檢測(cè)并強(qiáng)化對(duì)非侵入式篡改的攻擊

為最大限度地提高效率，電力公司供應(yīng)商必須盡量減少發(fā)電和客戶(hù)分布之間的能量損失。這些損失的一部分包括非技術(shù)性損失，例如盜電造成的損失。一些最普遍的盜電方法包括篡改電表(e-meter)，因?yàn)殡姳硐鄬?duì)來(lái)說(shuō)容易找到。

有多種方法可以篡改儀表。除侵入式篡改方法外，還可在不打開(kāi)儀表外殼的情況下非侵入式地篡改電子儀表。

磁性篡改是非侵入式篡改的最常見(jiàn)形式之一。在儀表附近放置強(qiáng)磁鐵，強(qiáng)磁鐵可能會(huì)使附近的變壓器飽和，從而導(dǎo)致它們癱瘓。具體而言，強(qiáng)磁鐵可能使電源中的變壓器或電流互感器的電流傳感器癱瘓，這可能導(dǎo)致用電用戶(hù)的電費(fèi)低于他們實(shí)際應(yīng)該交納的電費(fèi)。

為應(yīng)對(duì)磁篡改，對(duì)策包括嘗試使用霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)的存在，以及使儀表硬化以防止磁性篡改攻擊。為檢測(cè)磁篡改，三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器可檢測(cè)所有三個(gè)維度中強(qiáng)磁鐵的存在。當(dāng)系統(tǒng)備用電源用完時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器的平均電流消耗很低至關(guān)重要。霍爾效應(yīng)傳感器可通過(guò)外部工作循環(huán)實(shí)現(xiàn)低平均電流消耗，或選擇集成此工作循環(huán)的霍爾效應(yīng)傳感器。

為硬化電源中的變壓器防止磁篡改，一種選擇是屏蔽變壓器；但是，這只在一定程度上有效。第二種選擇是選擇足以應(yīng)對(duì)預(yù)期的磁篡改攻擊的具有完全磁免疫力或磁阻的變壓器。對(duì)于不會(huì)吸收太多電流的系統(tǒng)，第三種選擇是使用不帶任何磁性元件的電容降電源。

與電源中的變壓器類(lèi)似，為硬化電流互感器以防止磁篡改，可選擇屏蔽電流互感器。但是，這只在某種程度上有效。獲得磁免疫電流傳感的最佳方法是使用分流傳感器代替電流互感器。將分流器用于單相儀表相對(duì)簡(jiǎn)單：只需相對(duì)于分流器參考系統(tǒng)。對(duì)于多相電表，將分流器用作傳感器更復(fù)雜。由于分流器沒(méi)有固有的隔離，必須進(jìn)行外部隔離，以防止連接到分流器的器件上出現(xiàn)大的、破壞性的差分電壓。

圖1所示為帶有隔離式分流傳感器的三相系統(tǒng)的功能組件。在該架構(gòu)中，每相一個(gè)獨(dú)立器件測(cè)量分流傳感器兩側(cè)的電壓。這些器件可以是隔離的delta-sigma調(diào)制器或計(jì)量模擬前端（AFE）微控制器（MCU）。由于分流傳感器件是隔離的，因此每個(gè)器件必須具有單獨(dú)的電源。

圖1：具有隔離分流傳感器的多相系統(tǒng)的功能組件

基于其與分流傳感器件通信的能力選擇后端器件（如圖1所示）。例如，若您將隔離調(diào)制器用作分流傳感器件，則選擇帶有數(shù)字濾波器的后端器件。這些數(shù)字濾波器可構(gòu)成獨(dú)立器件的一部分，也可集成在計(jì)量MCU中。或者，若您將計(jì)量AFE用作分流傳感器件，則選擇具有串行外設(shè)接口或通用異步接收器發(fā)送器接口的后端器件。

要計(jì)算有功電能，除客戶(hù)負(fù)載的電流外，還需要測(cè)量電源電壓。電阻分壓器通常將電源電壓轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換器可感測(cè)的范圍。在具有隔離式分流傳感器的多相系統(tǒng)中，您可在同一器件上實(shí)現(xiàn)電源電壓檢測(cè)，以檢測(cè)分流器上的電壓，或者若器件的電壓檢測(cè)與分流檢測(cè)同步，則可在后端器件上實(shí)現(xiàn)。若后端器件正在感測(cè)電壓，則無(wú)需隔離，因?yàn)槿匀豢稍诙嘞嗌蠝y(cè)量電壓，而后端器件上沒(méi)有大的破壞性電壓。

為防止后端器件上的危險(xiǎn)電壓（因?yàn)榉至髌鞅旧聿痪哂懈綦x功能），有必要將通信與分流傳感器件隔離到后端器件。這種隔離可集成在分流傳感器件中，也可是單獨(dú)的數(shù)字隔離器器件。

有兩種方法可實(shí)現(xiàn)隔離分流電流傳感。第一種方法，如圖2所示，涉及使用計(jì)量AFE。在這種方法中，計(jì)量AFE計(jì)算主要計(jì)量（電壓、電流、功率等），而非讓后端器件執(zhí)行這些計(jì)算。在分流傳感器件上計(jì)算這些參數(shù)減少了后端裝置所需的處理，并在計(jì)量和主機(jī)功能之間提供了良好分離。

圖2：使用計(jì)量AFE的隔離分流傳感器

隔離式分流傳感的第二種方法是使分流傳感器件僅檢測(cè)電流，并讓計(jì)量MCU執(zhí)行計(jì)量計(jì)算。圖3所示為此方法的一個(gè)示例。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是它更容易在相位之間進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，例如測(cè)量不同相位之間的角度。

圖3：使用隔離調(diào)制器的隔離分流傳感器

結(jié)論

我們可使用分流電流傳感器和電容降電源設(shè)計(jì)磁免疫電子儀表。

通過(guò)遵循這些防篡改技術(shù)，可阻止或至少減輕儀表篡改事件，從而在供電時(shí)減少效率低下問(wèn)題。