Developing a Security-Enhanced Internet-of-Things Based Communication System for Smart Microgrids

Abstract

Tillgång till ren och pålitlig elkraft är fortfarande en utmaning för många lokala samhällen i utvecklingsländerna. Smarta mikronät är en av de nya praktiskalösningarna som kan dra nytta av lokalt tillgängliga resurser för att tillgodoseenergikraven i dessa samhällen. De är lokala lågspännings autonoma kraftsystemsom består av förnybara kraftkällor, lagringssystem och en uppsättning lokalalaster. En av de viktigaste utmaningarna för att förverkliga dessa mikronät är enrobust, allestädes närvarande och tillförlitlig informations- och kommunikationsinfrastruktur för kontroll, samordning och övervakning av kraftproduktions- ochdistributionsprocessen. Framväxten av Internet of Things (IoT) -teknologier ger enviktig uppsättning verktyg för att lösa denna utmaning. De underlättar integrationen av beräknings- och kommunikationsfunktioner i kraftsystemkomponenter. Attintegrera dessa teknologier i mikronät är dock fortfarande en utmaning på grundav stränga säkerhets-, tillförlitlighet- och prestandakrav för kraftsystem.I den här avhandlingen utvecklar vi ett säkerhetsförbättrat kommunikationssystem för IoT-baserade mikronät som tillhandahåller omfattande säkerhetstjänster avkonfidentialitet, tillgänglighet, integritet och integritet som kan implementeras ien resursbegränsad miljö samtidigt som tillförlitligheten och prestandakraven förmikro- rutnätfunktioner. Vi använder dimbaserade kommunikationsarkitekturer föratt minska latens för datautbyte och förbättra effektiviteten i kommunikationsprocessen. Vi använder säkerhetsförlängningar av standard IoT-kommunikationsprotokollför att implementera ett lätt och prestationsmedvetet säkerhetssystem.Först analyserar vi hur integrationen av IoT i kraftsystem introducerar säkerhetsproblem i kraftproduktions- och distributionsprocessen. Vi utvecklar ensimuleringsmodell som används för att utvärdera effekterna av säkerhetsattacker på olika delar av ett kraftsystem. Med hjälp av modellen demonstrerar viflera attackscenarier som kan leda till stöld av ström, förlust av privatliv ochströmavbrott. Denna information används för att fastställa säkerhetskraven fördet nya systemet. Sedan bygger vi en laboratorieskala hårdvarubaserad mikronätkommunikationssystemprototyp och demonstrerar prestandabegränsningarna för befintliga IoT-kommunikationssäkerhetsstandarder. Vi visar att befintligastandarder inte skalar och inte uppfyller tidskraven för mikrogridskydd och kontrollåtgärder. Vi föreslår nya kommunikationsspecifikationer och modifieringar sombehövs för att klara standardkraftsystemkraven. Slutligen, med säkerhetskraven ochkommunikationsspecifikationerna, utvecklar vi ett säkert IoT-baserat kommunikationssystem som ger kryptering, integritet, integritet och autentiseringsfunktionermed minimal inverkan på prestanda. Vi implementerar och utvärderar designen påmaskinvaruprototypen i laboratorieskala. Vi visar hur systemet kan stödja skydd,styrning och övervakning av mikronätet med säkra kommunikationskanaler utanatt överskrida de nödvändiga prestandabegränsningarna.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-302975