CN104301319A - 一种智能电能表加密管理装置及数据加密保护方法 - Google Patents

一种智能电能表加密管理装置及数据加密保护方法 Download PDF

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Abstract

一种智能电能表加密管理装置及数据加密保护方法，该装置由加密管理模块、发卡管理模块、智能电能表、售电管理模块依序连接组成。其中，所述加密管理模块由授权卡一、二、三、四，省级主密钥卡、主传输卡，地市级主密钥卡、主传输卡，地市级洗卡母卡、洗卡控制卡依次相连组成；所述发卡管理模块由用户卡发卡母卡、用户卡、PSAM卡发卡母卡、PSAM卡组成；其中，用户卡发卡母卡、用户卡相连；PSAM卡发卡母卡、PSAM卡相连。本发明采用了先进可靠、安全性高的加密算法和加密管理，避免了电量结算抄表、收费的弊端，以及消除一些管理上的漏洞，有利于加强营销管理和提升客户服务水平，为供电企业和公司探索营销模式转变提供了宝贵的指导和借鉴经验。

Description

一种智能电能表加密管理装置及数据加密保护方法
技术领域
本发明属于电学领域，尤其一种智能电能表加密管理装置的技术领域。
背景技术
随着用电制度改革的进行和公众对电力消费的需求越来越高，研究和利用现代化智能技术对用电实行自动监控，转变电力公司长期以来的“先供电后收费"的售电模式已势在必行。采用智能电能表加密管理***能够在最大程度上解决电费回收、人工抄表和实现供电部门管理控制电量的若干问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的一种智能电能表加密管理装置，该装置由加密管理模块、发卡管理模块、智能电能表、售电管理模块依序连接组成。
其中，所述加密管理模块由授权卡一、二、三、四，省级主密钥卡、主传输卡，地市级主密钥卡、主传输卡，地市级洗卡母卡、洗卡控制卡依次相连组成；
所述发卡管理模块由用户卡发卡母卡、用户卡、PSAM卡发卡母卡、PSAM卡组成；其中，用户卡发卡母卡、用户卡相连；PSAM卡发卡母卡、PSAM卡相连。
一种智能电能表加密管理装置的数据加密保护方法，包括以下几个步骤：
步骤1：对命令数据域Q计算出MAC，再使用3DES算法、共同密钥Key1对明文数据域采用MAC进行加密运算，得到密文数据域P；
MAC是消息内容和密钥的公开函数，计算公式为
MAC＝C(M,K)            (1)
C是传递消息内容，K是通信双方共同密钥，C是MAC值的生成算法，仅当C、M、K均有效时，计算出的MAC才有效；
MAC＝C(Q，Key2)          (2)
P＝E(Q+MAC，Key1)            (3)
步骤2：将MAC值附加在密文数据P尾部，发送给用户端，即：
A→B:E(Q+MAC，Key1)‖C(Q，Key2)
步骤3：用户端接收到命令后，先用共同密钥Key1对密文解密，再用Key2对解密得到的MAC值的正确性进行验证；
P*＝E-1(Q+MAC，Key1)
MAC*＝C-1(Q，Key2)
步骤4：在确认数据传输有效后，用户端按照接收到的命令，以同样的加密方式应答所述装置。
为保护用户交易的数据安全性和有效性，使数据免受非法用户的攻击。下面将分别针对安全机制中的加密管理、安全认证及数据加密保护说明。
1.加密管理包括从密钥的产生到密钥的销毁的各个方面，本发明所述加密管理模块根密钥生成示意图所示。在安全、可靠、灵活的前提下，安全的产生各级主密钥和各类主密钥，并且将密钥安全的下发给发卡***，用来产生PSAM、用户卡、参数设置卡的各个密钥，确保以上所有环节中密钥的安全性和一致性，实现对密钥的集中安全管理。由的四位最高授权人各输入16字节字符串，分别表示为A、B、C、D，再把这四个16字节字符串转化为字节类型，表示为A*、B*、C*、D*，使用B*对A*进行3DES加密得到E*，使用D*对C*进行3DES加密得到F*。在利用F*对E*进行3DES加密得到G*，取G*的地位前16个字节作为根密钥GKey，存入根密钥卡的指定位置。
2.数据认证：本发明采用的认证方案分为三种：内部认证、外部认证、双向认证。内部认证我们通常也称为身份认证，内部认证的流程如下：对同一个随机数，A、B同时用相对应的密钥进行加密运算，比对加密后得到的密文。如果密文一致，则判定认证通过。外部认证，也称为权限认证，只有通过外部认证才能得到进一步的操作权限。对A做外部认证的流程如下：A从B取一随机数，A用指定的认证密钥对随机数加密得到密文，B用对应的外部认证密钥对密文进行解密。若解密得到的明文与A取到的随机数相同，则认证通过。否则，认证不通过。双向认证即在内部认证的同时也做外部认证。
