风电场智能钥匙安全管控系统的研发与应用_刘海龙.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表风电场智能钥匙安全管控系统的研发与应用刘海龙，赵记，周良绩，侯强（国华巴彦淖尔（乌拉特中旗）风电有限公司，内蒙古 巴彦淖尔 015321）摘 要：风电场锁具与钥匙管理的信息化和智能化是进一步提升风电场运维管理水平的关键。设计出一种用于风电场的智能钥匙安全管控架构；再结合提出的近距离无线通信抗干扰技术、密钥加密、动态攻击检测技术，研发出了一套风电场智能钥匙安全管控系统。系统能实现开闭锁信息追溯、风险防控等功能，提升了风电场运维的网络化、数字化、智能化水平。关键词：风电场；智能钥匙安全管控系统；通信抗干扰技术；对称加密技术；动态攻击检测技术中图分类号：TN8 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223267中文引用格式：刘海龙，赵记，周良绩，等.风电场智能钥匙安全管控系统的研发与应用J.电子技术应用，2023，49(3)：89-94.英文引用格式：Liu Hailong，Zhao Ji，Zhou Liangji，et al.Development and application of smart key security control system for wind farmsJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：89-94.Development and application of smart key security control system for wind farmsLiu Hailong，Zhao Ji，Zhou Liangji，Hou Qiang(Guohua Bayannur Wind Power Co.，Ltd.，Bayannur 015321，China)Abstract：The informatization and intelligence of wind farm lock and key management is the key to further improve the level of wind farm operation and maintenance management.This paper designs a smart key security management and control architecture for wind farms.Combined with the proposed short-range wireless communication anti-jamming technology,key encryption,and dynamic attack detection technology,a set of wind farm smart key security management and control system has been developed.The system can realize the functions of opening and closing information traceability and risk prevention,etc.,which improves the network,digital and intelligent level of wind farm operation and maintenance.Key words：wind farm；intelligent key security control system；communication anti-interference technology；symmetric encryption technology；dynamic attack detection technology0 引言新型电力系统以高比例新能源接入为特征，具有广泛互联、智能互动等优势，为实现国家“双碳”号召创造了有力条件1。