智能网关、智能终端与智能电表的蓬勃发展为智能电网与能源管理领域带来了前所未有的变革，极大地提升了能源管理与智能电网的效率和精细化程度。然而，智能网关、智能终端与智能电表采用椭圆曲线密码学（ECC）[1-4]、匿名[5]、证书[6]、签名[7]或哈希函数加密密钥分配[8-9]分发接入验证技术实现通信安全和数据隐私，但智能网关、智能终端与智能电表作为第三方，其分销渠道在外，因此无论从内部或外部伴随着一系列不容忽视的内部攻击和渠道不安全的隐患。传统的安全防护手段在应对当下复杂多变、日益猖獗的网络攻击和数据泄露威胁时，逐渐暴露出其局限性和脆弱性。
区块链算力技术凭借其去中心化、不可篡改和高度透明的显著特性，为化解这些棘手的安全难题提供了全新的思路和有效的解决方案。其独特的技术架构能够从根本上重塑数据的存储、传输和管理模式，切实保障数据的完整性、真实性和保密性。基于此，本文致力于借助区块链技术的强大力量，精心打造一个更加坚固、可靠的智能网关、智能终端与智能电表系统，需求响应管理，全力守护新型电力系统下能源数据的安全，严密保护用户的隐私不受侵犯与可追溯[10]。区块链支持的系统和服务提高了身份验证、完整性和不变性[11]。这意味着区块链可以促进实现安全、隐私保护和可信的新型电力系统的发展[12]。
1区块链技术的定义
区块链作为一种前沿的分布式数据库技术，区块链技术属于算力技术之一，通过持续不断地构建和扩展数据记录链（即区块），精心维护一个持续增长且井然有序的记录清单。每个区块内部均容纳了一定规模的交易记录，并借助先进的加密技术与前一个区块紧密相连，从而铸就了一条坚如磐石、无法篡改的链条。区块链的核心特性包括去中心化、透明性和不可篡改性。这意味着不存在单一的中央控制节点，所有参与的节点均拥有平等的权利查看完整的交易记录。并且，一旦数据成功被记录到区块链中，任何试图对其进行修改或删除的行为都将变得遥不可及。这种别具一格的技术架构为构建坚实的信任基础、显著提升数据的安全性以及推动多方面的协同合作开辟了崭新的途径[13]。
2智能网关与智能终端及智能电表的发展
智能网关与智能终端及智能电表的迅速发展无疑是现代能源管理领域的一次重大突破。智能终端通过与智能电表的无缝衔接，成功搭建起用户与能源系统之间高效便捷的双向沟通桥梁，使用户能够实时、精准地监控和管理自身的能源消耗状况。这一发展态势带来了诸多显著的优势。它不仅大幅提高了能源使用的效率和透明度，还极大地推动了能源市场的多元化发展，为用户量身定制了更加个性化的服务方案。智能电表凭借其精准无误的测量能力，能够为用户提供详尽且准确的用电数据，助力用户优化能源消费策略，有效降低能源成本。与此同时，智能终端的广泛普及也使得能源供应商能够更加游刃有余地进行需求响应管理，精准调控电网负荷，显著增强整体能源系统的稳定性和可靠性。然而，在未来的发展进程中，我们必须清醒地认识到，在追求技术不断创新和进步的同时，务必高度重视并切实加强安全防护措施的建设，坚决杜绝用户数据被滥用的风险，全力保障系统的稳定、持续、安全运行。本研究基于区块链的智能电网与台区的智能终端与智能电表的安全防护方案[14]。
3现有台区智能网关与智能终端及智能电表的安全问题分析
随着智能网关与智能终端及智能电表在新型电力系统与能源管理领域的广泛渗透和深度应用，一系列严峻的安全挑战日益凸显，亟待我们高度关注和有效解决。数据篡改风险已成为一个极其严重且亟待解决的核心问题。鉴于智能终端和电表在日常运行中需要收集并传输大量高度敏感和关键的数据，这些数据在传输或存储的过程中极易遭受恶意攻击和非法篡改，一旦此类情况发生，将直接导致数据的失真和扭曲，严重影响能源计量的准确性和整个系统的稳定可靠运行。隐私泄露问题同样不容忽视，其潜在的风险和危害不容小觑。智能电表在工作过程中会不可避免地收集用户丰富多样的用电习惯等隐私信息，如果这些宝贵的信息在缺乏严密保护的情况下不慎泄露，将对用户的隐私权构成严重的侵犯和威胁，甚至可能被不法分子恶意利用，用于各种非法和不正当的目的。系统漏洞与攻击是另一个至关重要且亟待解决的关键挑战。智能终端和电表系统在设计、开发和实现的过程中，可能潜在存在各种设计缺陷或实现漏洞，这些漏洞极有可能被黑客敏锐捕捉并恶意利用，从而实现非法访问、控制甚至恶意破坏系统的恶劣行径，给整个能源网络的稳定、安全运行带来巨大的威胁和潜在风险。此外，随着网络攻击手段的不断演进和翻新，传统的安全防护措施往往显得捉襟见肘，难以有效抵御新型的攻击模式和复杂多变的威胁态势。这就迫切要求我们必须持续更新和强化安全防护策略，不断提升安全防护的技术水平和能力，以适应日益复杂和严峻的网络安全形势。
4区块链在智能网关与智能终端及智能电表中的应用分析
