一种分布式微型逆变器组网数据加密传输方法与流程

本发明属于数据安全传输，尤其涉及一种分布式微型逆变器组网数据加密传输方法。

背景技术：

1、在分布式光伏系统中，微型逆变器通常分散安装在户外，并通过电力线载波与数据采集器传输运行数据，由于各节点缺少物理防护，预置在设备中的固定密钥存在被提取和泄露的风险，为减少静态密钥泄露带来的安全隐患，同时避免非对称加密造成较大的计算延时，现有技术通常采用无需握手的隐式密钥衍生方式，将并网点电场随时间产生的扰动特征作为同步因子，在通信双方分别生成临时密钥，该方式不需要额外传输密钥协商报文，能够减少通信开销，较为适合衰减较大的电力线载波信道，但是，这种方式应用于实际电网环境时，容易受到测量误差的影响，微型逆变器中的高频开关器件会产生电磁干扰，负载切换也会造成相位抖动，使通信两端在采集交流电压过零点时出现不一致的微秒级随机偏差，当电网频率扰动接近迟滞量化阈值时，即使两端的测量结果仅有很小差异，也可能使生成的电场熵向量出现个别比特翻转。

2、单向伪随机算法对输入数据的变化较为敏感，一个比特的差异就可能产生雪崩效应，使通信两端生成的临时密钥完全不同，进而造成认证校验失败，为补偿上述测量偏差，现有方法通常扩大接收端的时间滑窗范围，并尝试不同的比特组合，由于这种方法无法预先确定发生偏差的比特位置，只能进行大范围搜索，数据采集器的计算量会随搜索范围迅速增加，在多个微型逆变器节点同时传输数据时，该搜索过程容易占用大量微控制器资源，造成指令处理延迟，难以满足系统对通信时效性的要求，例如，公开号为cn119805942a的中国发明专利申请公开了一种基于分布式太阳能光伏发电控制系统的优化方法，通过ssl安全加密模块与云平台纵向加密机制完成数据包的多次加密和密钥动态更新，然而，此类依赖显式协议握手与多级网络交互的加密方式，在户外分布式微型逆变器节点微控制器算力受限且电力线载波信道易受强烈脉冲噪声干扰的客观工况下，频繁的报文握手及重传易占用通信带宽，导致数据响应延时增加或链路中断。

3、因此，如何在不增加网络握手开销的情况下，降低物理信道局部噪声对动态密钥一致性的影响，并避免大范围容错搜索造成计算资源占用过高，仍是需要解决的问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种分布式微型逆变器组网数据加密传输方法，包括：

2、步骤s1，微型逆变器节点与数据采集器测量交流电压过零点时间间隔，依据连续交流电网周期的过零点时间间隔偏差完成迟滞量化提取二进制电场微扰熵向量，同步计算过零点时间间隔偏差相对于迟滞量化阈值的临界距离，将落入预设临界边界区间的量化位判定为低置信度比特生成置信度掩码向量；

3、步骤s2，微型逆变器节点将节点标识符、数据包计数器与二进制电场微扰熵向量拼接构建动态熵源向量，并将预置基础根密钥与动态熵源向量输入单向伪随机衍生函数计算生成单次传输临时密钥；

4、步骤s3，微型逆变器节点采用单次传输临时密钥对待传输明文数据加密生成密文，并利用单次传输临时密钥对密文、数据包计数器、节点标识符与置信度掩码向量计算消息认证码提取认证标签，将节点标识符、数据包计数器、置信度掩码向量、密文与认证标签封装构建安全数据帧发送至数据采集器；

5、步骤s4，数据采集器接收安全数据帧并提取置信度掩码向量，依据本地电网特征库提取候选电磁熵向量重构候选密钥并校验认证标签，校验未通过时依据置信度掩码向量锁定低置信度比特位置，在预设汉明距离界限内仅对低置信度比特展开翻转组合重构候选密钥，比对一致时解密密文获取运行数据明文。