3.数据加密保护
为了保证数据的可靠性、完整性和认证的实现，***设计数据加密保护，电能表应先解密密文，再验证MAC校验的有效性，验证通过方可进行后续操作；具有防攻击能力。密文形式传输保证了数据的安全可靠性，MAC的加入保证了数据完整性和认证的可靠性。
MAC是消息内容和密钥的公开函数，计算公式为
MAC＝C(M,K)               (1)
C是传递消息内容，K是通信双方共同密钥，C是MAC值的生成算法。仅当C、M、K均有效时，计算出的MAC才有效。认证过程需要以下几个步骤：
步骤1：本发明所述一种智能电能表加密管理装置对命令数据域Q计算出MAC，再使用3DES算法、共同密钥Key1对明文数据域采用MAC进行加密运算，得到密文数据域P。
MAC＝C(Q，Key2)
P＝E(Q+MAC，Key1)
步骤2：本发明所述装置将MAC值附加在密文数据P尾部，发送给用户端。即：
A→B:E(Q+MAC，Key1)‖C(Q，Key2)
步骤3：用户端接收到命令后，先用共同密钥Key1对密文解密，再用Key2对解密得到的MAC值的正确性进行验证。
P*＝E-1(Q+MAC，Key1)
MAC*＝C-1(Q，Key2)
步骤4：在确认数据传输有效后，用户端按照接收到的命令，以同样的加密方式应答本发明所述装置。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.降低了电力***的管理成本。改变了落后、陈旧的人工电量计费模式，实现了电量结算方式的技术革命，降低了抄表、催费的人力投入，为供电***减员增效，降低管理成本创造了有利条件；
2.安全性和工作效率大大提高，电量结算人员可以做到足不出户就可读取实时电能表的数据，极大的提高劳动生产率，同时减少了电量结算人员登杆作业的危险性，因而方便、快捷、安全；
3.避免了电量结算抄表、收费的弊端。原始的手工抄表和收费，以及一些管理上的漏洞，用电管理中存在“关系电、权力电、人情电”现象，线路高损、抄表差错、客户欠费不仅使供电企业蒙受损失，也给用电客户带来了不必要的麻烦。该***的实施，增加了用电透明度，最大限度降低了电费回收风险，也使客户用上了“放心电、满意电”；
4.为科学地发展用电负荷提供帮助。通过智能电能表的负荷平衡分析，在发展新装负荷时，就可以作到有的放矢，避免了由于盲目发展负荷、单项负荷过重所造成的线路损耗；
5.丰富了农电配网的运行管理手段，利用本发明实施运行在农村低压配网，不仅改变了旧有的必须依赖线路运行维护人员眼勤、手勤、腿勤的“三勤”维护方式，也给开展完全数字化、精确化的三率管理，合理调配电能资源，科学地进行运行管理奠定了坚实的基础；
6.本发明而大大降低了调试的人力和物力，降低了的生产成本，很大程度减少了烦琐而大量的基本安全性和可靠性检查工作减少，电力部门就可以投入更多的人力和物力进行其它方面的线路、设备等维护工作。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明所述加密管理模块根密钥生成示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种智能电能表加密管理装置由加密管理模块、发卡管理模块、智能电能表、售电管理模块依序连接组成；
所述加密管理模块由授权卡一、二、三、四，省级主密钥卡、主传输卡，地市级主密钥卡、主传输卡，地市级洗卡母卡、洗卡控制卡依次相连组成；
所述发卡管理模块由用户卡发卡母卡、用户卡、PSAM卡发卡母卡、PSAM卡组成；其中，用户卡发卡母卡、用户卡相连；PSAM卡发卡母卡、PSAM卡相连；
所述售电管理模块为现有技术模块，在供电公司各营业网点、银行、自助终端等安装运行，完成预付费电能表和智能电能表等的售电工作和后台管理工作。主要实现预付费档案管理、预付费售电管理、智能电能表管理、参数设置、报表查询、收费，打收据等多项功能。所述用户卡、PSAM卡与智能电能表、所述售电管理模块依次相连。
