KR102620082B1 - 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한데이터 전송 방법 - Google Patents

보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한데이터 전송 방법 Download PDF

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Abstract

AMI(Advanced Metering Infrastructure) 서버와 연동하여 전력 정보를 전달하는 스마트 그리드 단말로서, 댁내에서 발생하는 적어도 하나의 검침 데이터를 수집하는 스마트 미터기와, 스마트 미터기가 수집하여 암호화한 적어도 하나의 검침 데이터를 수신하고, 수신한 검침 데이터를 상기 AMI 서버로 전송하는 전력 정보 처리기를 포함한다. 스마트 미터기와 전력 정보 처리기 사이에는 HLS/LEA(High Level Security authentication/Lightweight Encryption Algorithm) 보안이 적용되어 있다.

Description

보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한 데이터 전송 방법{Smart grid terminal with security module applied and data transmission method for using the same}
본 발명은 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한 데이터 전송 방법에 관한 것이다.
스마트 그리드(smart grid)는 지능형 전력망으로, 기존의 전력망에 IT 기술을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환하는 전력망을 의미한다. 스마트 그리드의 가장 큰 장점은 에너지를 효율적으로 사용할 수 있고, 스마트 그리드의 목적은 전력 소비가 많아지는 피크 시간에 소비 가격을 달리 책정하여, 에너지 소비를 줄이거나 효율적인 사용을 유도한다.
이때, 스마트 그리드를 구성하는 스마트 미터기에는 암호 모듈이 적용되어 있지 않아, 해킹으로 인하여 개인 정보가 누출됨은 물론 프라이버시 침해 등의 위험성이 높다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 NB-IoT 기반으로 물리적 보안 취약점을 개선한 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한 서비스 제공 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 서버와 연동하여 전력 정보를 전달하는 스마트 그리드 단말로서,
댁내에서 사용되는 적어도 하나의 검침 데이터를 수집하는 스마트 미터기, 그리고 상기 스마트 미터기가 수집하여 암호화한 적어도 하나의 검침 데이터를 수신하고, 수신한 검침 데이터를 상기 AMI 서버로 전송하는 전력 정보 처리기를 포함하고, 상기 스마트 미터기와 전력 정보 처리기 사이에는 보안이 적용되어 있다.
상기 전력 정보 처리기는, 상기 전력 정보 처리기는, 상기 스마트 미터기와 연동하며, 상기 스마트 미터기로부터 암호화된 적어도 하나의 검침 데이터를 수신하는 연결 모듈, 상기 암호화된 적어도 하나의 검침 데이터를 복호화하고, 상기 복호화한 적어도 하나의 검침 데이터를 전력 정보로 생성한 후 암호화하여 암호화된 전력 정보로 생성하는 보안 모듈, 그리고 NB-IoT 통신을 위한 통신망을 인증하고, 인증한 통신망을 이용하여 상기 암호화된 전력 정보를 상기 AMI 서버로 전송하는 통신 모듈을 포함할 수 있다.
상기 전력 정보 처리기는, 상기 제어 모듈과 통신 모듈에 전원을 공급하는 전원 공급 모듈, 그리고 상기 연결 모듈, 보안 모듈, 통신 모듈, 그리고 전원 공급 모듈을 제어하는 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 스마트 미터기는, 댁내에 구비된 적어도 하나의 장치로부터 검침 데이터를 수집하는 전력 정보 수집 모듈, 그리고 상기 전력 정보 수집 모듈이 수집한 적어도 하나의 검침 데이터를 암호화하고, 암호화된 적어도 하나의 검침 데이터를 상기 통신 모듈로 전송하는 암호화 모듈을 포함하며, 상기 암호화 모듈과 상기 통신 모듈 사이에는 HLS/LEA(High Level Security authentication/Lightweight Encryption Algorithm) 보안이 적용될 수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 전력 정보 처리기가 연동한 AMI 서버로 전력 정보를 전달하는 방법으로서,
상기 전력 정보 처리기는 스마트 미터기와 일체형으로 스마트 그리드 단말에 포함되어 있으며, 상기 스마트 미터기와 연결 후 인증을 수행하는 단계, 상기 스마트 미터기로 검침 데이터를 요청하고, 상기 스마트 미터기가 수집한 적어도 하나의 암호화된 검침 데이터를 수신하여 복호화하는 단계, 상기 복호화한 적어도 하나의 검침 데이터를 하나의 암호화된 전력 정보로 생성하는 단계, 그리고 생성한 암호화된 전력 정보를 상기 AMI 서버로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 스마트 미터기와 전력 정보 처리기는 상기 암호화된 전력 정보는 상기 AMI 서버로 NB-IoT 통신으로 전송한다.