在这种背景下，风电场快速发展23，我国风电装机容量已位居世界前列4。风电场包含风电站端子箱、机构箱、汇控箱、高压室、继保室、安具室、测绘屏柜等多种设备，每种设备都有各自的锁具和钥匙，数量庞大且种类繁多，为风电场日常运维管理带来了诸多不便5。此外，风电场锁具及钥匙运维管理还面临安全性低、可靠性低、无智能化、无信息化等行业难点6。例如，锁具钥匙的管理未与风电场运维制度相融合，缺少人员开/闭锁记录、锁具状态等信息，难以实现历史追溯78。因此，随着风电场运维向网络化、数字化、智能化发展，研发风电场智能钥匙安全管控系统并进行规模化应用已成为风电场管理的必然趋势与需求910。当前，已有国内外学者对钥匙锁具的智能管控进行了前期研究。文献11设计了一种智能安全管控系统，通过所提身份验证方案与密钥管理协议能够防止外部蛮力、网络攻击对安全管控设施造成的不利影响，但是并未考虑与传统门禁系统和普通锁具相结合，难以实现全站锁具一站式管理；文献12针对传统开锁方式存在的问题，设计了智能锁具管理系统，实现了多种方式智能开锁、监控并记录开锁情况，提高了工作效率和运行89Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表www.ChinaAET.com系统管理水准，但是未考虑维护检修人员、外来施工人员借用普通钥匙导致的门锁未闭锁、钥匙损坏、钥匙遗失以及被复制等情况，无法满足风电场运维对开锁过程的可管、可控、可追溯要求。针对上述问题，本文提出了基于自适应 HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）的近距离无线通信抗干扰技术、改进动态密钥的对称加密技术以及基于大数据和深度学习的动态攻击检测技术，用于保障风电场智能钥匙安全管控系统的高效、准确运行，并在此基础上研究出一种风电场智能钥匙安全管控方法，实现开闭锁信息的可管、可控、可追溯与防泄漏要求，能全面提升风电场站锁具及钥匙运维管理的可靠性与安全性，增强了风电场运维的网络化、数字化、智能化水平。应用效果表明，通过该系统能有效提高风电场锁具钥匙管理效率，减少开锁误操作概率，提升运维安全性。1 系统方案设计1.1 总体规划架构风电场智能钥匙管控系统采用线型结构设计，如图1 所示，融合手机 APP、边缘服务器、B/S 客户端、风电场、智能钥匙和智能锁具于一体。智能钥匙对智能锁具进行信息采集，采集过程采用密钥进行加密，手机 APP 利用短距离无线通信技术接收智能钥匙的实时状态，通过电力无线专网、运维商公网以及无线局域网将信息上传至边缘服务器，由边缘服务器向风电场运维 B/S 客户端传输数据；随后，服务器对手机 APP 进行信息授权，手机 APP 进一步对智能钥匙进行锁具授权，智能钥匙即可对锁具完成智能识别。1.2 智能钥匙安全管控系统的总体架构智能钥匙安全管控系统的总体架构如图 2 所示，包括数据层、业务层、决策层和展示层，以实现统计分析、智能联动、消息推送、锁具监控、钥匙管理、应急管理和集中管控等功能，各层功能具体介绍如下。（1）数据层：实现锁具及任务相关数据的存储、标准化处理及交换。数据主要来源于内部和外部两个方面，外部数据包括风电场运维管理系统等外部业务系统所产生的数据，需要采用数据交换方式采集；内部数据主要包括锁具授权、锁具开关、作业任务、误操作信息四大核心应用以及智能决策的过程和结果数据。（2）业务层：实现授权管理、锁具管理、钥匙管理、任务管理等业务管理。其中，授权管理是将锁具授权与现场管理体系相结合，利用分级授权，实现权限管理；锁具管理是智能锁具可以实时地进行开、闭锁提示，并且提示开锁成功或失败；钥匙管理是指智能钥匙具有借出归还功能，可以记录借出、归还人员时间，智能钥匙丢失后，可挂失，使智能钥匙失效；任务管理是进行各项任务的授权审核推送，实时将待批任务推送至审批人手机APP 或客户端，实现无障碍授权，为智能钥匙和锁具正常使用提供保证。