如图1所示，所述加密管理模块设置了省、地市两级加密管理，由一级密钥管理***负责生成和保存在下一级使用的密钥母卡，下一级密钥管理***主要发行在本级卡片发行***中使用的各种密钥母卡和发卡母卡。多级模式适用于网级电力公司或省级(包括区域电网)电力公司层面，便于统一管理。与现有单级模式下的主要技术做进一步改进在于：单级模式下，由各地市局掌握各自的密钥母卡，结构相对简单，适用于小规模使用，用户很小的情况；双极模式可对较多用户进行管理，具有冗余设计，适用于网级电力公司或省级电力公司层面大区域的覆盖管理。加密管理对确保智能电能表安全正常使用至关重要，包括模块的初始化、密钥的产生、存储、分配、下装、保护、更新等多个方面。加密管理模块将根密钥生成出电费、计量、采集过程中的各业务根密钥，下装到相应的密钥母卡中；下装了密钥母卡将部署在相应的业务***中运行，以保证各项业务操作安全加密。
所述发卡管理模块结构由用户卡发卡母卡、用户卡、PSAM卡发卡母卡、PSAM卡组成；发卡管理模块主要由用户卡发行、PSAM发行，负责用户卡和PSAM卡的初始化，并用于管理和保护智能电能表数据信息。
所述售电管理模块在供电公司各营业网点、银行、自助终端等安装运行，完成预付费电能表的售电工作和后台管理工作。为最大限度节约资源，合理共享营销信息***的软、硬件资源，本地费控电能表和智能电能表共用一套售电管理***，能够实现预付费档案管理、预付费售电管理、智能电能表管理、参数设置、报表查询、收费，打收据等多项功能。
为保护用户交易的数据安全性和有效性，使数据免受非法用户的攻击。下面将分别针对安全机制中的加密管理、安全认证及数据加密保护说明：
1.加密管理包括从密钥的产生到密钥的销毁的各个方面，如图2本发明所述加密管理模块根密钥生成示意图所示。在安全、可靠、灵活的前提下，安全的产生各级主密钥和各类主密钥，并且将密钥安全的下发给发卡***，用来产生PSAM、用户卡、参数设置卡的各个密钥，确保以上所有环节中密钥的安全性和一致性，实现对密钥的集中安全管理。由的四位最高授权人各输入16字节字符串，分别表示为A、B、C、D，再把这四个16字节字符串转化为字节类型，表示为A*、B*、C*、D*，使用B*对A*进行3DES加密得到E*，使用D*对C*进行3DES加密得到F*。在利用F*对E*进行3DES加密得到G*，取G*的地位前16个字节作为根密钥GKey，存入根密钥卡的指定位置。
2.数据认证：本发明采用的认证方案分为三种：内部认证、外部认证、双向认证。内部认证我们通常也称为身份认证，内部认证的流程如下：对同一个随机数，A、B同时用相对应的密钥进行加密运算，比对加密后得到的密文。如果密文一致，则判定认证通过。外部认证，也称为权限认证，只有通过外部认证才能得到进一步的操作权限。对A做外部认证的流程如下：A从B取一随机数，A用指定的认证密钥对随机数加密得到密文，B用对应的外部认证密钥对密文进行解密。若解密得到的明文与A取到的随机数相同，则认证通过。否则，认证不通过。双向认证即在内部认证的同时也做外部认证。
3.数据加密保护
为了保证数据的可靠性、完整性和认证的实现，***设计数据加密保护，电能表应先解密密文，再验证MAC校验的有效性，验证通过方可进行后续操作；具有防攻击能力。密文形式传输保证了数据的安全可靠性，MAC的加入保证了数据完整性和认证的可靠性。
MAC是消息内容和密钥的公开函数，计算公式为
MAC＝C(M,K)             (1)
C是传递消息内容，K是通信双方共同密钥，C是MAC值的生成算法。仅当C、M、K均有效时，计算出的MAC才有效。认证过程需要以下几个步骤：
步骤1：本发明所述一种智能电能表加密管理装置对命令数据域Q计算出MAC，再使用3DES算法、共同密钥Key1对明文数据域采用MAC进行加密运算，得到密文数据域P。
MAC＝C(Q，Key2)               (2)
P＝E(Q+MAC，Key1)            (3)
步骤2：本发明所述装置将MAC值附加在密文数据P尾部，发送给用户端。即：
A→B:E(Q+MAC，Key1)‖C(Q，Key2)    (4)
步骤3：用户端接收到命令后，先用共同密钥Key1对密文解密，再用Key2对解密得到的MAC值的正确性进行验证。
P*＝E-1(Q+MAC，Key1)          (5)
MAC*＝C-1(Q，Key2)           (6)
步骤4：在确认数据传输有效后，用户端按照接收到的命令，以同样的加密方式应答本发明所述装置。
本发明采用了先进可靠、安全性高的加密算法和加密管理，有利于加强营销管理和提升客户服务水平，为供电企业和公司探索营销模式转变提供了宝贵的指导和借鉴经验。