상기 인증을 수행하는 단계는, 상기 스마트 미터기와 프로토콜을 통해 연결을 시도하는 단계, 연결이 완료된 상기 스마트 미터기로 인증을 요청하는 단계, 그리고 상기 스마트 미터기로부터 인증 확인 신호를 수신하면 상기 AMI 서버로 스마트 그리드 단말의 인증을 요청하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인증을 수행하는 단계는, 상기 AMI 서버와 NB-IoT 통신으로 연결을 시도하는 단계, 그리고 연결된 상기 AMI 서버와의 인증 및 보안 절차를 실행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 스마트 미터기에 보안 모듈을 적용하여, 스마트 미터기에 대한 보안성을 향상시킬 수 있으며, 자유로운 보안 모듈을 탑재할 수 있어 보안 모듈의 업그레이드가 용이하다.
또한, NB-IoT 통신 모듈을 통합형으로 설계하여 유선 환경 구성이 어려운 지역에서도 원격으로 검침할 수 있으며, NB-IoT 망을 활용하여 저렴한 가격으로 검침 서비스를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 스마트 그리드 환경을 나타낸 예시도이다.
도 2는 일반적인 스마트 그리드 단말의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 환경을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 단말의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 단말의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 환경에서 데이터를 전송하는 방법에 대한 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단말(terminal)은, 이동국(Mobile Station, MS), 이동 단말(Mobile Terminal, MT), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE), 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 기지국(Base Station, BS)은 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node B), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS), MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한 데이터 전송 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 대해 설명하기 앞서, 일반적인 스마트 그리드 환경과 스마트 그리드 단말에 대해 도 1 및 도 2를 참조로 먼저 설명한다.
도 1은 일반적인 스마트 그리드 환경을 나타낸 예시도이고, 도 2는 일반적인 스마트 그리드 단말의 예시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 스마트 그리드 환경은 각 댁내에 설치되어 있는 스마트 미터기(10) 내부에 PLC(Power Line Communication) 모뎀(20)이 탑재되어 있다. 그리고 PLC 모뎀(20)은 DCU(Data Collecting Unit)(30)와 연동하고, DCU(30)는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 서버(40)와 연동한다.
댁내에 설치되어 있는 스마트 미터기(10)는 전력 검침계로 댁내의 전력 소비 정보를 모아 PLC 모뎀(20)을 통해 DCU(30)로 전달한다. 스마트 미터기(10)에는 안전한 키 저장과 암호 알고리즘을 수행하기 위한 TPM(Trusted Platform Module)이 설치되어 있다.
DCU(30)는 작은 지역별 혹은 아파트 단지별로 설치되어 있으며, 하나의 DCU(30)에는 200개 내지 300개의 스마트 미터기(10)가 연결되어 있다. 스마트 미터기(10)들로부터 전력 소비 정보를 수집한 DCU(30)는 AMI 서버(40)로 전력 소비 정보를 전달하여, 사용자 별로 요금을 청구하거나 실시간 요금 정산 및 미래 수요 예측을 하는데 사용하도록 한다.
이때, AMI 서버(40)와 DCU(30) 사이에는 TLS(Transport Layer Security)가 적용되고, DCU(30)와 스마트 미터기(10) 사이에는 양방향 원격 검침을 지원하는 프로토콜인 DLMS/COSEM(Device Language Message Specification/COmpanion Specification for Energy Metering) 프로토콜이 적용되어 있어, 전기 계량값 교환을 위해 데이터 접근을 위한 보안 규약과 데이터 전송 과정에서의 보안 규약도 함께 정의되어 있다.
그러나, PLC 모뎀(20)과 스마트 미터기(10) 사이에는 암호 모듈이 적용되어 있지 않아 보안이 취약한 구간이다. 이 구간은 해킹으로 인하여 개인 정보가 누출됨은 물론 프라이버시 침해 등의 위험성이 높다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 보안 모듈이 적용된 NB-IoT 기반의 스마트 그리드 단말을 통해, PLC 기반의 AMI 구조의 물리적 보안 취약점을 개선하고자 한다. 본 발명의 실시예에 따른 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 환경과 스마트 그리드 단말에 대해 도 3 및 도 4를 참조로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 환경을 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 단말의 예시도이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 각 댁내에는 스마트 그리드 단말(100)이 설치되어 있다. 스마트 그리드 단말(100)은 NB-IoT 기반의 통신 모듈과 스마트 미터기, 그리고 MCU(Macro Controller Unit)가 하나의 단말에 통합 형태로 삽입되어 있다. 그리고 스마트 그리드 단말(100)과 AMI 서버(200) 사이에 전력 소비 정보는 NB-IoT 망을 이용한 TCP/IP 통신 규약으로 송수신된다.