（3）决策层：实现锁具与业务的数据统计、数据挖掘、数据分析，实现四大业务板块的攻击检测，为公司决策层提供辅助决策支撑。（4）展示层：采用 Vue.js+HTML5 技术将各种数据资图 1智能钥匙总体规划结构90Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表电子技术应用 2023年 第49卷 第3期源综合起来形成复杂页面，以易于用户接收的表单形式返回给用户。采用 Vue.js+HTML5 技术封装各种应用服务，使 用 户 可 按 角 色 规 定 的 权 限 获 得 个 性 化 的 应 用服务。1.3 无源智能锁具与智能钥匙设计无源电子锁结合了机械锁和电子锁的特点，由无源锁具和智能电子锁芯组成，无源智能锁具拥有防锈蚀、防磁化、防破坏等特点，作为整个系统的物联节点，能够在高温、湿热、严寒及风沙尘土等恶劣环境下稳定运行，对现场进行闭锁保护，并结合管控系统、手机 APP 和智能钥匙，实现对锁具的操作。锁具电子系统由 NFC 天线、微处理器电路、检测电路、以及驱动电路等组成。其中，NFC 天线实现取能及通信功能；微处理器电路完成安全认证、管理等任务；检测电路由霍尔传感元件实现对开锁状态的监测，状态信息传给微处理器；驱动电路负责开锁执行等功能。此外，无源智能锁具拥有全球唯一的 ID 编码和地址信息，加上三级密码权限管理+动态密钥，可实现防复制、防技术开锁、产品可追溯。智能钥匙设计如图 3 所示，内置电池、身份识别、高速近距离无线通信等模块。智能钥匙具备智能锁具管理功能，当电子钥匙插入锁芯，通过钥匙的电池模块给电子锁芯供电进行动态密钥校验并识别锁具，同时转动钥匙开启锁具。此外，智能钥匙具有超高速数据传输、抗干扰能力强、低功耗、低误识率的优点。例如，智能钥匙在 SINR 为 5.5 dB 处误码率可达 0.001%，待机时间90 天，误识率1%。2 关键技术与主要功能系统关键技术主要包括：基于自适应 HARQ 的近距离无线通信抗干扰技术、改进动态密钥的对称加密技术、基于大数据和深度学习的动态攻击检测技术,具体介绍如下。2.1 关键技术2.1.1 基 于 自 适 应 HARQ 的 近 距 离 无 线 通 信 抗 干 扰技术风电场站设备运行过程中辐射的强电磁干扰导致信息传输误码率上升，影响智能钥匙实时状态数据上传。本文提出的基于自适应 HARQ 的近距离无线通信抗干扰技术，利用 HARQ 机制中 RS 编码纠正突发错误的能力，基于通信过程丢包率状态信息自适应调整 RS码中的监督元数量，提升信息传输可靠性的同时提升了信息传输速率。具体原理如图 4 所示。首先，智能钥匙基于相邻两次传输过程的丢包率Ot-1与 Ot进行信道状态估计与监督元数量自适应调整。具体而言，当 Ot/Ot-11，代表信道条件恶化，监督码元数量将随之增大；当 Ot/Ot-1=1，代表信道条件不变，监督码元数量与上一传输过程时相同；当 Ot/Ot-11，代表信道条件改善，监督码元数量可随之减少。其次，智能钥匙基于监督元数量优化结果进行 RS 编码，并通过前向图 2智能钥匙安全管控系统总体架构图图 3无源智能锁具与智能钥匙设计图91Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表www.ChinaAET.com信道传输至手机端，在手机端进行 RS 译码。如果译码成功，手机端将向智能钥匙发送 ACK 信号并请求发送下一数据包；如果译码失败，手机端将向智能钥匙发送NACK 信号请求重复传输，智能钥匙基于本次传输过程与上一传输过程丢包率重新调整监督元数量。本文采用蓝牙技术与所提近距离无线通信抗干扰技术做性能对比，如图 5 所示1315。当 BER=10-4时，所提技术的 SINR 比现有蓝牙技术改善了 0.82 dB，能够满足风电场站强电磁干扰环境下信息可靠传输需求。2.1.2 改进动态密钥的对称加密技术针对锁具信息交互中存在的数据监听、伪造、篡改等安全问题，本文结合风电场通信特点，提出改进动态密钥的对称加密技术。