在实际应用中，区块链技术已经在智能网关与智能终端及智能电表的安全防护领域展现出了显著的优势。例如，南方电网有限责任公司的科技项目“新一代智能量测体系关键技术研究与应用示范”（zbkjxm20180214）就为我们提供了一个很好的范例。
该项目成功构建了由海量智能电表、台区智能终端（边缘计算节点）和云主站组成的“云 - 边 - 端”AMI系统架构。通过巧妙地量化智能电表数据形成独特的链接指纹，并对其进行编码，然后将这些数据传输到台区智能终端。在此过程中，融入了创新的信用共识机制，用于对数据进行初步分析，极大地强化了AMI系统的安全防护能力。
更为重要的是，该项目将所有台区智能终端视作区块链节点，把各个智能电表的密钥信息作为区块链的交易信息，成功实现了基于区块链的密钥和数据的可靠管理。为了验证这一方案的有效性，项目基于matlab对micazmotes微型无线测量系统获取的接收信号强度指示符(RSSI)数值进行了深入的实验分析。实验结果令人振奋，表明在面对复杂的网络攻击时，该方法不仅表现出色，能够有效抵御攻击，而且具有能耗少、安全性能佳等突出优点。这一成功案例充分展示了区块链技术在智能网关与智能终端及智能电表全防护方面的巨大潜力和广阔应用前景，为未来相关领域的发展提供了宝贵的经验和借鉴。
4.1数据记录与验证
区块链技术在智能网关与智能终端及智能电表中的应用，其关键价值主要体现在数据记录与验证的高度可靠性和安全性方面。通过巧妙运用区块链技术，智能电表所收集的用电数据能够被安全、透明且准确无误地记录在不可篡改的分布式账本之上。每一笔交易数据都经过严格的加密处理，并与前一笔交易紧密关联，从而形成一个连续不断、带有精确时间戳标记的记录链条。这种独特的数据结构最大程度地确保了数据的完整性和可追溯性，任何妄图篡改数据的行为都会在区块链上留下清晰且无法磨灭的痕迹，进而被系统迅速识别并坚决拒绝。相比传统台区的数据记录与验证方式，其通常依赖中心化的数据库，数据容易受到单点故障和恶意攻击的影响，篡改后难以追溯。而区块链的分布式账本和加密技术使得数据篡改几乎不可能，且所有操作都有清晰的记录。此外，区块链的共识机制保证了所有参与节点对数据记录的一致认可，即使部分节点受到攻击或出现故障，也不会影响整个系统的正常运行[15]。
图1基于区块链的智能电网与台区的智能终端与智能电表的安全防护方案图；
4.2智能合约的应用
在智能网关与智能终端及智能电表的实际应用场景中，区块链技术凭借智能合约的巧妙部署，成功实现了能源交易与管理的自动化和去中心化。智能合约作为一种具有前瞻性和创新性的计算机协议，能够自动执行、精确控制并完整记录各类事件和行动，其运行完全基于预先设定的条件和规则，无需任何中介机构的参与。通过智能合约，用户能够与能源市场进行直接、高效和无缝的交互，轻松实现电力的买卖、灵活的需求响应以及动态的定价等一系列复杂功能。而且，合约的执行结果都会被准确无误地记录在区块链上，确保了交易过程的透明性和不可篡改性。传统的能源交易与管理往往需要依赖第三方中介，流程繁琐且效率低下，容易出现人为错误和信息不透明的情况。智能合约则消除了这些弊端，实现了自动化和可信的交易管理[16]。
4.3分布式账本技术
区块链在智能网关与智能终端及智能电表的应用，其核心支撑在于分布式账本技术的有效运用。这一先进技术通过构建去中心化的网络架构，将所有的交易记录均匀分布并存储在多个节点上，确保每个节点都拥有一份完整且一致的账本副本。这种分布式的存储结构不仅大幅提高了数据的冗余度和系统的可靠性，还从根本上确保了数据的透明性和不可篡改性。在智能电表的实际应用场景中，分布式账本技术发挥了巨大作用，使得用电数据能够被安全、准确地记录和共享，任何试图篡改数据的行为都会被网络中的其他节点迅速检测和制止。传统的账本通常集中存储，一旦中心节点出现问题，数据可能丢失或损坏。分布式账本则分散了风险，提高了系统的稳定性和容错性。
5基于区块链的智能网关与智能终端及智能电表安全防护模型
5.1 模型架构
我们提出的基于区块链的智能网关与智能网关与智能终端及智能电表安全防护模型采用了分层架构，包括感知层、网络层、区块链层和应用层。感知层由智能终端和智能电表组成，负责采集能源数据和用户行为数据。网络层则保障数据在感知层与区块链层之间的安全传输。区块链层是模型的核心，包含了分布式账本、共识机制、智能合约和加密模块。分布式账本用于存储所有的交易和操作记录，确保数据的不可篡改和可追溯性。共识机制保证了各个节点对账本状态的一致性认同，防止恶意节点篡改数据。智能合约则定义了各种安全规则和策略，自动执行身份认证、访问控制、异常检测等操作。加密模块对传输和存储的数据进行加密处理，保障数据的机密性。应用层为用户和能源管理机构提供了直观的界面和服务，包括数据查询、报表生成、安全预警等功能。
5.2 组成部分及协作关系
