RU197324U1

RU197324U1 - Интеллектуальный счетчик электрической энергии с дистанционным управлением шифрования информации

Info

Publication number: RU197324U1
Application number: RU2019125879U
Authority: RU
Inventors: Юрий Борисович Соколов
Original assignee: Юрий Борисович Соколов
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-04-21

Abstract

Интеллектуальный счетчик электрической энергии с дистанционным управлением шифрования информации относится к области электроэнергетики, в частности, к средствам учета и контроля электроэнергии, анализа параметров качества электроэнергии, управление ограничением и отключением потребителей электроэнергии и может быть использована при организации системы учета и контроля потребления электроэнергии, удаленного управления приборами учета (счетчиками) в промышленности, коммунальном хозяйстве и т.д. Техническим результатом является упрощение конструкции счетчика электрической энергии, повышение его надежности. Полезная модель содержит входную силовую колодку, соединенную с блоком ограничения нагрузки; функциональные элементы: измерительный процессор с измерительной микросхемой, блок управления, содержащий основную микросхему управления с основным процессором, криптографический процессор, блок интерфейсов, часы реального времени, блок дополнительной памяти, блок индикации, блок датчиков, при этом все функциональные элементы смонтированы на одной общей плате, а шифрование информации производится криптографическим процессором, который расположен на кристалле основной микросхемы основного процессора блока управления и/или на кристалле измерительного процессора. 2 з.п. ф-лы; 2 ил.

Description

Область техники

Предлагаемая полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности, к средствам учета и контроля электроэнергии, анализа параметров качества электроэнергии, управление ограничением и отключением потребителей электроэнергии и может быть использована при организации системы учета и контроля потребления электроэнергии, удаленного управления приборами учета (счетчиками) в промышленности, коммунальном хозяйстве и т.д.

Уровень техники

Учет потребления электроэнергии производится во всех странах мира, однако, несмотря на жесткий контроль потребления электроэнергии со стороны снабжающих организаций, коммерческие потери (воровство) электроэнергии в ряде стран превышают 30%. Для того, чтобы прекратить эти потери организации внедряют автоматические системы учета электроэнергии, работающие в режиме on line, которые позволяют наблюдать за уровнем потребления каждого пользователя в динамике и выявлять попытки несанкционированного доступа к приборам учета, а также в динамике отслеживать качество электроэнергии. Для того, чтобы защититься от вмешательства в счетчик, предусматривают различные механические и электронные приспособления, а для защиты каналов (в том числе беспроводных) передачи применяют шифрование информации, а сами электрические счетчики становятся интеллектуальными и достаточно сложными со стоимостью от 2000 руб. до 7000 руб. Ввиду этого,

шифровальное устройство не должно быть дороже 400…1500 руб. в пересчете на один счетчик.

Прототипом данной полезной модели выбран патент №RU 188731 U1 МПК H02J 13/00, опубликован 23.04.2019), как наиболее близкий к настоящей полезной модели. Описание функций счетчика, данное в прототипе, типовое и взято из документов организации ПАО «Россети», которые предлагаются всем разработчикам счетчиков с целью унификации технических решений и функций, поэтому на этом не останавливаемся. Основным отличием прототипа от существующих решений является наличие в прототипе средства криптографической защиты информации - блока СКЗИ, как самостоятельного законченного крипрографического устройства. СКЗИ - это серийное устройство, которое применяется в тахографах уже несколько лет, и в течение этих лет версии ПО СКЗИ изменялись десятки раз, дестабилизируя рынок, поставки этих устройств нестабильны, потому что их изготовление производится за рубежом. Цена этого изделия запредельная (~13000 руб.) и превышает стоимость тахографа (10000-12000 руб.), который представляет собой весьма сложное устройство.

