智能電表可以在優(yōu)化能源使用方面提供極大的靈活性，但也可以通過篡改提供額外的竊電機(jī)會。除了容易受到舊形式的物理篡改之外，這些設(shè)備還面臨著黑客攻擊的更復(fù)雜形式。對于工程師而言，防篡改智能電表設(shè)計(jì)可以建立在廣泛的設(shè)計(jì)方法和復(fù)雜設(shè)備之上，包括ADI公司，Atmel，飛思卡爾半導(dǎo)體，Maxim Integrated，恩智浦半導(dǎo)體，脈沖電子，意法半導(dǎo)體和德州儀器等制造商。

據(jù)行業(yè)分析師稱，全球每年的電力盜竊數(shù)量接近900億美元，其中一半以上發(fā)生在世界新興市場，包括印度，巴西和俄羅斯。與此同時，電力盜竊與公用事業(yè)儀表本身一樣古老，并利用各種方法改變儀表及其輸入，以試圖影響儀表的能量測量。

例如，眾所周知，傳統(tǒng)的模擬電表很容易受到相對簡單的物理攻擊（圖1）。通常，能量竊賊會闖入儀表以影響測量機(jī)構(gòu)本身或使用磁鐵來混淆電流感應(yīng)機(jī)制 - 通常導(dǎo)致測量使用量的偽造減少50％至75％。另一種常見的篡改形式包括簡單地完全繞過儀表或在儀表的公用設(shè)施側(cè)切換電線以使轉(zhuǎn)子盤沿相反方向旋轉(zhuǎn) - 減少瓦數(shù)計(jì)數(shù)器以錯誤地指示較低的能量使用。在類似的篡改方法中，中性線將被移除以停止轉(zhuǎn)子運(yùn)動并完全停止計(jì)數(shù)器。通常，能量竊賊會在白天消除篡改的證據(jù)，以避免公用事業(yè)工作人員檢測到。

圖1：傳統(tǒng)的模擬電能表易受磁篡改和電流篡改的影響，通常會導(dǎo)致測量使用量減少50％至75％。智能電表本身仍然容易受到相同問題的影響，但提供額外的機(jī)制來檢測篡改。

智能電表

智能電表的出現(xiàn)既為盜竊創(chuàng)造了額外的機(jī)會，也啟用了智能電表。更廣泛的復(fù)雜的篡改檢測機(jī)制。 ADI公司的ADE7763，Maxim Integrated 71M654xT和STMicroelectronics STPM01/10等專用電能計(jì)量片上系統(tǒng)（SoC）器件將能量測量和計(jì)量功能與單芯片上的附加功能集成在一起。使用這些設(shè)備，工程師可以使用少量附加組件創(chuàng)建復(fù)雜的計(jì)量設(shè)計(jì)（圖2）。然而，如果沒有特殊的預(yù)防措施，這些先進(jìn)的智能電表設(shè)計(jì)與早期的機(jī)械設(shè)備相比，本身就不易受到篡改。

圖2：工程師可利用高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備構(gòu)建具有復(fù)雜計(jì)量功能的智能電表，并通過近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（NAN）和能源管理系統(tǒng)簡化與智能電網(wǎng)的連接通過家庭網(wǎng)絡(luò)（HAN）。 （由Maxim Integrated提供）

與早期的機(jī)械配件一樣，智能電表仍然依賴外部傳感器來測量能耗。特別是，通常用于計(jì)量應(yīng)用的電流互感器（CT）傳感器對使用強(qiáng)磁鐵的攻擊存在脆弱性。外部磁鐵放置在電流傳感器附近，通過使CT設(shè)備的磁芯飽和或者使其輸出失真來引入測量誤差。儀表設(shè)計(jì)人員可以通過使用磁屏蔽或額外的傳感器來檢測是否存在強(qiáng)大的外部磁場，從而減輕這種類型的篡改?；蛘撸こ處熆梢愿鶕?jù)分流電阻器或Rogowski線圈（如Pulse Electronics PA32XXNL系列）轉(zhuǎn)向靈敏度較低的傳感器。雖然這些替代方案之間的具體選擇取決于計(jì)量要求，但這兩種傳感器類型都不受磁場影響，因此提供了一種有吸引力的方法來減輕這種類型的篡改。

