檢測并強化對非侵入式篡改的攻擊
前言：
作者：Akshay Mehta，Sreenivasa Kallikuppa
為最大限度地提高效率，電力公司供應商必須盡量減少發電和客戶分布之間的能量損失。這些損失的一部分包括非技術性損失，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)，因為電表相對來說容易找到。
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形式之一。在儀表附近放置強磁鐵，強磁鐵可能會使附近的變壓器飽和，從而導致它們癱瘓。具體而言，強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，這可能導致用電用戶的電費低于他們實際應該交納的電費。
為應對磁篡改，對策包括嘗試使用霍爾效應傳感器檢測磁場的存在，以及使儀表硬化以防止磁性篡改攻擊。為檢測磁篡改，三個霍爾效應傳感器可檢測所有三個維度中強磁鐵的存在。當系統備用電源用完時，霍爾效應傳感器的平均電流消耗很低至關重要?；魻栃獋鞲衅骺赏ㄟ^外部工作循環實現低平均電流消耗，或選擇集成此工作循環的霍爾效應傳感器。
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對預期的磁篡改攻擊的具有完全磁免疫力或磁阻的變壓器。對于不會吸收太多電流的系統，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簡單：只需相對于分流器參考系統。對于多相電表，將分流器用作傳感器更復雜。由于分流器沒有固有的隔離，必須進行外部隔離，以防止連接到分流器的器件上出現大的、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的功能組件。在該架構中，每相一個獨立器件測量分流傳感器兩側的電壓。這些器件可以是隔離的delta-sigma調制器或計量模擬前端（AFE）微控制器（MCU）。由于分流傳感器件是隔離的，因此每個器件必須具有單獨的電源。
圖1：具有隔離分流傳感器的多相系統的功能組件
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，若您將隔離調制器用作分流傳感器件，則選擇帶有數字濾波器的后端器件。這些數字濾波器可構成獨立器件的一部分，也可集成在計量MCU中。或者，若您將計量AFE用作分流傳感器件，則選擇具有串行外設接口或通用異步接收器發送器接口的后端器件。
要計算有功電能，除客戶負載的電流外，還需要測量電源電壓。電阻分壓器通常將電源電壓轉換為模數轉換器可感測的范圍。在具有隔離式分流傳感器的多相系統中，您可在同一器件上實現電源電壓檢測，以檢測分流器上的電壓，或者若器件的電壓檢測與分流檢測同步，則可在后端器件上實現。若后端器件正在感測電壓，則無需隔離，因為仍然可在多相上測量電壓，而后端器件上沒有大的破壞性電壓。
為防止后端器件上的危險電壓（因為分流器本身不具有隔離功能），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，也可是單獨的數字隔離器器件。
有兩種方法可實現隔離分流電流傳感。第一種方法，如圖2所示，涉及使用計量AFE。在這種方法中，計量AFE計算主要計量（電壓、電流、功率等），而非讓后端器件執行這些計算。在分流傳感器件上計算這些參數減少了后端裝置所需的處理，并在計量和主機功能之間提供了良好分離。
圖2：使用計量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電流，并讓計量MCU執行計量計算。圖3所示為此方法的一個示例。這種架構的優點是它更容易在相位之間進行參數計算，例如測量不同相位之間的角度。
圖3：使用隔離調制器的隔離分流傳感器
結論
我們可使用分流電流傳感器和電容降電源設計磁免疫電子儀表。
通過遵循這些防篡改技術，可阻止或至少減輕儀表篡改事件，從而在供電時減少效率低下問題。
