保護智能電網用戶用電隱私的方法及系統的製作方法
2023-05-11 05:42:56
專利名稱：保護智能電網用戶用電隱私的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及智能電網，尤其涉及一種保護智能電網用戶用電隱私的方法及系統。
背景技術：
智能電網中需要使用智能電錶，用於實時地周期地上傳用電數據，而不是現有的每個月人工抄表方式。但是，根據美國標準化研究院給出的分析，上傳的用電數據可能會洩露用戶的行為隱私，即用電量的情況可以反映用戶在使用什麼電器從而推知用戶的日常行為。
通常的解決辦法是對數據進行加密，但是頻繁的加密，會導致電耗過高，影響了智能電錶的使用，違背了智能電網實施的初衷。已有技術的主要缺點是依賴密碼學加密算法，計算量大，服務端需要PKI，實際中難於部署，加密系統中密鑰維護困難，使用密碼學方法，特別是頻繁的加密操作導致智能電網中的智能電錶耗電量大，削弱了智能電網的作用，不利於智能電網的推廣和應用。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於針對現有技術中對智能電網中的上傳數據頻繁的加密操作導致智能電網中的智能電錶耗電量大，削弱了智能電網的作用，不利於智能電網的推廣和應用的缺陷，提供一種可不依賴密碼學方法來保障用戶隱私性，運算速度快、耗電少的保護智能電網用戶用電隱私的方法及系統。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種保護智能電網用戶用電隱私的方法，包括以下步驟建立一個智能電錶採樣周期中可能暴露用戶隱私的消費電量模式集合BAD，BAD={a[l]，a[2]，…，a[m]}，其中，m為模式的總個數，且為自然數;獲取當前計費周期中的分時實際用電量Spi=Ir^n-I ;其中，η為計費周期中的採樣個數，為自然數。利用所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並將混淆後的混淆用電量Ui上傳；將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量Sn進行校正，得到校正的用電量Un,以保證當前計費周期的總電費值保持不變；將校正的用電量Un上傳。本發明所述的方法中，所述將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量進行校正，得到校正的用電量Un的步驟具體包括在每次上傳混淆用電量時，計算並記錄累積的偏移量Bi, Bi=Bp1+ (Si-Ui) · Pi，其中，Btl=O, Pi為上傳Ui時的電價；在最後一次上傳數據時，計算校正值Λ =Bi/p，其中P為最後一次上傳數據時的分時電價；
計算校正的用電量Un，Un=Sn+ Λ。本發明所述的方法中，所述預設混淆方式具體為獲取分時實際用電量Si在消費電量模式集合中的位置，如果S=a[j] e BAD,則生成隨機數O或者1，若生成0，則令Ui= (a[j]+a[j+l] ) /2 ;若生成1，則令 其中，a[j]為該集合中的一個元素，j=l, ...，m ;若分時實際用電量Si在消費電量模式集合BAD的一個區間，即aUKS^aU+l]，則令 Ui=(a[j]+a[j+l])/2o本發明所述的方法中，所述預設混淆方式具體為在消費電量模式集合BAD中隨機選一個值a[j]，令Ui=a[j]，其中a[j]為該集合中的一個元素，j=l, *··,π ο本發明所述的方法中，所述預設混淆方式具體為獲取分時實際用電量51在消費電量模式集合中的位置，若3[」]〈51〈&[」+1]，則生成隨機數O或者I ;若隨機數為0，則令1^=1，令仏=(&[」+10+&[」+1^1])/2;若 IUi-SiRBOUND,其中BOUND為一預設參數,則令k = j+LUiKaU+y+aU+k+l])/^,持續直到循環條件不滿足為止;若隨機數為1，則令 k=0，Ui=(a[j+k]+a[j+k-l])/2 ;當 | Ui-Si |〈BOUND，則令 k =j-1, !^(aU+y+aU+k-l])/〗,持續直到循環條件不滿足為止。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種保護智能電網用戶用電隱私的系統，包括集合建立模塊、實際用電量獲取模塊、用電量混淆模塊、校正模塊以及上傳模塊，其中集合建立模塊，用於一個智能電錶採樣周期中可能暴露用戶隱私的消費電量模式集合BAD，BAD={a[l]，a[2]，…，a[m]}，其中，m模式的總個數，且為自然數；實際用電量獲取模塊，用於獲取當前計費周期中的分時實際用電量Si, i=l,…，η-l ;其中，η為計費周期中的採樣個數，為自然數。