스마트 그리드 단말(100)은 다양한 보안 알고리즘이 적용되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 스마트 미터기와 전력 정보 처리기(120) 사이에 HLS/LEA(High Level Security authentication/Lightweight Encryption Algorithm) 보안 알고리즘이 적용되어 있는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
스마트 그리드 단말(100)에는 전력 정보를 수집하는 스마트 미터기(110)와, 스마트 미터기(110)가 수집한 전력 정보를 보안 처리하는 전력 정보 처리기(120)를 포함한다. 스마트 미터기(110)와 전력 정보 처리기(120) 사이에는 HLS/LEA 보안이 적용되어 있고, 전력 정보 처리기(120)와 AMI 서버(200) 사이에는 TLS 보안이 적용되어 있는 것을 예로 하여 설명한다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 전력 정보 처리기(120)와 AMI 서버(200) 사이의 NB-IoT 교환기(300) 장비가 구비되어 있다. NB-IoT 교환기(300)와 전력 정보 처리기(120) 사이에는 전력 정보를 안전하게 전송하기 위해 다양한 형태의 보안이 적용되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 EPS-AKA 방식의 LTE 인증과 무선구간 보안(Ciphering)이 적용되어 있는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
이러한 환경에서 댁내의 전력 소비 정보를 모아 AMI 서버(200)로 전송하는 스마트 그리드 단말(100)의 구조에 대해 도 5를 참조로 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 단말의 구조도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스마트 그리드 단말(100)은 스마트 미터기(110)와 전력 정보 처리기(120)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 스마트 미터기(110)와 전력 정보 처리기(120) 사이에는 HLS/LEA 보안이 적용되어 있는 것을 예로 하여 설명한다.
스마트 미터기(110)의 전력 정보 수집 모듈(111)은 댁내에서 사용되는 DLMS/COSEM 검침 데이터를 전력 정보로 수집한다. 스마트 미터기(110)가 전력 정보를 수집하는 방법은 다양한 방법으로 실행할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
암호화 모듈(112)은 전력 정보 수집 모듈(111)이 수집한 전력 정보를 취합하여 암호화한 후, 연동한 전력 정보 처리기(120)의 연결 모듈(124)로 전달한다. 여기서 암호화 모듈(112)이 전력 정보를 암호화하는 방법은 다양하므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.
전력 정보 처리기(120)는 연결 모듈(124)을 통해 스마트 미터기(110)와 연결된다. 보안 모듈(125)은 스마트 미터기(110)로부터 전송 받은 암호화된 전력 정보를 복호화한다.
제어 모듈(122)은 보안 모듈(125)에서 암호화된 전력 정보를 통신 모듈(121)을 통해 AMI 서버(200)로 무선 전송한다. 이때, 통신 모듈(121)은 AMI 서버(200)로 NB-IoT 통신 기술을 이용하여 암호화된 전력 정보를 전송하기 위하여, 보안 모듈(125)이 전력 정보를 암호화한다.
통신 모듈(121)은 암호화된 전력 정보를 송수신하기 위하여 NB-IoT 통신망을 인증한다. 통신 모듈(121)이 NB-IoT 통신망을 인증하는 방법은 다양한 방법으로 실행할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다. 여기서, 통신 모듈(121)은 eSIM(embedded Subscriber Identification Module) 기반으로 전력 정보 처리기(120)에 삽입되는 것을 예로 하여 설명한다.
전원 공급 모듈(123)은 전력 정보 처리기(120)에 전원을 공급한다. 본 발명의 실시예에서는, 전원 공급 모듈(123)은 SMPS(Switching Mode Power Supply)(도면 미도시)로부터 받은 직류 전원을 제어 모듈(122)과 통신 모듈(121)로 공급하는 것을 예로 하여 설명한다.
이와 같이 스마트 미터기(110)와 보안 모듈(125) 사이에 서버-클라이언트 인증 방식인 HLS 보안과 LEA 보안을 적용하고, NB-IoT 기반의 통신 모듈(121)과 스마트 미터기(110)가 통합형으로 구성된 스마트 그리드 단말(100)을 이용하여 데이터를 전송하는 방법에 대해 도 6을 참조로 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 환경에서 데이터를 전송하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스마트 미터기(110)와 전력 정보 처리기(120)는 DLMS/COSEM 프로토콜을 이용하여 상호 연결을 시도한다(S100). 이와 동시에 전력 정보 처리기(120)는 AMI 서버(200)와 NB-IoT 망을 이용하여 TCP/IP 통신 규약으로 연결을 시도한다(S101). S100 단계와 S101 단계에서 연결을 시도하는 절차에 대해서는 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
스마트 미터기(110)와 전력 정보 처리기(120), 그리고 스마트 그리드 단말(100)과 AMI 서버(200)가 연결되면, 각각 인증과 보안 절차를 수행한다(S102, S103). 스마트 미터기(110)와 전력 정보 처리기(120) 사이에는 HLS 인증 방법과 LEA 보안 방법을 통해 인증과 보안 절차를 수행한다. 스마트 그리드 단말(100)과 AMI 서버(200) 사이에는 TLS 인증 방법과 ARIA128 보안 방법으로 인증과 보안 절차를 수행한다.
