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风电机组监控安全通信系统设计与实现

作　者: 林媛源
导　师: 段斌
学　校: 湘潭大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 风电机组安全 IEC 61400-25标准 IEC 62351标准标准建模安全通信密码算法芯片
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

风电场作为一种分布式能源系统,是利用风力来驱使风电机组中的发电机发电而产生电能,这一过程中,风电机组的发电、监视、控制、维护、并网等操作都具有很多特殊性,且各厂商制造的风电机组利用其私有协议与外界系统通信:这给风电场的统一监控管理、风电机组安全稳定运行制造了难题。为此,本文遵循风电场监控通信国际标准IEC 61400-25和电力系统数据与通信安全国际标准IEC 62351,构建监控安全通信系统对风电机组有关数据、状态等信息有效管理、控制,以便实时对风电场整体状况以及风电机组运行情况进行安全访问和监视控制。本文重点对该监控安全通信系统整体架构进行了详细设计,对系统中访问控制模块和通信安全模块进行了具体研究,并给出了关键实现。本文工作具体表现在:(1)针对风电场监控通信需求,根据IEC 61400-25标准中提出的信息模型、信息交换模型以及向通信协议的映射,在ARM上构建微型嵌入式服务器(包括基于C/S模式实施实时通信的MMS通信服务器和基于B/S模式实施非实时通信的Web通信服务器);用户通过MMS客户端/Web浏览器与嵌入式服务器端进行通信,保证信息交互的完整性的同时能有效提高数据传输的实时性,实现对风电机组中数据和状态的监视和控制。(2)针对风电机组监控通信安全需求,根据IEC 62351标准中建议的RBAC技术和SSL技术设计监控安全通信系统中访问控制模块和通信安全模块;访问控制模块由身份验证组件和角色—权限解析组件构成,验证客户端用户身份后为用户分配相应的权限,实现对登陆到风电机组用户身份认证和授权;通信安全组件由适合嵌入式环境的MatrixSSL编程,通过证书认证、加解密算法、MAC认证等安全功能,实现监控通信过程中机密性、完整性、可用性、不可否认性等。(3)针对访问控制模块和通信安全模块具体实现时的安全问题,采用硬加密技术,通过加载密码算法芯片驱动程序,利用API接口函数调用国家密码算法芯片中的密码算法(散列函数SCH算法、对称密码算法SSF33算法、非对称密码算法ECC算法)来完成密钥管理、算法执行及高速率数据加解密等流程,实现符合国家安全利益需求的密码运算功能。(4)针对遵循IEC 61400-25标准和IEC 62351标准构建的风电机组监控安全通信系统,从软硬件两方面对系统具体实现,并通过一系列验证软件来测试各模块的可用性和准确性,最后通过实例分析论证该系统能够实现风电机组监控通信并满足安全性。此系统的实现,对风电机组制造商自主开发先进的安全的标准的风电机组及增强其市场竞争力具有积极意义。随着技术的发展和成熟,可将此系统完全移植到风电机组控制器中。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章引言  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 研究现状  10-11
  1.3 研究基础  11
  1.4 研究内容  11-12
  1.5 组织结构  12-13
第2章理论基础研究  13-19
  2.1 现有风电场监控系统分析  13-15
  2.2 XE82 型风电机组分析  15
  2.3 风电场监控通信标准IEC 61400-25  15-17
    2.3.1 标准概要  15-16
    2.3.2 标准间相互关系  16-17
  2.4 电力系统数据与通信安全标准IEC 62351  17-18
  2.5 本章小结  18-19
第3章监控安全通信系统整体框架构建  19-25
  3.1 风电场监控模式  19-20
  3.2 总体框架设计  20-24
    3.2.1 方案设计  20-21
    3.2.2 软硬件设计  21-24
  3.3 本章小结  24-25
第4章监控安全通信系统标准建模设计  25-38
  4.1 风电机组信息模型设计  25-30
    4.1.1 OPC 技术分析  25
    4.1.2 具体信息建模  25-30
  4.2 风电机组信息交换模型设计  30-34
    4.2.1 MMS 服务和Web 服务分析  30-32
    4.2.2 具体服务建模  32-34
  4.3 风电机组映射设计  34-36
    4.3.1 映射结构分析  34-35
    4.3.2 具体映射构架  35-36
  4.4 本章小结  36-38
第5章监控安全通信系统安全通信设计  38-57
  5.1 安全模块设计基本原则  38
  5.2 安全模块设计技术路线  38-39
  5.3 密码芯片调用程序开发  39-43
    5.3.1 密码算法芯片  39-40
    5.3.2 密码算法芯片调用设计  40-43
  5.4 访问控制模块设计  43-49
    5.4.1 RBAC 技术分析  43-44
    5.4.2 RBAC 组件化设计  44-49
  5.5 通信安全模块设计  49-55
    5.5.1 SSL 技术分析  49-50
    5.5.2 SSL 嵌入化设计  50-55
  5.6 整体序列图  55-56
  5.7 本章小结  56-57
第6章监控安全通信系统实现与应用  57-68
  6.1 硬件平台搭建  57-58
  6.2 软件系统开发  58-64
    6.2.1 访问操作界面实现  59-60
    6.2.2 访问控制模块实现  60-62
    6.2.3 通信安全模块实现  62-64
  6.3 具体应用实例  64-67
  6.4 本章小结  67-68
第7章总结和展望  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
附录A 攻读硕士学位期间公开发表的论文  75-76
  期刊论文  75
  会议论文  75-76
附录B 攻读学位期间参与的科研项目及获奖情况  76
  参与的科研项目  76
  获奖情况  76

风电机组监控安全通信系统设计与实现

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