用電量混淆模塊，用於利用所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並通過上傳模塊將混淆後的混淆用電量Ui上傳；校正模塊，用於將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量Sn進行校正，以保證當前計費周期的總電費值保持不變，並通過上傳模塊將校正的用電量Un上傳。本發明所述的系統中，所述校正模塊具體包括偏移量計算模塊，用於在每次上傳混淆用電量時，計算並記錄累積的偏移量Bi,Bi=Bi^1+ (Si-Ui) · Pi,其中，Bq=0，Pi 為上傳 Ui 時的電價；校正值計算模塊，用於在最後一次上傳數據時，計算校正值Λ =Bi/p，其中P為最後一次上傳數據時的分時電價；最後一次上傳數據計算模塊，用於計算校正的用電量Un，Un=Sn+ Λ。本發明產生的有益效果是本發明通過將分時上傳的實時用電量進行混淆，使得攻擊者無法根據上傳數據推斷用戶行為，但並不改變用電計價周期中用戶的總電費值，從而保護智能電網用戶用電隱私。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖I是本發明實施例保護智能電網用戶用電隱私的方法流程圖；圖2是本發明實施例保護智能電網用戶用電隱私的系統結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明實施例保護智能電網用戶用電隱私的方法，主要包括以下步驟SI、建立包括一個智能電錶採樣周期中可能暴露用戶隱私的消費電量模式集合BAD, BAD= {a[I], a[2], . . .，a[m]}，其中，a[i] (i=l, · · · , m)為指定計費周期中的各個實際用電量，根據該集合中的各個元素，即各個元素所表示的用電模式可以推知用戶行為，其中m為模式總數，且為自然數；一個計費上傳周期中，a[l]用電量可推知用戶行為A[l]，a[2]用電量推知用戶行為A [2]，依次類推。該集合可以預先設置，集合BAD中的元素可按照升序排列；S2、獲取當前計費周期中的分時實際用電量S」 i=l,…，n-1，包括SpS2、唚511_1，S1表示當前周期中第一個分時實際用電量，S2表示當前周期中第二個分時實際用電量，…，Slri表示當前周期中倒數第二個分時實際用電量；S3、利用所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並將混淆後的混淆用電量Ui上傳，即將S1混淆為U1上傳(上傳給電力調度中心)，將S2混淆為U2上傳，…將Slri混淆為Ulrl上傳；S4、將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量Sn進行校正，得到校正的用電量Un，以保證當前計費周期的總電費值保持不變；由於上傳的數據與實際用電量不同，因此需要對最後一次上傳數據進行校正，使得計費周期的總電費值保持不變(即與實際需交電費值相符)。S5、將校正的用電量Un上傳。本發明實施例中，步驟S4將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量進行校正，得到校正的用電量Un具體包括S41、在每次上傳混淆用電量時，計算並記錄累積的偏移量Bi, Bi=Bg+ (Si-Ui)-Pi,其中，Bq=0，Pi為上傳Ui時的電價；S42、在最後一次上傳數據時，計算校正值Λ =Bi/p，其中p為最後一次上傳數據時的分時電價；S43、計算校正的用電量Un，Un=Sn+ Δ。在本發明的一個實施例中，步驟S3中的預設混淆方式為隨機擾動方法，具體為a)獲取分時實際用電量51在消費電量模式集合中的位置，如果S=a[j] e BAD,則生成隨機數O或者1，若生成0，則令Ui= (a[j]+a[j+l] ) /2 ;若生成1，則令