При применении СКЗИ в счетчиках электроэнергии (совокупный объем счетчиков в РФ превышает 80 млн. шт.) затраты на внедрение СКЗИ превысят 1,040 трлн. руб. и существенно повысят стоимость счетчиков для населения и ресурсоснабжающих организаций, так как настоящая стоимость счетчиков сегодня от 370 руб. до 5000 руб., что несоизмеримо со стоимостью СКЗИ (13000 руб.). Кроме того, защита информации с помощью отдельного блока, который находится в отсеке и в него входит незащищенная информация, весьма сомнительна. В СКЗИ ряд функций, являющихся обязательными для счетчика (блок памяти, интерфейс, основной блок, блок управления, часы реального времени) неоправданно дублируются и приходится синхронизировать их работу. Поскольку СКЗИ не имеет возможности

коррекции его ПО, то при наличии ошибок, учитывая, что счетчики находятся в частном пользовании, может наступить коллапс, когда миллионы счетчиков будут давать неверную информацию или ее вообще невозможно будет расшифровать. Это накладывает на все снабжающие организации серьезную моральную и материальную ответственность, а ошибки не могут быть исправлены немедленно, так как счетчики могут быть недоступны (в отличие от тахографов, которые работают у бизнеса, а количество их значительно меньше).

Техническим результатом является упрощение конструкции счетчика электрической энергии, при одновременном повышении его надежности.

Техническое решение

Современный уровень техники и микроэлектроники позволяет предложить совсем другое решение. Современные микросхемы стоимостью 120-250 руб. сегодня содержат на одном кристалле не только криптографический процессор, но и мощный вычислительный процессор, выполняющий все управляющие функции, часы реального времени, таймеры, многочисленные интерфейсы, оперативные и программные памяти и другие компоненты, в том числе защищающие от вскрытия эти микросхемы. Все это позволяет производить компактные разработки счетчиков электроэнергии на одной плате с высокой степенью защиты, что практически исключает какие-либо манипуляции с информацией даже при вскрытии счетчика, который, как правило, защищен от этого сваркой корпуса, пломбами и другими средствами защиты. При этом заводы-изготовители могут получать от собственника криптографической защиты флеш-память или другой носитель для «заливки» в криптомодуль соответствующей программы или передавать ее через «облако», или собственный сервер.

Для исключения кризисных ситуаций при необходимости корректировки ПО криптографического процессора, необходимо осуществить

его перезагрузку, которая может быть инициирована по команде собственника криптографической защиты по специальным ключам с параллельным уведомлением основного Центра учета данных (ОЦУД) и разрешается после подтверждения и фиксации ОЦУД этой операции через основной процессор в счетчике, одновременно оповещается завод-изготовитель счетчика через соответствующий сервер. Могут быть различные алгоритмы перезагрузки, основное требование - разделение команд запроса на перезагрузку и подтверждение от ОЦУД.

При применении вышеизложенных мер, фальсификация результатов потребления мощности возможна только при изменении (фальсификации) входных данных от промышленной сети в электросчетчик, которые могут быть предотвращены и отслежены следующими методами:

- механической защитой входных цепей от манипуляций (пломбы, сварка корпуса),

- отслеживанием токов фаз и нулевого провода,

-отслеживание воздействия магнитным полем на измерительные элементы счетчика с помощью встроенного датчика магнитного поля,

- отслеживание конкретного потребителя электроэнергии с помощью программных средств по закономерностям потребления энергии на предмет нестандартных ситуаций.

На рис. 1 представлена блок-схема счетчика 1 электроэнергии, где все устройства собраны на одной общей плате и включают в себя: входную колодку 16, измерительный процессор 2 с измерительной микросхемой, блок управления 3, включающий в себя основную микросхему управления 4 с основным процессором 5 и криптографическим процессором 6; блок интерфейсов 7, блок датчиков 15, часы реального времени 8, блок дополнительной памяти 9, блок индикации 10, блок ограничения нагрузки 11, при этом все функциональные элементы смонтированы на одной общей

плате, а шифрование информации производится криптографическим процессором, который расположен на кристалле основной микросхемы основного процессора блока управления или на кристалле измерительного процессора.

Измерительный процессор 2, блок управления 3, криптографический процессор 6, блок дополнительной памяти 9 и часы 8 реального времени объединены в один гибридный модуль, полностью залитый компаундом и размещенный на общей плате.

Вне счетчика находятся: потребляющая энергию нагрузка 12, устройство сбора и передачи данных (УСПД) - 13, основной центр учета данных - ОЦУД - 14.

