[论文解读] 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 13

一句话总结

本文提出两种隐私保护且抗共谋的智能电网充电协调方案——集中式（CCC）与去中心化（DCC）——适用于配备储能单元（ESUs）的智能电网。CCC 通过使用匿名且不可链接的令牌，以及对完成充电时间（TCC）和荷电状态（SoC）值进行随机化处理，防止请求之间的关联性；DCC 则采用掩码同态加密与基于代理的聚合机制，确保隐私并抵抗孤立微电网中的共谋攻击。两种方案在真实环境约束下均保持高效与安全。

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.

研究动机与目标

• 解决储能单元（ESU）充电协调中的隐私泄露问题，防止敏感数据（如TCC与SoC）暴露用户行为。
• 设计一种抗共谋系统，即使充电协调器与聚合器协同攻击，也无法实现用户去匿名化。
• 支持具备强通信能力的集中式智能电网与通信受限的去中心化远程微电网。
• 确保在隐私保护机制下，充电协调仍具备高效性与可扩展性。
• 为真实世界智能电网环境部署提供可证明安全且实用的解决方案。

提出的方法

• 在CCC中，每个ESU通过部分盲签名获取匿名且不可链接的令牌，以在不暴露身份的情况下认证充电请求。
• ESUs提交从截断正态分布中抽取的多个随机化TCC与SoC值，防止充电协调器（CC）通过时间维度关联同一用户的不同请求。
• CC使用优化算法基于聚合请求进行充电调度，以在容量限制内最大化电力输送。
• 在DCC中，每个ESU选择多个代理ESU，并共享秘密掩码，以在同态加密前混淆个体请求。
• 同态加密支持对掩码后请求的聚合，使得仅每优先级的总需求可见，从而保护个体隐私。
• 使用多个代理可增强对共谋攻击的抵抗能力，因攻击者需攻破多个节点才能重构个体数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 集中式充电协调方案能否在防止同一用户在不同时间槽间请求关联性的同时，保护ESU隐私？
• RQ2 在集中式智能电网环境中，如何防范充电协调器与本地聚合器之间的共谋攻击？
• RQ3 去中心化充电协调机制能否在无中心权威机构依赖下确保隐私并抵抗共谋？
• RQ4 随机化TCC与SoC值对充电调度的准确性与效率有何影响？
• RQ5 与传统先来先服务（FCFS）或非私密协调机制相比，所提方案在性能与开销方面表现如何？

主要发现

• CCC方案通过从截断正态分布中抽取的随机化TCC与SoC值，成功防止了同一ESU在不同请求间的关联性。
• 即使CC与聚合器共谋，也无法通过匿名且不可链接的令牌识别任何充电请求的真实发送者。
• DCC方案通过掩码同态加密实现强隐私保护，确保任何参与者仅可见聚合后的总需求。
• 增加代理ESU数量可显著提升DCC模型对共谋攻击的抵抗能力。
• 仿真结果表明，所提方案在高充电需求下性能优于FCFS，且通信与计算开销可接受。
• 通过大量实验与威胁建模验证，该方案对已知隐私攻击与共谋攻击具备安全性。