智能电网中安全可靠的通信系统的构建

摘要

智能电网是一种新兴技术，代表了一种全新的能源管理模式。它通过将信息技术植入传统电力基础设施的方式，实现了电力设备之间的无缝互联，以及电流和信息流的双向流动。凭借这种灵活配置的能量流和信息流，各式各样的管理自动化应用可以广泛的使用在智能电网中，从而显著提高系统的有效性，灵活性，智能化，和可靠性。然而，未来电网的这些美好的设想对智能电网的通信系统提出了很多挑战。特别是作为一种典型的网络物理系统，智能电网中几乎全部的应用都受制于通信系统的信息传输质量。比如，信息传输的成败直接决定了投递给用户的电能质量，实时电价的走势，设备控制的成败，甚至整个系统状态的维护。而信息传输的质量又与异构的组网技术，多样的通信要求，面对恶意攻击的脆弱程度，以及应对设备的随机故障能力的强弱等等因素息息相关。
　　为了能够更有效的使用信息技术为能量管理服务，我们必须对智能电网通信系统的性能、安全性和可靠性有全面准确的了解。为此，我们首先通过对智能电网典型用例的分析提炼通信场景中的关键性能指标。通过分析，我们发现，信息发送时严格的时延要求是智能电网通信系统中最典型、最敏感的性能指标。满足时延要求的信息传输才是成功的，才能驱动相应的设备发出控制动作。相反，任何不满足时延要求的信息投递都是失败的，它们将使设备错过正确的动作时机，从而使系统控制指令失效。围绕这一问题，我们以未来可再生能源投递和管理系统为例，进行了一系列的实验研究。我们重点关注了电网通信系统性能评估中的三个基本方面，包括通信协议的效率，安全协议对系统的性能影响，以及在设备随机故障条件下的系统可靠性。其中，前两个方面的研究致力于为特定的电网自动化应用寻找合适的通信协议和安全机制，而后一个方面则重点关注了设备故障对网络结构以及系统可靠性的影响。
　　本文的主要工作集中在以下四个方面。首先，我们基于现有的有线和无线通信技术为实际的电力设备设计开发了通信原型系统，使不同电力设备之间能够互联互通。其次，利用这套原型系统我们获得了第一手的性能测试结果，可以用于评价通信协议在不同智能电网应用中的适用性。第三，我们研究了多种安全协议对重要控制信息传输的性能影响，为未来创新的安全协议的设计从系统性能角度给出了建议和设计原则。最后，我们通过仿真实验验证了智能电网中潜在的迭代级联故障扩散现象。这种现象产生于智能电网独特的双网络耦合结构，对系统可靠性有着破坏性的影响。通过仿真结果，我们定性的给出了减轻这种灾害性系统行为的策略，为下一步精确的数学建模提供了必须的实验数据。
　　概括来说，论文中的工作介绍了智能电网通信系统构建的实际经验，以及基本的性能特征。从网络性能的角度解构了电网的通信系统，将更加有益于电力工程师基于通信系统能力设计更加智能、更为符合控制要求的电网智能管理系统。

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摘要

Abstract

Table of Contents

Chapter 1 Introduction

§1．1 Motivation

§1．2 Research Objectives

1．2．1 Understanding Communication Infrastructures in the Smart Grid

1．2．2 Understanding Security Protections of Time-critical Control Messages

1．2．3 Demonstrating Iterative Cascading Failures in the Smart Grid

§1．3 Contributions

§1．4 Organization

Chapter 2 Communication Infrastructures towards the Smart Grid：Design，Implementation and Evaluation

§2．1 FREEDM Visions

2．1．1 System Overview

2．1．2 Communication Scenarios

2．1．3 Communication Requirements

2．1．4 Summarized Challenges

§2．2 GREEN HUB：A FREEDM System Demo

2．2．1 Physical Architecture of Green Hub

2．2．2 DNP3-based Communication Infrastructure of Green Hub

2．2．3 Implementations of DNP3-based Communication Infrastructure

§2．3 Communication Performances of Green Hub

2．3．1 Experiment Setup

2．3．2 EvaluationⅠ：Performance of the Communication Infrastructure

2．3．3 EvaluationⅡ：Baseline Performance of the DNP3 over TCP／IP frame-work

2．3．4 EvaluationⅢ：Practical Performance of the DNP3 over TCP／IP Framework in Green Hub

§2．4 Summary

Chapter 3 Security Protections of Time-Critical Control Messages in Substation Automation Systems

§3．1 Preliminary of Substation Automation Systems in the Smart Grid

3．1．1 Single Line Diagram of a Substation

3．1．2 System Architecture of Substation Automation

3．1．3 Security and Performance Requirements

§3．2 Security Scheme Candidates

3．2．1 RSA

3．2．2 Message Authentication Code

3．2．3 One-Time Signature

§3．3 A Small-Scale SAS Prototype

3．3．1 IEC61850-based Substation Automation System

3．3．2 Implementations of the SAS Prototype

§3．4 Performance Results and Analysis

3．4．1 Performance Metric

3．4．2 Parameter Settings

3．4．3 Measurements of Security Schemes

3．4．4 Analysis of Data Origin Authentication Schemes

§3．5 Summary

Chapter 4 System Resilience of the Interdependent Networks in the Smart Grid

§4．1 Cyber and Power Coupled Networks

4．1．1 Coupled Network Architecture

4．1．2 Interdependent Behaviors in the Fault Management

§4．2 INDEPNETSim：A Co-Simulation Framework for Interdependent Networks

4．2．1 Simulations of Message Transmissions

4．2．2 Simulations of Electricity Deliveries

§4．3 Performance Results

4．3．1 Experimental Setup

4．3．2 Performance Results

§4．4 Summary

Chapter 5 Conclusion and Future Directions

§5．1 Conclusion

§5．2 Future Directions

Acknowledgement

Bibliography

Publications