然而，與傳統(tǒng)的機(jī)械儀表一樣，智能儀表仍然容易受到基于當(dāng)前操縱的篡改方法的影響。通過這種類型的篡改，能量竊賊將移除中性線，交換帶電線和中性線，或者使負(fù)載故障以減少通過儀表的返回電流。在過去，機(jī)械儀表最多可以采用相對簡單的測量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和方向的權(quán)宜之計(jì)來檢測電流篡改。然而，通過基于SoC的智能設(shè)計(jì)，工程師可以采用更復(fù)雜的方法來檢查帶電和中性線之間的電流平衡，并將任何不平衡標(biāo)記為試圖篡改。

例如，STMicroelectronics STPM01/10智能電表IC提供內(nèi)置的篡改檢測功能。在正常操作期間，這些器件采用時域多路復(fù)用方法測量帶電和中性線中的電流（圖3）。在觀察每個通道的時間內(nèi)，設(shè)備計(jì)算活動能量使用。如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)帶電和中性線的有功電能測量值大于平均能量的某個百分比，則進(jìn)入篡改狀態(tài)。

圖3：STMicroelectronics的STPM01和STPM10智能電表IC提供專用的篡改檢測機(jī)制，使用實(shí)時和中性線的多路測量來查找目前的篡改企圖。 （由STMicroelectronics提供）

事實(shí)上，如果每個通道的測量結(jié)果均為正或負(fù)，則此方法有效。如果兩個通道的測量值具有不同的符號，則設(shè)備自動進(jìn)入其篡改狀態(tài);但即使在這種情況下，對于其最終的能量計(jì)算，該設(shè)備使用具有較高絕對值的通道。工程師可以選擇6.25％或12.5％的差異閾值，提供足夠?qū)挼挠嗔恳苑乐勾鄹氖录腻e誤指示。此外，在單線模式下，器件使用視在能量而不是有效能量進(jìn)行篡改檢測。最后，為了防止用于修改校準(zhǔn)參數(shù)的篡改嘗試，設(shè)備將校準(zhǔn)值存儲在一次性可編程存儲器中。

高級米

對于更高級的智能電表設(shè)計(jì)，工程師通常將單獨(dú)的模擬前端（AFE）IC和MCU組合在一起，以提供更高的準(zhǔn)確性，更高的性能，更多的功能或這些屬性的組合。雖然AFE IC提供測量數(shù)據(jù)，但是諸如德州儀器（TI）的MSP430系列器件或飛思卡爾半導(dǎo)體的Kinetis系列等MCU可處理能量計(jì)算和應(yīng)用程序執(zhí)行。實(shí)際上，這些設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用Atmel SAM4C系列和NXP Semiconductors LPC43xx系列等多核MCU，以便將與收入相關(guān)的計(jì)算與應(yīng)用程序執(zhí)行分開 - 將計(jì)量計(jì)算劃分為一個核心，將非收入相關(guān)的代碼劃分到另一個核心。

設(shè)計(jì)人員可以使用篡改檢測功能來增強(qiáng)這些類型的設(shè)計(jì)。例如，STMicroelectronics M41ST87W等實(shí)時時鐘可以記錄篡改事件。這些設(shè)備能夠保留其電池供電內(nèi)容，提供相對簡單的防篡改方法，相對不受意外或有目的的電源故障的影響。

除了通過使用加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)本身外，安全的電表設(shè)計(jì)還需要確保整個智能電網(wǎng)的通信得到保護(hù)。在這里，保護(hù)用于加密的密鑰至關(guān)重要。同樣重要的是，需要安全協(xié)議來確保與經(jīng)過身份驗(yàn)證的主機(jī)建立通信連接。對于密鑰和身份驗(yàn)證安全性，Atmel的CryptoAuthentication EEPROM和ATECC508A IC等設(shè)備可以與主機(jī)MCU連接，以提供安全的密鑰存儲和基于硬件的身份驗(yàn)證機(jī)制。

結(jié)論

電力盜竊依賴于對公用事業(yè)儀表的攻擊，以呈現(xiàn)偽造的能源使用記錄。隨著智能電表設(shè)計(jì)的發(fā)展，工程師需要采用一系列方法來檢測篡改企圖并抵制能源使用數(shù)據(jù)的修改。對于智能電表設(shè)計(jì)，工程師可以使用各種篡改檢測和保護(hù)機(jī)制，使用可用的能量計(jì)量SoC，MCU和其他篡改保護(hù)和安全設(shè)備。