目前流行的加密算法有 Rijndael 密钥加密算法、数据加密标准（Data Encryption Standard,DES）密钥加密算法和 RSA（RSA Public Key System，RSA）公钥加密算法16。其中，Rijndael 密钥加密算法是一种对称加密算法，其优点是具有较快的运算速度，对内存的需求非常低，适合于受限环境，缺点是密钥的管理与分配安全性较低；DES 密钥加密算法是一种分组密码，其优点是具有较快的运行速度，缺点是安全性较低，且资源消耗较大；RSA 公钥加密算法在加密过程中需要使用公钥进行加密，解密过程则需要使用私钥，其优点是安全性较高，缺点是加密解密速度较慢。3 种加密算法的分析对比表1 所示。所提的改进动态密钥的加密算法原理如图 6 所示，在现有对称密钥加密算法中加入动态密钥存储模块，只有密钥认证中心和数据存储服务器联动通过身份认证，客户端用户才可读取有效信息。所提加密算法通过数据存储与加密分离的方式，使得恶意用户无法直接从窃取到的数据中读取有效信息，增加了风电场站智慧钥匙管控信息传输的保密性与安全性。同时，所提算法在非线性层和线性混合层采用矩阵运算，具有算法结构简单、运行速度高等优点。2.1.3 基于大数据和深度学习的动态攻击检测技术所提的基于大数据和深度学习的动态攻击检测技术利用风电场智能钥匙管控系统安全攻击大数据海量特征，结合深度学习的拟合与推演能力，可提高智能钥匙管控系统攻击检测的精准性与适应性。具体算法流程如图 7 所示。首先，智能钥匙安全管控系统数据层将收集到的攻击文本数据上传至服务器。服务器对攻击文本数据进行泛化预处理与数据类型转化，剔除与攻击特征不相关的文本内容，形成智能钥匙安全管控系统攻击文本大数据库。然后，基于短期增量与长期全量训练结合的方法，提取攻击检测的词向量模型，完成攻击样本特征提取并形成攻击特征库。最后，基于深度学习拟合与推演行为特征与攻击类型之间的复杂关联，训练生成动态攻击检测模型。当攻击检测模型检测出新类别攻击，则基于该攻击特征更新攻击特征库。图 4自适应 HARQ 抗干扰技术原理图图 5基于自适应 HARQ 的近距离无线通信抗干扰技术性能参数表 13 种加密算法性能对比（ms）算法类型RijndaelDESRSA中文加密耗时331.05370.80569.40中文解密耗时4.905.4520.95西文加密耗时279.65335.70528.85西文解密耗时4.354.9017.35安全性低低高图 6改进动态密钥的加密算法原理92Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表电子技术应用 2023年 第49卷 第3期2.2 主要功能基于上述关键技术，系统可实现开闭锁信息追溯、风险防控、应急操作等功能，具体介绍如下。（1）开闭锁信息追溯：结合无源智能锁的全球唯一ID 编码，通过锁具开/闭状态、任务、人员、时间等信息实时加密与回传至服务器中，实现开闭锁信息的可追溯。（2）风险防控：通过系统的加密与动态攻击检测技术，能够避免重要数据泄露，并对锁具遭遇攻击等异常状态进行智能报警，实现风电场智能钥匙管控全方位风险防控。（3）应急操作：支持应急情况下紧急授权，无需使用专用钥匙，在手机 APP 或客户端即可激活，减少了拿取专用钥匙时间，最大限度争取了事故处理的最佳抢修时间。（4）智能联动：在风电场智能运维过程中，无源智能锁具将信息上传至邻近服务器，风电场内所有服务器间的协调运作使整个安全管控系统实现了数据上的共享，真正使风电场内无源智能锁具、智能钥匙、手机 APP、服务器等设备结合成一个有机整体。（5）统计分析：系统通过风电场运维区域分布级误操作模型时段分布、误操作趋势分析，形成作业辅助决策模型，为风电场运维管理中心合理安排运维工作提供辅助依据。（6）集中管控：系统采用“业务量化、集成集中、统一平台、智能协同”的思想，只需布置一套服务器统一进行锁具监控与钥匙管理，各风电场子站运维管理系统可以分布使用、互不影响。3 系统应用效果3.1 试点应用本文研发的智能钥匙安全管控系统已在某省风电场区域试点应用，现场应用图如图 8 所示。