IT-Sicherheit in digitalen Stationen: Cyber-physische Systemmodellierung, -bewertung und -analyse

Dennis Rösch; André Kummerow; Stephan Ruhe; Kevin Schäfer; Cristian Monsalve; Steffen Nicolai

doi:10.1515/auto-2020-0077

Article

IT-Sicherheit in digitalen Stationen: Cyber-physische Systemmodellierung, -bewertung und -analyse

Dennis Rösch
Dennis Rösch, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung und Simulation von Energie- und Kommunikationsnetzen, IT-Sicherheit von Energienetzen und –systemen
, André Kummerow
André Kummerow, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Einsatz maschineller Lernverfahren zur Überwachung von Energienetzen, Kommunikation und IT-Sicherheit in Energienetze
, Stephan Ruhe
Stephan Ruhe, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung und Simulation elektrischer Netze, Power-Hardware-in-the-Loop und echtzeitbasierte Simulationen, Erweiterung der Netzautomatisierung durch digitalisierte Infrastrukturen und neue Methoden zur Zustandserfassung
, Kevin Schäfer
Kevin Schäfer, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung elektrischer Betriebsmittel, Echtzeitbasierte Simulation elektrischer Netze, Kommunikationsprotokolle digitaler Umspannwerke, Entwurf von IDS-Verfahren zur Überwachung der IT-Sicherheit
, Cristian Monsalve
Cristian Monsalve, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung und Simulation elektrischer Netze, Integration von erneuerbaren Energien in elektrischen Netzen, Kommunikation für Energiesysteme.
and Steffen Nicolai
Dipl.-Ing. Steffen Nicolai ist Leiter der Gruppe „Elektrische Energiesysteme“ des Fraunhofer IOBS-AST und stellv. Leiter der Abteilung „Energiesysteme“. Hauptarbeitsgebiete: Projekt- und Konsortialleitung von Verbundprojekten im Bereich des sicheren und automatischen Betriebs elektrischer Energienetze und Cybersicherheit in der Energieversorgung. Strategische Entwicklung von Forschungsthemen im Bereich IT-Sicherheit in der Digitalen Station.

Published/Copyright: August 29, 2020

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From the journal at - Automatisierungstechnik Volume 68 Issue 9

Zusammenfassung

Die Digitalisierung der Stationsautomatisierung eröffnet neue Anwendungspotentiale für intelligente Stationsfunktionen in elektrischen Energiesystemen. Die Vernetzung und der Einsatz von IEC 61850 als vereinheitlichter Kommunikationsstandard ist eine wichtige Voraussetzung, erhöhen aber gleichzeitig die Anfälligkeit für IT-Angriffe. Zur Untersuchung der IT-Sicherheit digitaler Stationen wird hierfür eine neu konzipierte cyber-physische Echtzeit-Co-Simulationsplattform vorgestellt. Auf Basis einer Referenzarchitektur eines IP-basierten Umspannwerks wird die Modellierung, Bewertung und Analyse digitaler Stationen für gestörte und ungestörte Betriebsfälle sowie unter Beachtung von IT-Angriffen ermöglicht. Daraufhin werden Ansätze zur Resilienzbewertung sowie Maßnahmen zur IT-Sicherheit für den operativen Betrieb, z. B. die Erkennung cyber-physischer Anomalien, aufgezeigt.

Abstract

The increasing digitalization within station automation enables new applications for intelligent functionalities in substations of electrical power systems. For this, the utilization of IEC 61850 as unified communication standard is a key requirement but also changes the vulnerability for cyber-attacks. For cyber-security investigations of digital substations a cyber-physical real-time co-simulation platform is introduced. A reference architecture of an IP-based substation is presented and enables the modelling, assessment and analysis of digital substation within disturbed and undisturbed grid situations as well as under consideration of cyber-attacks. Based on this, novel approaches and methods for resilience assessment of digital substations and cyber-security measures for operations, e. g. the detection of cyber-physical anomalies, are described and discussed.

Schlagwörter: Digitale Station; Co-Simulation; IT-Sicherheit; Resilienz; Anomalieerkennung; Cyberphysische Systeme

Keywords: digital substation; co-simulation; cyber-security; resilience; anomaly-detection; cyberphysical-systems

Über die Autoren

M. Sc. Dennis Rösch

Dennis Rösch, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung und Simulation von Energie- und Kommunikationsnetzen, IT-Sicherheit von Energienetzen und –systemen

M. Sc. André Kummerow

André Kummerow, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Einsatz maschineller Lernverfahren zur Überwachung von Energienetzen, Kommunikation und IT-Sicherheit in Energienetze

M. Sc. Stephan Ruhe

Stephan Ruhe, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung und Simulation elektrischer Netze, Power-Hardware-in-the-Loop und echtzeitbasierte Simulationen, Erweiterung der Netzautomatisierung durch digitalisierte Infrastrukturen und neue Methoden zur Zustandserfassung

M. Sc. Kevin Schäfer

Kevin Schäfer, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung elektrischer Betriebsmittel, Echtzeitbasierte Simulation elektrischer Netze, Kommunikationsprotokolle digitaler Umspannwerke, Entwurf von IDS-Verfahren zur Überwachung der IT-Sicherheit

M. Sc. Cristian Monsalve

Cristian Monsalve, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IOBS-AST. Hauptarbeitsgebiete: Modellierung und Simulation elektrischer Netze, Integration von erneuerbaren Energien in elektrischen Netzen, Kommunikation für Energiesysteme.

Dipl.-Ing. Steffen Nicolai

Dipl.-Ing. Steffen Nicolai ist Leiter der Gruppe „Elektrische Energiesysteme“ des Fraunhofer IOBS-AST und stellv. Leiter der Abteilung „Energiesysteme“. Hauptarbeitsgebiete: Projekt- und Konsortialleitung von Verbundprojekten im Bereich des sicheren und automatischen Betriebs elektrischer Energienetze und Cybersicherheit in der Energieversorgung. Strategische Entwicklung von Forschungsthemen im Bereich IT-Sicherheit in der Digitalen Station.

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Erhalten: 2020-04-30

Angenommen: 2020-07-07

Online erschienen: 2020-08-29

Erschienen im Druck: 2020-09-25

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digital substation; co-simulation; cyber-security; resilience; anomaly-detection; cyberphysical-systems