6、优选的，步骤s1包括：步骤s11，微型逆变器节点与数据采集器分别通过硬件过零检测电路触发微控制器捕获引脚，连续测量16个交流电网周期的时间长度，将各交流电网周期的时间长度与额定周期时长20000μs相减，计算生成16个过零点时间间隔偏差；其中，捕获引脚的时钟分辨率为1μs，硬件过零检测电路将交流电压信号转换为方波信号并输入捕获引脚。

7、优选的，步骤s1包括：步骤s12，采用双阈值迟滞量化逻辑，设定迟滞量化阈值，当过零点时间间隔偏差大于迟滞量化阈值时，对应量化位记为1；当过零点时间间隔偏差小于迟滞量化阈值的相反数时，对应量化位记为0；当过零点时间间隔偏差大于等于迟滞量化阈值的相反数且小于等于迟滞量化阈值时，对应量化位保持上一交流电网周期的量化状态，生成16位二进制电场微扰熵向量。

8、优选的，步骤s1包括：步骤s13，设定临界缓冲区间长度，计算各交流电网周期的过零点时间间隔偏差与迟滞量化阈值正负边界的绝对距离；当绝对距离小于等于临界缓冲区间长度时，判定对应交流电网周期的量化位为低置信度比特，在与二进制电场微扰熵向量相同长度的置信度掩码向量中将对应比特位赋值为0，否则赋值为1。

9、优选的，步骤s3包括：步骤s31，采用aes-128-ctr对称流加密模式，拼接节点标识符与数据包计数器并补零生成加密初始向量，采用单次传输临时密钥与加密初始向量对待传输明文数据加密；待传输明文数据包含当前输出功率、母线电压与温度传感器采集的温度数据。

10、优选的，步骤s3包括：步骤s32，利用单次传输临时密钥，将密文、数据包计数器、节点标识符与置信度掩码向量拼接构建字节消息，将字节消息输入hmac-sha256函数计算哈希消息认证码，截取哈希消息认证码的前8字节作为64位认证标签。

11、优选的，步骤s3包括：步骤s33，按序将4字节节点标识符、4字节数据包计数器、2字节置信度掩码向量、32字节密文与8字节认证标签组帧，构建50字节固长安全数据帧，通过电力线载波总线或无线子吉赫兹信道发送至数据采集器。

12、优选的，步骤s4包括：步骤s41，数据采集器依据接收时间戳定位电网周期索引，设定时间偏移补偿窗口范围，按时间偏移量提取对应窗口与邻近补偿窗口的16个交流电网周期过零点时间间隔，构建多个候选电磁熵向量。

13、优选的，步骤s4包括：步骤s42，设定允许翻转的最大比特数，数据采集器仅在置信度掩码向量中赋值为0的比特索引集合内翻转组合不超过最大比特数的量化位，生成二次候选电磁熵向量以重构候选密钥；若时间偏移补偿窗口范围内所有候选窗口与翻转组合均无法匹配认证标签，则判定安全数据帧非法并丢弃安全数据帧。

14、相对于现有技术，本发明一种分布式微型逆变器组网数据加密传输方法，具有以下优势：

15、1、在分布式微型逆变器组网数据加密传输中，利用置信度掩码向量标记二进制电场微扰熵向量中容易因测量偏差发生变化的低置信度比特，使数据采集器能够直接确定可能出现差异的比特位置，当通信两端提取的熵向量存在少量比特偏差时，仍可有针对性地重构候选密钥，避免单向伪随机衍生函数因输入比特变化而造成临时密钥完全失配，由此，无需增加密钥协商报文，即可减小随机测量漂移对密钥同步的影响，提高复杂电磁环境下的数据解密成功率。

16、2、本发明采用随电网扰动变化的二进制电场微扰熵向量生成单次传输临时密钥，并在接收端结合置信度掩码向量和时间偏移补偿窗口重构候选密钥，该方式将需要尝试的范围限制在可能出现偏差的采样时段和低置信度比特位置，避免对全部比特组合进行盲目搜索，能够减少候选密钥重构所需的计算量，因而，在多个微型逆变器节点并发传输数据时，可降低数据采集器的处理负担，减少因计算资源占用过高造成的响应延迟，更适合计算能力和存储资源有限的微控制器。