[论文解读] Secure and Privacy-Friendly Local Electricity Trading and Billing in Smart Grid

Aysajan Abidin, Abdelrahaman Aly+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2018

Smart Grid Energy Management被引用 26

一句话总结

本文提出两种去中心化、隐私保护的智能电网本地电力交易与计费协议，采用安全多方计算（MPC）和私有数据聚合技术。交易协议实现了用户间安全、盲目的出价匹配与价格计算，在在线阶段处理2500笔出价的执行时间低于5分钟，证明了其在30分钟实时交易周期中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 解决智能电网中本地电力交易缺乏安全且隐私保护方案的问题，避免用户出价和用电数据暴露私人生活方式信息。
• 克服现有集中式或部分隐私保护系统依赖可信第三方或泄露细粒度数据的局限性。
• 设计一种去中心化、安全且隐私友好的本地电力交易协议，使用户能够在不泄露敏感出价信息的前提下相互交易过剩的可再生能源。
• 开发一种实用且高效的计费协议，使供应商能够在不访问用户各时间片用电数据的情况下计算月度账单。
• 使用真实智能电表数据实现并评估两种协议，以证明其在现实场景中的可行性与性能表现。

提出的方法

• 采用安全多方计算（MPC）技术，包括Shamir门限秘密共享、安全乘法和不等式测试，实现去中心化且盲目的出价评估。
• 利用排序网络和基于置换的协议，安全地对出价进行排序与匹配，而无需暴露个体数值，确保价格与分配计算过程中的隐私性。
• 在离线阶段采用基于随机化的协议，预先生成密码学随机性，以减少在线计算开销。
• 在计费中应用私有数据聚合技术，用户本地生成模M下和为零的随机值，使供应商仅能计算最终账单，而无法查看原始数据。
• 设计系统为完全去中心化，避免任何单一可信方参与，并确保仅最终结果（出清价格与总交易量）被公开。
• 采用分时计价模型，每位用户从ℤ_M中选择L个随机元素，使其和模M为0，确保在聚合过程中不暴露任何个体计量数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种去中心化、安全且隐私保护的本地电力交易协议，以防止个体出价信息泄露？
• RQ2 如何在对所有参与方均保密的前提下，安全地计算出清价格与电力分配？
• RQ3 是否可以设计一种计费协议，使供应商能够在不访问用户个体细粒度用电数据的情况下计算月度账单？
• RQ4 当用户数与出价数扩展到真实规模时，此类协议的计算与通信开销如何？
• RQ5 所提出的协议是否足够高效，能够支持典型30分钟市场周期内的实时交易？

主要发现

• 所提出的交易协议在在线阶段处理2500笔出价的时间少于5分钟（235.82秒），符合典型30分钟交易周期的时长要求。
• 对于2500笔出价，总在线计算时间为235.82秒，其中75%的时间用于消息传输，表明通信是主要性能瓶颈。
• 协议的渐近性能与理论复杂度分析一致，表现出在出价负载增加时的可扩展性。
• 排序操作占总计算时间的约95%，凸显其为未来优化的关键目标。
• 计费协议计算开销极低，仅需用户本地随机化处理，且通信开销仅限于标准数据交换，无额外通信负担。
• 即使扩展至2500笔出价，系统仍保持高效，离线阶段仅增加约10分钟总时间，使整个流程具备现实部署可行性。