여기서, 각각의 인증 절차와 보안 절차는 이미 알려진 사항으로 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다. 그리고 인증 절차와 보안 절차를 반드시 HLS, LEA, TLS 또는 ARIA218로 한정하지 않는다.
전력 정보 처리기(120)와 스마트 미터기(110)는 연결 후 스마트 미터기(110)에 대한 인증 절차를 수행한다(S104, S105). 이와 마찬가지로 전력 정보 처리기(120)와 AMI 서버(200) 사이에도 인증 절차가 진행된다(S106, S107). HLS가 적용된 인증 절차나 TLS가 적용된 인증 절차는 이미 알려진 사항으로 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
인증 절차가 완료된 후, 전력 정보 처리기(120)는 스마트 미터기(110)로 검침 데이터를 요청한다(S108). 스마트 미터기(110)는 자신이 수집한 검침 데이터를 암호화하여 전력 정보 처리기(120)로 전달한다(S109). 전력 정보 처리기(120)는 암호화된 검침 데이터를 복호화한 후, 복수의 검침 데이터를 하나의 전력 정보로 생성한 후 암호화한 전력 정보를 생성한다(S110). 여기서, 전력 정보는 스마트 미터기(110)가 검침한 검침량, 측정 시간 그리고 전력 정보 처리기(120)가 스마트 미터기(110)로 검침 데이터를 요청한 요청 시간을 포함한다.
전력 정보 처리기(120)는 암호화된 전력 정보를 AMI 서버(200)로 NB-IoT 통신 모듈을 이용하여 전송한다(S111). 이러한 절차를 통해 스마트 그리드 단말(100)과 AMI 서버(200) 사이에 NB-IoT 통신으로 전력 정보가 송수신되고, 기존에 스마트 미터기와 PLC 모뎀, DCU 사이에 연결된 유선을 통신 모듈과 제어 모듈을 스마트 미터기(110)와 함께 일체형 단말로 개발함으로써, 보안 취약 사항을 해결할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 스마트 미터기로부터, 적어도 하나의 암호화된 검침 데이터를 수신하는 연결 모듈,
    상기 적어도 하나의 암호화된 검침 데이터를 복호화하고, 복호화된 적어도 하나의 검침 데이터를 전력 정보로 생성하며, 상기 전력 정보를 암호화하여 암호화된 전력 정보로 생성하는 보안 모듈, 그리고
    통신망을 인증하고, 인증한 통신망을 이용하여 상기 암호화된 전력 정보를 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 서버로 전송하는 통신 모듈
    을 포함하는, 전력 정보 처리기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 NB-IoT 통신으로 상기 암호화된 전력 정보를 전송하는 전력 정보 처리기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 eSIM(embedded Subscriber Identification Module) 기반인, 전력 정보 처리기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결 모듈과 상기 스마트 미터기 사이에는 제1 인증 방법과 제1 보안 방법이 적용되어 있고,
    상기 통신 모듈과 상기 AMI 서버 사이에는 제2 인증 방법과 제2 보안 방법이 적용되어 있는, 전력 정보 처리기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 인증 방법은 HLS(High Level Security authentication)이고, 상기 제1 보안 방법은 LEA(Lightweight Encryption Algorithm)이고,
    상기 제2 인증 방법은 TLS이고, 상기 제2 보안 방법은 ARIA128인, 전력 정보 처리기.
  6. 적어도 하나의 장치로부터 검침 데이터를 수집하는 전력 정보 수집 모듈, 그리고
    상기 전력 정보 수집 모듈이 수집한 적어도 하나의 검침 데이터를 암호화하고, 암호화된 적어도 하나의 검침 데이터를, 암호화된 전력 정보로 생성하는 전력 정보 처리기로 전송하는 암호화 모듈
    을 포함하며,
    상기 전력 정보 처리기와 인증 절차를 수행하고, 상기 인증 절차가 완료된 후 상기 암호화된 검침 데이터를 상기 전력 정보 처리기로 전송하는 스마트 미터기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 암호화 모듈과 상기 전력 정보 처리기 사이에는 HLS(High Level Security authentication) 인증 방법과 LEA(Lightweight Encryption Algorithm) 보안 방법이 적용되어 있는, 스마트 미터기.
KR1020230085326A 2018-03-08 2023-06-30 보안 모듈이 적용된 스마트 그리드 단말 및 이를 이용한데이터 전송 방법 KR102620082B1 (ko)

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