智能电网监控中的无线传感网络及其安全研究

作     者：范骕程 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张旭苹

授予年度：2016年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：智能电网(Smart Grid) 无线传感网络(WSN) 对称加密算法 非对称加密算法 安全协议 网络性能分析 

摘      要：无线传感网络(wireless sensor network,WSN)是由放置在测量区域中的大量传感器节点组成。这些微型、小型传感节点除了基本的传感功能,能通过自组织形成一个多跳无线网络系统。近年来,随着传感和通信技术的不断发展,无线传感网络从最开始的军事、工程等大型项目,已经逐渐走向普通人民的一般生活。其中,无线传感网络在现代电网中的应用作为一个重点越来越受到人们的关注。现代电网,又名智能电网(Smart Grid),是电网发展的新趋势。它提高了电网的效率、可靠性与可持续性,并能够快速且精准的对发生故障的区域进行定位,并将其告知服务商。同时能够做到与电力用户之间进行全方位的互动,既可以让用户享受到实惠,又可以缓解电力供应压力。并且其允许可再生能源发电接入现有电网系统,以此优化现有电力结构,降低日益严重的环境污染。然而,智能电网的实现需要许多技术的支持,其中先进的信息和传感技术在实现电网的自动控制方面尤为关键。通过海量传感器的监控信息反馈,电网才可以根据不同情况做出快速反应,提供给用户更为全面的信息和服务。不同与传统电网,智能电网需要监控的传感数据种类多样,数据量巨大,传统的传感网络无法完全满足其灵活多样的要求。所以,这里我们通过在智能电网中采用无线传感网络建立次级的监控网络,先将分散在区域内各种类型传感器的数据进行收集整合,再通过网关节点将整个区域内的数据并入主监控网络的方式,可以有效扩展传感监控的范围,满足智能电网的需求。目前,无线传感网络在智能电网中主要可以用在用电侧的智能电表和高级量测体系(AMI),以及输电侧的输电线路监控。本文的研究目标在于讨论将无线传感网络应用到智能电网输电线路监控中的可能性以及相关问题。研究的方向之一是提出了无线传感网络的双层分组模型,来满足智能电网对于传感数据通信时延及可靠性的需求。首先通过分组划分传感区域,建立次级无线传感网络。再将每个区域内的传感数据整合,通过由选定节点组成的无线主干网络传输给网关节点。最后,由网关节点通过光纤通信将传感数据发送到服务器端。针对这样的双层分组模型,我们提出了对应的组内和组间通信规则。另外,根据组间规则,我们提出了单个传感节点单次通信的最佳发送功率计算方式。并通过对单次通信能耗以及时延的模拟分析,证明了通信规则的可行性与正确性。此外,考虑到传感数据包含了用户或者电网运行状态的信息,需要对数据传输过程中数据的机密性、完整性、真实性、不可抵赖性、可控性、可用性等安全方面进行一定的保护。因此,本文的另外一个研究项目是针对智能电网对通信网络的安全需求,分别基于对称加密算法和非对称加密算法提出了两套安全协议。协议包括对新节点的验证及初始化,对多跳网络上传数据的加密与验证,对多跳网络下行控制命令的发布及验证,和在故障节点发生时通过自恢复保证通信畅通等等。最后在分析了两种安全方案的特点同时,对自恢复过程的可行性进行了验证。