感知层的智能网关与智能终端及智能电表实时采集数据，并通过网络层将数据传输至区块链层。区块链层中的分布式账本安全地记录这些数据，共识机制确保数据的一致性，智能合约根据预设规则对数据进行处理和分析，加密模块保障数据的安全性。当应用层接收到用户的操作请求或能源管理机构的指令时，通过区块链层的智能合约进行权限验证和操作执行，并将结果反馈给应用层进行展示。同时，区块链层中的智能合约会持续监测数据，一旦发现异常，立即触发警报并采取相应的防护措施，如限制访问、隔离设备等。各个层之间紧密协作，共同构建了一个全面、高效的安全防护体系。
6 区块链在智能网关与智能终端及智能电表中的安全防护机制设计
6.1 身份认证与访问控制
在智能网关与智能终端及智能电表的安全防护机制设计中，区块链技术通过强化身份认证与访问控制，为系统提供了更为严密和可靠的安全保障。充分利用区块链的不可篡改性和去中心化特性，为每个用户和设备精心分配唯一的数字身份，并将这些关键身份信息进行加密处理后存储在区块链上。在进行数据访问或交易操作时，系统会借助智能合约对用户的身份和权限进行严格验证，确保只有经过授权的用户或设备才有资格执行特定的操作。这种基于区块链的先进身份认证与访问控制机制，有效地杜绝了未授权访问和数据泄露的风险，为智能终端与电表的安全稳定运行奠定了坚实的基础。传统的身份认证方式可能存在密码被盗用、认证服务器被攻击等风险，而区块链的去中心化身份认证增加了攻击者的难度，提高了安全性。
5.4数据加密与传输安全
在智能网关与智能终端及智能电表的安全防护机制设计中，区块链技术通过采取一系列的数据加密与传输安全措施，确保了信息在传输过程中的机密性和完整性。所有在区块链网络中传输的数据都经过高强度的加密算法处理，即使数据在传输过程中不幸被截获，未授权的第三方也几乎无法对其进行解读和利用。此外，区块链的分布式特性使得数据不再集中存储于单一的中心服务器上，而是分散存储在网络的多个节点之中，这一特性大大降低了单点故障的风险，并显著增强了数据抵御外部攻击的能力。通过上述一系列措施的综合运用，区块链为智能终端与电表的数据安全提供了坚不可摧的防护屏障。传统的数据加密与传输方式可能存在加密算法被破解、中心服务器被入侵导致大量数据泄露的问题，区块链的加密和分布式存储则提供了更高级别的安全保障。
5.5异常检测与响应
在智能网关与智能终端及智能电表的安全防护机制设计中，区块链技术通过引入高效的异常检测与响应机制，显著提升了系统的安全监控能力和应急处理能力。在区块链网络中，每个节点都能够积极参与到异常行为的检测工作中，通过预先设定的智能合约规则，对交易和操作进行实时、精准的监控。一旦发现任何异常活动，系统会在第一时间自动触发响应措施，迅速采取行动，如隔离异常节点、暂停相关交易等，以防止潜在的安全威胁进一步扩散和恶化。这种去中心化的异常检测机制不仅极大地提高了检测的准确性和及时性，还能够在最短的时间内快速隔离和处理潜在的安全威胁，确保智能终端与电表系统始终保持稳定、可靠的运行状态。
通过区块链技术的应用，异常检测与响应变得更加自动化和高效，为能源管理系统的安全提供了额外的保障。传统的异常检测往往依赖中心化的监控系统，可能存在检测不及时、误报漏报等问题。区块链的去中心化异常检测机制则充分利用了网络中多个节点的力量，提高了检测的效率和准确性[17]。
结束语
总之，通过对基于区块链的智能电网台区智能网关、智能终端与智能电表安全防护方法的深入研究和探索，我们成功提出了一套全面、高效且具有前瞻性的安全防护机制。提出其安全防护机制应用区块链的密钥安全关键协议方法建议优先采用SKE、DPPDA、MAS、DBACP-IoTSG等方法协议应用，这些机制不仅在当前能够有效地应对各种复杂多变的安全挑战，还为未来能源管理系统的发展提供了坚实、可靠的技术支撑。然而，必须清醒地认识到，区块链技术在实际应用中仍然面临诸多挑战，如性能优化、标准化制定以及不同系统之间的互操作性等问题。这些都需要我们持续投入大量的研究资源和创新力量，不断探索和突破，以推动区块链技术在新型电力系统与能源管理领域的广泛应用和健康发展。
参考文献
[1]Kumar, N.; Aujla, G.S. ECCAuth: A secure authentication protocol for demand response management in a smart grid system. IEEE Trans. Ind. Informat. 2019, 15, 6572–6582.
[2].Garg, S.; Kaur, K. Secure and lightweight authentication scheme for smart metering infrastructure in smart grid. IEEE Trans. Ind. Informat. 2020, 16, 3548–3557.
