[논문 리뷰] Secure and Privacy-Friendly Local Electricity Trading and Billing in Smart Grid

Aysajan Abidin, Abdelrahaman Aly외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 25.

Smart Grid Energy Management인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 개인정보 보호 기반의 분산형 프로토콜을 제안한다. 스마트 그리드에서 국소 전력 거래 및 청구를 위해 보안 다자간 계산(MPC)과 개인 정보 기반 데이터 집계를 활용한다. 거래 프로토콜은 사용자 간에 안전하고 무관심적인 입찰 매칭 및 가격 계산을 가능하게 하며, 온라인 단계에서 2500건의 입찰에 대해 5분 미만으로 실행되어 30분 단위 실시간 거래 기간에 대한 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

This paper proposes two decentralised, secure and privacy-friendly protocols for local electricity trading and billing, respectively. The trading protocol employs a bidding algorithm based upon secure multiparty computations and allows users to trade their excess electricity among themselves. The bid selection and calculation of the trading price are performed in a decentralised and oblivious manner. The billing protocol is based on a simple privacy-friendly aggregation technique that allows suppliers to compute their customers' monthly bills without learning their fine-grained electricity consumption data. We also implemented and tested the performance of the trading protocol with realistic data. Our results show that it can be performed for 2500 bids in less than five minutes in the on-line phase, showing its feasibility for a typical electricity trading period of 30 minutes.

연구 동기 및 목표

• 사용자의 입찰 및 소비 데이터가 사생활 정보를 드러내는 스마트 그리드에서 국소 전력 거래에 대한 안전하고 개인정보 보호 기반의 솔루션 부족을 해결한다.
• 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하거나 세밀한 데이터를 泄露하는 중앙집중식 또는 부분적으로 개인정보 보호 기능이 있는 기존 시스템의 한계를 극복한다.
• 사용자가 민감한 입찰 정보를 드러내지 않고도 재생 가능 에너지를 상호 거래할 수 있도록 분산형, 안전하고 개인정보 보호 기능이 강화된 국소 전력 거래 프로토콜을 설계한다.
• 공급자가 개별 시간대 소비 데이터에 접근하지 않고도 월간 청구서를 계산할 수 있도록 실용적이고 효율적인 청구 프로토콜을 개발한다.
• 실제 스마트 미터링 데이터를 활용해 두 프로토콜을 구현하고 평가하여 실제 환경에서의 실현 가능성과 성능을 입증한다.

제안 방법

• 보안 다자간 계산(MPC) 기법을 활용해 분산형 및 무관심적인 입찰 평가를 가능하게 한다. 이는 Shamir 비밀 분할, 보안 곱셈, 부등식 테스트를 포함한다.
• 정렬 네트워크와 순열 기반 프로토콜을 사용해 개인의 값이 드러나지 않도록 안전하게 입찰 순위를 매기고 매칭하며, 가격 및 배분 계산 과정에서 개인정보 보호를 확보한다.
• 오프라인 단계에서 암호학적 난수를 사전 생성하기 위해 무작위화 기반 프로토콜을 구현해 온라인 계산 오버헤드를 감소시킨다.
• 청구를 위해 개인 정보 기반 데이터 집계 기법을 적용한다. 사용자는 모듈로 M에서 합이 0이 되는 값을 국소적으로 생성하여, 공급자가 원시 데이터를 보지 않고도 최종 청구서만 계산할 수 있도록 한다.
• 단일 신뢰당사자가 없는 완전히 분산된 시스템으로 설계하며, 유일하게 공개되는 것은 최종 결과물(청산 가격 및 총 거래량)뿐이도록 보장한다.
• 시간대별 청구 모델을 적용하여 각 사용자가 ℤ_M에서 L개의 무작위 요소를 선택하고, 이들의 합이 M 모듈로 0이 되도록 하여 집계 과정에서 개별 미터링 데이터가 폭 lộ되지 않도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개인 입찰 정보 泄露를 방지하는 분산형, 안전하고 개인정보 보호 기능이 강화된 국소 전력 거래 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 모든 당사자가 무관심한 방식으로 전력의 청산 가격과 할당을 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ3 공급자가 개별 사용자의 세밀한 소비 데이터에 접근하지 않고도 월간 청구서를 계산할 수 있는 청구 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ4 이러한 프로토콜이 사용자 수와 입찰 수가 현실적인 규모로 증가할 경우, 계산 및 통신 오버헤드는 어떻게 되는가?
• RQ5 제안된 프로토콜이 일반적인 30분 거래 기간 내에서 실시간 거래를 지원할 수 있도록 충분히 효율적으로 구현될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 거래 프로토콜은 2500건의 입찰에 대해 온라인 단계를 5분 미만(235.82초) 내로 완료하여 일반적인 30분 거래 기간 내에서 실현 가능함을 입증한다.
• 2500건의 입찰에 대해 총 온라인 계산 시간은 235.82초이며, 이 중 75%가 메시지 전송에 소요되어 통신이 주요 성능 저하 원인임을 확인한다.
• 프로토콜의 점근적 성능은 이론적 복잡도 분석과 일치하여, 입찰 부하가 증가함에 따라도 확장 가능한 행동을 보인다.
• 정렬 연산이 전체 계산 시간의 약 95%를 차지하여 향후 향상의 주요 최적화 대상임을 확인한다.
• 청구 프로토콜은 계산적으로 경량이며, 사용자 당 국소 무작위화만 필요하고 표준 데이터 교환 외 추가 통신 오버헤드가 없다.
• 2500건의 입찰로 확장되어도 시스템은 효율성을 유지하며, 오프라인 단계는 총 시간에 약 10분만 추가되어 실제 구현에 실현 가능하다.