试点风电场共包含风电场维护人员 25 人，锁具数量大约为 1 100个，包括机柜锁、通道门锁、转舌锁等多种锁具，并配备固定数量的智能钥匙。在智能钥匙安全管控系统正式投入运维之前，已对智能钥匙、锁具以及手机 APP 之间的近距离通信以及安全管控系统的性能进行了检测，确保其在合乎出厂标准的情况下投入运行。3.2 应用分析智能钥匙安全管控系统在该区域试点 3 个月，试点锁具一千余个。本节从锁具钥匙管理效率、开锁误操作、运维安全性三方面进行对比，应用分析如下。（1）锁具钥匙管理效率：本节根据整体钥匙数量、钥匙丢失数量、平均开锁时间 3 个评价指标对智能钥匙安全管控系统的锁具钥匙管理效率进行分析，结果如表 2所示。由于智能钥匙采用电子认证而非机械认证的方式，无需为每把锁具配备专用钥匙，因此风电场站钥匙数据大幅减少。同时，通过系统的授权管理功能，风电场运维人员能够通过线上实时进行用钥匙申请、授权批准等操作，极大缩短了平均开锁时间。此外，通过系统的开闭锁信息追溯与智能联动功能，实现了智能钥匙信息的实时追踪，运行期间无钥匙丢失情况发生。（2）开锁误操作：为防止风电场就地检修的带电操作和不规范操作，风电场发电设备关键位置均加装了锁具。应用所研发系统前后的开锁误操作占比对比如图 9所示。图 7动态攻击检测算法流程图 8风电场智能钥匙安全管控系统的应用表 2锁具钥匙管理效率对比结果指标钥匙数量/个平均开锁时间/min钥匙丢失数量/个系统应用前1 680157系统应用后481093Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表www.ChinaAET.com（3）运维安全性：本节根据设备柜门外力开启次数、攻击告警次数对智能钥匙安全管控系统的运维安全性进行比较分析，结果如表 3 所示。从表 3 对比结果可以看出，应用智能钥匙安全管控系统后可以减少风电场设备柜门外力开启次数。这是因为系统采用锁具授权的方式进行开/闭锁操作而非运维人员机械外力开启。此外，所研发的系统通过动态攻击检测技术，能够及时告警外部互联网攻击并开展安全防御，提升了风电场锁具及钥匙运维与管理的安全性。4 结 论本文面向新型电力系统建设中风电场面临锁具与钥匙管理安全性低、可靠性低、无智能化、无信息化等问题，提出了近距离通信抗干扰、密钥加密、动态攻击检测等技术，开发了用于风电场的智能钥匙安全管控系统，实现开闭锁信息的可管、可控、可追溯与防泄漏要求，提升了风电场运维的网络化、数字化、智能化水平。根据实际应用验证，该系统在提高锁具钥匙管理效率、减少开锁误操作概率、提升运维安全性方面具有优越性能，可满足风电场钥匙安全管控的要求。参考文献 1 吕顺利,丁杰,张海滨,等.新型电力系统智慧物联感知技术标准体系研究及思考J.电力信息与通信技术,2021,19(8):39-46.2 辛保安,单葆国,李琼慧,等.“双碳”目标下“能源三要素”再思考J.中国电机工程学报,2022,42(9):3117-3126.3 周强,马万里,吴悦,等.多类型电源提升风光电集群高效 消 纳 的 源 网 协 调 控 制 研 究 J.电 网 与 清 洁 能 源,2022,38(4):135-142.4 杨伟峰,文云峰,张武其,等.基于风-储联合的双层频率 响 应 控 制 策 略 J.电 力 系 统 自 动 化,2022,46(12):184-193.5 张书浩,贾继刚,王哲,等.基于 RFID 技术的智能钥匙柜在电厂中的应用与探索J.电力设备管理,2020(9):114,129.6 张明宇,王鹏,郭屾.一种基于 NFC 的无源智能锁及其在配电网中的应用J.电力信息与通信技术,2020,18(4):98-103.7 张岩,王宗省,孙胜凯,等.用于智能钥匙柜的 RFID 天线设计与实现J.电子器件,2021,44(2):451-455.8 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3运维安全性对比结果指标设备柜门外力开启次数攻击告警次数系统使用前340系统使用后08扫码下载电子文档94