[論文レビュー] Privacy-Preserving and Collusion-Resistant Charging Coordination Schemes for Smart Grid

Mohamed Baza, Marbin Pazos-Revilla+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Smart Grid Security and Resilience参考文献 44被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、エネルギー貯蔵ユニット（ESUs）を備えたスマートグリッドを対象に、プライバシー保護型かつ共謀攻撃に耐性のある充電調整方式を2つ提案する—集中型（CCC）と分散型（DCC）である。CCCは匿名でリンク不能なトークン、およびランダム化された充電完了までの時間（TCC）と充電状態（SoC）の値を用いて、リンク可能性を防ぐ。DCCはマスク化された準同型暗号化とプロキシベースのデータ集約を用い、プライバシーを確保するとともに、孤立したマイクログリッドにおける共謀攻撃に耐性を持つ。両方式とも、現実世界の制約下でも効率性とセキュリティを維持する。

ABSTRACT

Energy storage units (ESUs) including EVs and home batteries enable several attractive features of the modern smart grids such as effective demand response and reduced electric bills. However, uncoordinated charging of ESUs stresses the power system. In this paper, we propose privacy-preserving and collusion-resistant charging coordination centralized and decentralized schemes for the smart grid. The centralized scheme is used in case of robust communication infrastructure that connects the ESUs to the utility, while the decentralized scheme is useful in case of infrastructure not available or costly. In the centralized scheme, each energy storage unit should acquire anonymous tokens from a charging controller (CC) to send multiple charging requests to the CC via the aggregator. CC can use the charging requests to enough data to run the charging coordination scheme, but it cannot link the data to particular ESUs or reveal any private information. Our centralized scheme uses a modified knapsack problem formulation technique to maximize the amount of power delivered to the ESUs before the charging requests expire without exceeding the available maximum charging capacity. In the decentralized scheme, several ESUs run the scheme in a distributed way with no need to aggregator or CC. One ESU is selected as a head node that should decrypt the ciphertext of the aggregated messages of the ESUs' messages and broadcast it to the community while not revealing the ESUs' individual charging demands. Then, ESUs can coordinate charging requests based on the aggregated charging demand while not exceeding the maximum charging capacity. Extensive experiments and simulations are conducted to demonstrate that our schemes are efficient and secure against various attacks, and can preserve ESU owner's privacy.

研究の動機と目的

• TCC や SoC といった機微なデータがユーザー行動を露呈する可能性がある、ESUの充電調整におけるプライバシー漏洩を是正すること。
• 充電調整管理者と集約者との間で共謀攻撃が行われても、ユーザーの匿名性が保たれる共謀攻撃に耐性のあるシステムを設計すること。
• 通信能力が優れた集中型スマートグリッドと、接続性が限られた分散型の遠隔マイクログリッドの両方をサポートすること。
• プライバシー保護メカニズム下でも、充電調整が効率的かつスケーラブルに維持されることを保証すること。
• 実世界のスマートグリッド環境への展開に耐える、証明可能に安全かつ実用的なソリューションを提供すること。

提案手法

• CCCでは、各ESUが部分的ブラインド署名を介して匿名でリンク不能なトークンを取得し、識別情報を露呈せずに充電リクエストを認証する。
• ESUsは、時系列的なリンク可能性を防ぐために、切断正規分布から抽出された複数のランダム化されたTCCおよびSoC値を提出する。
• CCは集約されたリクエストに基づいて最適化アルゴリズムを用いて充電スケジューリングを実行し、容量制限内での最大電力供給を達成する。
• DCCでは、各ESUがプロキシESUを選択し、秘密のマスクを共有して個々のリクエストを隠蔽する。
• 準同型暗号化により、マスク化されたリクエストが集約可能であり、個々のプライバシーが保たれる一方で、優先度レベルごとの合計需要のみが可視化される。
• 複数のプロキシを用いることで、攻撃者が複数のノードを乗っ取らなければ個々のデータを再構築できないように、共謀攻撃に対する耐性が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型の充電調整方式では、同じESUからのリクエスト間のリンク可能性を防ぎつつ、ESUのプライバシーを維持できるか？
• RQ2 集中型スマートグリッド環境下で、充電調整管理者とローカル集約者との共謀をどのように防止できるか？
• RQ3 中央管理者に依存せず、分散型の充電調整メカニズムがプライバシーを確保し、共謀攻撃に耐性を持つことができるか？
• RQ4 ランダム化されたTCCおよびSoC値は、充電スケジューリングの正確性と効率性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 従来のFCFS方式や非プライベートな調整方式と比較して、提案手法の性能とオーバーヘッドはどのように異なるか？

主な発見

• CCC方式は、切断正規分布から抽出されたランダム化されたTCCおよびSoC値を用いることで、同一ESUからのリクエスト間のリンク可能性を効果的に防止した。
• CCと集約者が共謀した場合でも、匿名でリンク不能なトークンのおかげで、任意の充電リクエストの真正の送信者を特定できない。
• DCC方式はマスク化された準同型暗号化により強力なプライバシー保護を実現し、参加者に対しては合計需要のみが可視化される。
• プロキシESUの数を増やすことで、DCCモデルにおける共謀攻撃に対する耐性が向上する。
• シミュレーションの結果、提案手法は高負荷の充電需要下でFCFS方式よりも優れたパフォーマンスを示し、通信および計算オーバーヘッドは許容範囲内であった。
• 広範な実験と脅威モデル分析を通じて、既知のプライバシー攻撃および共謀攻撃に対して、両方式とも安全であることが検証された。