[3] Abbasinezhad-Mood, D.; Nikooghadam, M. An anonymous ECC-based self-certified key distribution Scheme for the Smart Grid. IEEE Trans. Ind. Electron. 2018, 65, 7996–8004.
[4] Feng, W. A Lightweight Anonymous Authentication Protocol for Smart Grid. In Proceedings of the 2021 13th International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC), Hangzhou, China, 21–22 August 2021.
[5]Mahmoud, M.M.E.A.; Miši´c, J. Investigating public-key certificate revocation in smart grid. IEEE Internet Things J. 2015, 2, 490–503.
[6]Saxena, N.; Grijalva, S. Efficient signature scheme for delivering authentic control commands in the smart grid. IEEE Trans. Smart Grid 2018, 9, 4323–4334.
[7] Aghapour, S.; Kaveh, M. An ultra-lightweight mutual authentication scheme for smart grid two-way communications. IEEE Access 2021, 9, 74562–74573.
[8] Nicanfar, H.; Jokar, P. Efficient authentication and key management mechanisms for smart grid Communications. IEEE Syst. J. 2013, 8, 629–640.
[9] Tsai, J.-L.; Lo, N.-W. Secure anonymous key distribution scheme for smart grid. IEEE Trans. Smart Grid 2016, 7, 906–914.
[10] Zheng, Z.; Xie, S.; Dai, H.; Chen, X.; Wang, H. An overview of blockchain technology: Architecture, consensus, and future trends. In Proceedings of the 2017 IEEE International Congress on Big Data (BigData Congress), Honolulu, HI, USA, 11 September 2017
[11]Tsang, Y.P.; Wu, C.H.; Ip, W.H.; Shiau, W.-L. Exploring the intellectual cores of the blockchain–Internet of Things (BIoT). J. Enterp. Inf. Manag. 2020, 34, 1287–1317.
[12]Mollah, M.B.; Zhao, J.; Niyato, D.; Lam, K.-Y.; Zhang, X.; Ghias, A.M.Y.M.; Koh, L.H.; Yang, L. Blockchain for Future Smart Grid: A Comprehensive Survey. IEEE Internet Things J. 2021, 8, 18–43.
[13]杨云丹.基于区块链的电能量数据可信共享研究[D].北京邮电大学,2023.
[14]马鑫堃,李英娜,李申章.基于区块链技术的电网数据隐私保护与共享方法[J].电力科学与工程,2023,39(05):1-9.
[15]苏斌,张雅,李程,张健,李小军,杨汉军,廖强强.基于区块链技术的低压台区全状态信息管理系统[J].上海节能,2023,(02):187-194.
[16]甄自竞,刘柱,王利民,宋泽华.基于区块链技术的配电网分布式台区终端系统设计[J].浙江电力,2021,40(05):30-35.
[17]翟峰,杨挺,曹永峰,李双全.基于区块链与K-means算法的智能电表密钥管理方法[J].电力自动化设备,2020,40(08):38-46.