其中，a[j]為該集合中的一個元素，j=l, ...，m ;b)若分時實際用電量Si在消費電量模式集合BAD的一個區間，即a[j] <Si〈a[j+l],則令 Ui=(a[j]+a[j+l])/2o由於在步驟a)中隨機向更大或更小的數擾動，故上傳數值總體波動不大，不會影響到電力調度。且b)中擾動到區間中值，該值可能大於S，也可能小於S，因此上傳數值總體波動不大，不會影響電力調度。由於上傳值為中間值，故不會洩露用戶隱私。在本發明的另一實施例中，步驟S3中的預設混淆方式為隨機遊走方式，具體為在消費電量模式集合BAD中隨機選一個值a[j]，令Ui=a[j]，其中a[j]為該集合中的一個元素，j=l,…，m。隨機遊走方式雖然比較簡單，但混淆了實際的用戶行為，攻擊者只能得到錯誤的推斷結果，同樣可以達到保護智能電網用戶用電隱私的目的。在本發明的第三實施例中，步驟S3中的預設混淆方式為擾動範圍受限的擾動方式，即加大第一實施例中的擾動範圍，但通過一個預設參數BOUND進行擾動程度的限制，以保障電力調度的精確性。 擾動範圍受限的擾動方式具體為獲取分時實際用電量Si在消費電量模式集合中的位置，具體為擾動到BAD集合值的中間值，且與S距離小於BOUND的最遠的那一個。即DgaUKSZaU+l]^生成隨機數O或者1，若隨機數為0，則1.1)令」=1;I. 2)令 Ui=(a[i+j]+a[i+j+l])/2 ；I · 3 )當 Ui-Si I〈BOUND，則I. 3. I)令 j = j+1 ；I. 3. 2)Ui=(a[i+j]+a[i+j+l])/2 ;再轉入步驟I. 3)開始循環，直到循環條件(I Ui-Si I〈BOUND)不再滿足；若為I,則I. I)令 j = O ;I. 2)令 Ui=(a[i+j]+a[i+j-l])/2 ；I · 3 )當 Ui-Si I〈BOUND，則I. 3. I)令 j = j-1 ；I. 3. 2)Ui=(a[i+j]+a[i+j-l])/20本發明實施例的方法可應用在智能電網的終端設備智能電錶中，用於保障用電者的隱私。本發明實施例的方法在上傳用戶數據時不會暴露用戶行為的隱私性，其運算量小，對終端設備的計算量要求低，耗電量小。上述實施例中的預設混淆方式並不用以限定具體的混淆方式，凡是基於本發明的混淆思想(即將分時上傳的實時用電量進行混淆，使得攻擊者無法根據上傳數據推斷用戶行為，但並不改變用電計價周期中用戶的總電費值，從而保護智能電網用戶用電隱私)均屬於本發明的保護範圍。上述方法既可在智能電錶上用軟體實現，也可以固化在硬體中實現。本發明實施例保護智能電網用戶用電隱私的系統主要用於智能電網中的智能電錶，位於感知層和通信層的中間，稱為中間處理層，用於數據的混淆，保障用戶的用電行為隱私，並同時保證電力調度的精確性，以及分時電價的計費正確性。
本系統可實現上文實施例中的方法，具體包括集合建立模塊10、實際用電量獲取模塊20、用電量混淆模塊30、校正模塊40以及上傳模塊50，其中集合建立模塊10，用於建立包括一個指定計費周期中的各個實際用電量的消費電量模式集合BAD, BAD= {a [I], a [2],.. .，a[m]}，其中，集合BAD中的元素按照升序排列，m為自然數；實際用電量獲取模塊20，用於獲取當前計費周期中的分時實際用電量Si，其中i為自然數；用電量混淆模塊30，用於根據所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並通過上傳模塊50將混淆後的混淆用電量Ui上傳；校正模塊40，用於將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量Sn進行校正，以保證當前計費周期的總電費值保持不變，並通過上傳模塊50將校正的用電量Un上傳。
本發明實施例中，校正模塊40具體包括偏移量計算模塊41，用於在每次上傳混淆用電量時，計算並記錄累積的偏移量Bi,Bi=Bi^1+ (Si-Ui) · Pi,其中，Bq=0，Pi 為上傳 Ui 時的電價；校正值計算模塊42，用於在最後一次上傳數據時，計算校正值Λ =Bi/p，其中P為最後一次上傳數據時的分時電價；最後一次上傳數據計算模塊43，用於計算校正的用電量Un，Un=Sn+ Λ。用電量混淆模塊30中，預設混淆方式在上文已有詳細描述，在此不贅述。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種保護智能電網用戶用電隱私的方法，其特徵在於，包括以下步驟 建立一個智能電錶採樣周期中可能暴露用戶隱私的消費電量模式集合BAD，BAD={a[l], a[2],…，a[m]}，其中，m為模式的總個數，且為自然數； 獲取當前計費周期中的分時實際用電量Spi=Ir^n-I ;其中，η為計費周期中的採樣個數，為自然數； 利用所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並將混淆後的混淆用電量Ui上傳； 將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量Sn進行校正，得到校正的用電量Un，以保證當前計費周期的總電費值保持不變； 將校正的用電量Un上傳。