Claims (2)

1.一种智能电能表加密管理装置，其特征在于，该装置由加密管理模块、发卡管理模块、智能电能表、售电管理模块依序连接组成；
其中，所述加密管理模块由授权卡一、二、三、四，省级主密钥卡、主传输卡，地市级主密钥卡、主传输卡，地市级洗卡母卡、洗卡控制卡依次相连组成；
所述发卡管理模块由用户卡发卡母卡、用户卡、PSAM卡发卡母卡、PSAM卡组成；其中，用户卡发卡母卡、用户卡相连；PSAM卡发卡母卡、PSAM卡相连。
2.使用权利要求1所述的一种智能电能表加密管理装置的数据加密保护方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：对命令数据域Q计算出MAC，再使用3DES算法、共同密钥Key1对明文数据域采用MAC进行加密运算，得到密文数据域P；
MAC是消息内容和密钥的公开函数，计算公式为
MAC＝C(M,K)   (1)
M是传递消息内容，K是通信双方共同密钥，C是MAC值的生成算法，仅当C、M、K均有效时，计算出的MAC才有效；
MAC＝C(Q，Key2)   (2)
P＝E(Q+MAC，Key1)   (3)
步骤2：将MAC值附加在密文数据P尾部，发送给用户端，即：
A→B:E(Q+MAC，Key1)‖C(Q，Key2)
步骤3：用户端接收到命令后，先用共同密钥Key1对密文解密，再用Key2对解密得到的MAC值的正确性进行验证；
P*＝E-1(Q+MAC，Key1)
MAC*＝C-1(Q，Key2)
步骤4：在确认数据传输有效后，用户端按照接收到的命令，以同样的加密方式应答所述装置。
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