智能电表怎么采用篡改检测和保护

半导体

` 本帖最后由 348081236 于 2016-2-25 11:35 编辑

智能电表在优化能源的使用中能发挥极大的灵活性，但也为篡改为盗窃电力提供了机会。除了一些旧形式的物理篡改，这些设备还面临更加复杂形式的黑客攻击。据业内人士分析，每年的窃电金额近900亿美元的全球与世界上的新兴市场包括印度、巴西发生的超过一半，和俄罗斯。同时，窃电是电表本身一样古老，借鉴多种改变表并试图影响仪表的测量能量的输入方法。

例如，传统的模拟式电表众所周知是受到相对简单的物理攻击（图1）。通常情况下，小偷会进入能量表影响测量机制本身或使用磁铁混淆电流传感机制–通常产生一个伪造的减少测量的使用率由50%提高到75%。篡改有关的只是绕过米完全或转接线在实用的米使转子盘向相反的方向–递减功率计数器错误地认为低能耗转动另一个常见的形式。在一个类似的篡改方式，中性线将取消阻止转子运动和停止计数器完全。通常，能量小偷将篡改的证据在白天避免公用事业工人检测。

[tr]图1：传统的模拟式电表有磁性篡改和电流篡改，往往导致使用的测量减少了50%到75%

智能电表

智能电表的出现，既创造了更多偷窃的机会，也产生一套更广泛的篡改检测机制。专门的能源计量系统芯片（SOC）设备，如模拟设备ADE7763，集成71m654xt，和意法半导体stpm01/十整合能量测量和计量功能，在单一芯片上额外的能力。使用这些设备，工程师可以创建一些额外的元件的精密计量的设计（图2）。没有特别的预防措施，但是，这些复杂的智能电表的设计是不容易篡改的，比以前的机械的来说。

图2：工程师可以利用高度集成的片上系统（SOC）的设备与先进的计量能力建设智能电表和简化的连接与智能电网通过附近区域网络（南）和能源管理系统通过家庭局域网络（HAN）

与早期的机械电表相比，智能电表还用外部传感器测量电力使用量。特别是，电流互感器（CT）通常用于计量应用用强磁铁攻击一点脆弱性传感器。放在附近的电流传感器，外部磁铁介绍了饱和的CT设备的核心或扭曲其输出的测量误差。表设计器可以减缓这类篡改采用磁屏蔽或额外的传感器来检测一个强大的外部磁场的存在。另外，工程师可以把基于较少的传感器分流电阻或Rogowski线圈如脉冲电子pa32xxnl系列虽然这些替代品之间的具体选择取决于计量的要求，这两个传感器类型免疫磁场等减轻这类篡改提供了一个有吸引力的方法。

像传统的机械电表，但智能电表仍然容易受到篡改，基于当前的操作方法。这种类型的篡改，能量小偷将中性线、中性线，调剂生活，或故障的负载减少返回电流通过米。在过去，机械米充其量只能采用测量转子旋转方向检测电流篡改相对简单的权宜之计。与基于SoC的智能设计，然而，工程师们可以使用更复杂的方法，电流平衡检查之间的生活和中性线和标志的任何不平衡在篡改的企图。

例如，意法半导体的stpm01 / 10智能电表IC提供内置的篡改检测功能。正常运行时，这些设备测量电流在生活和时域复用方法中性线（图3）。在时间的每个通道的观察，该装置计算活化能的使用。如果设备发现带电和中性线有功电能计量大于一定比例的平均能量，它进入一个篡改的状态。

[tr]图3：意法半导体的stpm01和stpm10智能电表芯片提供一个专门的检测机构，使用活的和中性线电流多路测量发现篡改的企图篡改

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[tr]事实上，如果测量每个通道都是正的或负的，这种方法是有用的。该装置自动进入篡改状态如果两通道的测量有不同的标志；但即使在这种情况下，为其最终能计算设备使用的信道，具有较高的绝对值。工程师可以选择6.25%或12.5%分的门槛，提供一个足够宽的边缘防止篡改事件的虚假标志。此外，单线模式下，该设备采用明显的能量而不是积极能量的篡改检测。最后，以防止篡改设计修改校准参数的尝试，在一次性可编程存储器设备存储校准值。
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更先进的方法

更先进的智能电表的设计，工程师通常将分开模拟前端（AFE）集成电路和MCU提供更准确、更高性能、更多功能，或结合这些属性。而AFE IC提供的测量数据，MCU如德克萨斯仪器设备MSP430家庭或飞思卡尔半导体Kinetis series handles energy calculations and applications execution. In fact, multicore MCUs such as the Atmel sam4c系列和恩智浦半导体lpc43xx系列中经常使用这些设计单独的收益相关的计算应用程序执行–分区计量计算中的一个核心和非收入相关的代码在另一个。

设计师可以增加这些类型的设计与篡改检测功能。例如，实时时钟等意法半导体m41st87w可以记录篡改事件。能够留住他们的内容在电池供电的情况下，这些设备提供了一个相对简单的防篡改方法仍然相对免疫意外或故意断电。

随着通过加密技术保护数据本身的安全使用，电能表的设计需要保证在智能电网通信仍然是受保护的。在这里，用于加密的密钥保护是关键。同样重要的是，需要安全协议保证通信连接是一个认证的主机。对密钥和认证安全、设备如Atmel的cryptoauthentication EEPROM和atecc508aIC可与主机MCU提供安全密钥存储和认证机制的硬件接口。

结论

窃电依赖效用米攻击存在伪造记录能源的使用。随着智能电表的设计运动，工程师需要采用一系列的方法来检测篡改的企图和抵制的能源使用数据的修改。智能仪表设计，工程师可以使用各种各样的篡改检测和保护利用现有的能源计量芯片、MCU的机制，和其他的防篡改保护和安全设备。

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