术方案可知，本发明提供的基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法、系统，解决了现有技术数据处理的实时性较差，并且存在数据和信息的隐私保护风险的问题。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
部署更接近于数据源的边缘节点，以就近处理、存储和分析数据，保证数据处理的实时性，并采用全同态加密算法保证数据的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图生成其他的附图。
图1为本发明提供的基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法流程图；
图2为本发明提供的基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所生成的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。
需要说明的是，本文中“内、外”、“前、后”及“左、右”等方位词是以产品使用状态为基准对象进行的表述，显然，相应方位词的使用对本方案的保护范围并非构成限制。
如图1所示，本发明提供的基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法，包括以下步骤：
步骤110，虚拟电厂的密钥管理模块利用安全系数λ，通过全同态加密算法随机生成密钥对公钥pk和私钥sk，并将公钥pk分别发送给各分布式能源资源和灵活负载。
公钥pk中包含有密钥信息和随机噪声。
步骤120，各分布式能源资源和灵活负载分别利用公钥pk对其源数据明文mi进行加密，生成源数据密文ci。
步骤130，在虚拟电厂部署各边缘设备和分别与各边缘设备连接的边缘节点。边缘设备用于采集能源数据和监测设备状态，包括传感器、智能电表、能源控制器等。边缘节点负责数据处理和计算。
通过各边缘设备分别采集对应的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文ci，并实时传输给边缘节点。其中，各边缘设备分别采集该边缘设备信号覆盖范围内的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文ci。
生成源数据密文c时，对于相同的明文每次加密得到的密文都是不同的，是一种随机化算法。
分布式能源资源包括太阳能电池板、风力发电机、储能设备等，灵活负载包括电动汽车、能源储备设备等。
步骤140，通过与所述边缘设备连接的边缘节点，对各所述边缘设备收集到的各源数据密文ci(c1，c2，……，cn)进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储。n表示当前的边缘节点处理和计算收到的n条源数据密文。
边缘设备采集能源数据密文并将其传输到边缘节点，可以通过无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)或其他物联网技术实现，确保能源数据的实时采集和传输。
边缘节点可以对接收到的能源数据进行实时分析、聚合和处理，这可以通过在边缘节点上部署高性能的处理器、存储设备和算法模型实现。
边缘节点还可以根据实时处理的结果进行决策和控制操作。例如，基于能源数据分析结果，调整能源生产、负荷管理或市场交易策略等，以优化能源系统的性能和效率。
步骤150，边缘存储中的数据(结果密文)与云平台同步，实现数据的集中管理和分析，云平台可通过私钥sk对结果密文进行解密，获得结果明文。
本发明可以与云计算平台进行协同工作，以实现更复杂的数据分析、优化算法和决策支持。云端可以提供更大规模的计算和存储资源，支持边缘计算的扩展性和跨设备的协同工作。同时，远程访问和监控也可以通过云平台实现，实现对虚拟电厂的远程管理和控制。
如图2所示，本发明还提供了一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理系统，包括：
虚拟电厂10，其上设有密钥管理模块，利用安全系数，通过全同态加密算法随机生成公钥和私钥组成的密钥对，并将公钥分别发送给各分布式能源资源和灵活负载20；各分布式能源资源和灵活负载分别利用公钥对其源数据明文进行加密，生成源数据密文；
边缘设备30，分别采集该边缘设备信号覆盖范围内的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文；
边缘节点40，与所述边缘设备连接，对各所述边缘设备收集到的各源数据密文进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储；
云平台50，与边缘节点连接，并与边缘存储中的数据同步，实现数据的集中管理和分析，云平台可通过私钥进行数据解密，获得结果明文。
综合以上具体实施例的描述，本发明提供的基于边缘计算和全同态加密算法的虚拟电厂数据实时处理方法，与现有技术相比，具有如下优点：
第一，由于网络距离的减小，诸如带宽、延迟和抖动等不稳定因素可以更容易地控制和改善。
第二，使用边缘计算技术可以减少数据处理和决策制定的响应时间，满足对低延迟、实时性和数据隐私。
第三，通过全同态加密算法对数据进行加密，使得边缘设备和边缘节点在加密状态下对数据进行传输和计算，只有虚拟电厂才能进行解密，保证了数据收集、传输和处理的安全性。
最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个…"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
虚拟电厂的密钥管理模块利用安全系数，通过全同态加密算法随机生成公钥和私钥组成的密钥对，并将公钥分别发送给各分布式能源资源和灵活负载；
各分布式能源资源和灵活负载分别利用公钥对其源数据明文进行加密，生成源数据密文；
各边缘设备分别采集该边缘设备信号覆盖范围内的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文；
通过与所述边缘设备连接的边缘节点，对各所述边缘设备收集到的各源数据密文进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储；
边缘存储中的数据与云平台同步，实现数据的集中管理和分析，云平台可通过私钥进行数据解密，获得结果明文。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，公钥中包含有密钥信息和随机噪声。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过云平台实现远程访问和监控，对虚拟电厂进行远程管理和控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边缘设备和包括传感器、智能电表、能源控制器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成源数据密文时，对于相同的明文每次加密得到的密文都不同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分布式能源资源包括但不限于太阳能电池板、风力发电机、储能设备；灵活负载包括但不限于电动汽车、能源储备设备。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过无线传感器网络，边缘设备采集能源数据密文并将其传输到边缘节点。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，边缘节点根据结果密文进行决策和控制，包括调整能源生产、负荷管理或市场交易策略。
9.一种基于边缘计算和同态加密的虚拟电厂数据处理系统，其特征在于，包括：
密钥管理模块，利用安全系数，通过全同态加密算法随机生成公钥和私钥组成的密钥对，并将公钥分别发送给各分布式能源资源和灵活负载；各分布式能源资源和灵活负载分别利用公钥对其源数据明文进行加密，生成源数据密文；
边缘设备，分别采集该边缘设备信号覆盖范围内的各分布式能源资源和灵活负载的源数据密文；
边缘节点，与所述边缘设备连接，对各所述边缘设备收集到的各源数据密文进行处理和计算，并将处理和计算的结果密文存储在边缘节点本地，形成边缘存储；
云平台，与边缘节点连接，并与边缘存储中的数据同步，实现数据的集中管理和分析，云平台可通过私钥进行数据解密，获得结果明文。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述边缘设备和包括传感器、智能电表、能源控制器；所述分布式能源资源包括但不限于太阳能电池板、风力发电机、储能设备；所述灵活负载包括但不限于电动汽车、能源储备设备。
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