На рис. 2 отражена аналогичная блок схема, но криптографический процессор 6 расположен на кристалле измерительной микросхемы 2.

В ряде конструкций счетчиков с технологией GSM и NB-IOT информация от счетчика может передаваться прямо в ОЦУД и УСПД может отсутствовать, а в, так называемых, сплит системах дисплей находится не в составе счетчика, а в доме на некотором расстоянии от счетчика, счетчик может быть на улице, на мачте.

Передача информации от счетчика в УСПД и далее в ОЦУД и обратно может производиться любыми проводными или беспроводными средствами связи, в том числе GSM, 4G, 5G, Wi-Fi, PLC, RF или др.

При этом никакие информационные данные не выходят за пределы платы счетчика в незашифрованном виде, имеется возможность изменения (загрузки) новых алгоритмов шифрования, без аппаратной модернизации счетчика и сохранение их в зашифрованном виде, обеспечивая невозможность передачи и приема критически важных команд чтения и записи при обнаружении блоком управления метки времени в блоке часов

реального времени, превышающих срок действия ключей шифрования, наличие в криптопроцессоре запасных ключей шифрования на случай обнаружения ошибок в алгоритме шифрования для перезагрузки.

Первоначальная загрузка алгоритмов шифрования и ключей может производиться собственником алгоритмов и может осуществляться с флеш-памяти, по интернету, с «облака», с какого-либо сервера и т.д., или других носителей ПО.

Перезагрузка алгоритмов шифрования производится сравниванием ключей первой перезагрузки с запросом на изменение алгоритма, после чего счетчик направляет сигнал о необходимости перезагрузки в ОЦУД через УСПД (или непосредственно), в ОЦУД данный сигнал фиксируется и формируется команда разрешения перезагрузки и направляется в счетчик электрической энергии через УСПД или непосредственно, счетчик производит перезагрузку, фиксируя время и номер перезагрузки, так же производится вторая, третья и другие перезагрузки, производитель счетчика оповещается о наличии перезагрузки с информацией о номере счетчика, времени, номере перезагрузки, перезагрузку инициирует только собственник алгоритма шифрования, если при запросе на изменение алгоритмов обнаружена попытка несанкционированного проникновения, то информация об этом направляется также собственнику алгоритмов шифрования.

Собственники алгоритмов шифрования и/или электроснабжающие организации могут эффективно управлять пользованием алгоритмами шифрования путем фиксации сроков пользования ключами и ограничения мощности подачи электрической энергии после окончания срока действия ключей.

Общая экономия по сравнению с прототипом более 1,040 трлн. руб., не учитывая потерь от предотвращения кризисных ситуаций.

Claims

1. Интеллектуальный счетчик электрической энергии, содержащий смонтированные на одной общей плате функциональные элементы:

входную силовую колодку, соединенную с блоком ограничения нагрузки;

измерительный процессор с измерительной микросхемой, соединенный с входной силовой колодкой;

блок управления, содержащий основную микросхему управления с основным процессором, при этом вход блока управления соединен с измерительным процессором, а выход с блоком ограничения нагрузки;

блок интерфейсов, соединенный с блоком управления, выполненный с возможностью соединения с внешними проводными или беспроводными источниками данных;

криптографический процессор, расположенный на кристалле основной микросхемы блока управления или на кристалле измерительного процессора блока управления, исключающий выход информационных данных за пределы платы счетчика в незашифрованном виде, выполненный с возможностью обновления программного обеспечения от внешних источников информации;

часы реального времени, блок дополнительной памяти, блок индикации, блок датчиков, соединеные с блоком управления.

2. Интеллектуальный счетчик электроэнергии по п. 1, в котором криптографический процессор выполнен с возможностью первоначальной загрузки алгоритмов шифрования и ключей собственником алгоритмов и осуществляется с флеш-памяти, по интернету, с «облака» или других носителей ПО.

3. Интеллектуальный счетчик электрической энергии по п. 1, в котором измерительный процессор, блок управления, криптографический процессор, блок дополнительной памяти, часы реального времени объединены в один гибридный модуль, полностью залитый компаундом и размещенный на общей плате.