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量進行校正，得到校正的用電量Un的步驟具體包括 在每次上傳混淆用電量時，計算並記錄累積的偏移量Bi, Bi=Bp1+ (Si-Ui) · Pi,其中，Bq=0，Pi為上傳Ui時的電價； 在最後一次上傳數據時，計算校正值Λ =Bi/p，其中P為最後一次上傳數據時的分時電價； 計算校正的用電量un, Un=Sn+ Λ。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述預設混淆方式具體為 獲取分時實際用電量Si在消費電量模式集合中的位置，如果S=a[j] e BAD，則生成隨機數 O 或者 1，若生成 0，則令 Ui= (a[j]+a[j+l])/2 ;若生成 1，則令 Ui= (a[j]+a[j_l])/2，其中，a[j]為該集合中的一個元素，j =1, ---,m ； 若分時實際用電量Si在消費電量模式集合BAD的一個區間，S卩a[j] < Si < a[j+l]，則令 Ui=(a[j]+a[j+l])/2o
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述預設混淆方式具體為 在消費電量模式集合BAD中隨機選一個值a[j]，令Ui=a[j]，其中a[j]為該集合中的一個元素，j =1，---,mo
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述預設混淆方式具體為 獲取分時實際用電量31在消費電量模式集合中的位置，若a[j]〈 Si〈 a[j+l]，則生成隨機數O或者I ; 若隨機數為 0，則令 k=l，令 Ui=(a[j+k]+a[j+k+l])/2 ;若 Ui - Si |〈BOUND，其中 BOUND為一預設參數，則開始循環，令k=j+l, UiKaU+y+aU+k+l])/〗,持續直到循環條件不再滿足為止； 若隨機數為1，則令1^=0，仏=(&[」+10+&[」+1^ -1])/2;當IUi - Si I〈BOUND，則開始循環，令k=j-l, Ui=(a[j+k] +a[j+k -I])/2,持續直到循環條件不再滿足為止。
6.一種保護智能電網用戶用電隱私的系統，其特徵在於，包括集合建立模塊、實際用電量獲取模塊、用電量混淆模塊、校正模塊以及上傳模塊，其中 集合建立模塊，用於建立一個智能電錶採樣周期中可能暴露用戶隱私的消費電量模式集合BAD，BAD= {a[l]，a[2],…，a[m]}，其中，m為模式的總個數，且為自然數； 實際用電量獲取模塊，用於獲取當前計費周期中的分時實際用電量Spi=Ir^n-I ;其中，η為計費周期中的採樣個數，為自然數； 用電量混淆模塊，用於利用所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並通過上傳模塊將混淆後的混淆用電量Ui上傳； 校正模塊，用於將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量Sn進行校正，以保證當前計費周期的總電費值保持不變，並通過上傳模塊將校正的用電量Un上傳。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述校正模塊具體包括 偏移量計算模塊，用於在每次上傳混淆用電量時，計算並記錄累積的偏移量Bi, Bi=Bp1+(Si-Ui) · Pi,其中，Bq=0，Pi為上傳Ui時的電價； 校正值計算模塊，用於在最後一次上傳數據時，計算校正值Λ =Bi/p，其中P為最後一次上傳數據時的分時電價； 最後一次上傳數據計算模塊，用於計算校正的用電量Un, Un=Sn+ Λ。
全文摘要
本發明公開了一種保護智能電網用戶用電隱私的方法及系統，其中方法包括以下步驟建立一個智能電錶採樣周期中可能暴露用戶隱私的消費電量模式集合；獲取當前計費周期中的分時實際用電量；利用所述消費電量模式集合將獲取的分時實際用電量進行預設混淆方式的混淆，並將混淆後的混淆用電量上傳；將當前計費周期中的最後一個分時的實際電量進行校正，得到校正的用電量，以保證當前計費周期的總電費值保持不變；將校正後的用電量上傳。本發明可使攻擊者無法根據上傳數據推斷用戶行為，但並不改變用電計價周期中用戶的總電費值，從而保護智能電網用戶用電隱私。
文檔編號H04L9/00GK102946307SQ20121045508
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者任偉, 牟揚, 任毅 申請人:中國地質大學(武漢)