Enhancing the Information Security of Automated Dispatch Control Systems in Electric Power Systems

  • Дмитрий [Dmitriy] Борисович [B.] Гвоздев [Gvozdev]
  • Олег [Oleg] Денисович [D.] Архангельский [Arkhangelsky]
Keywords: automated control systems, SCADA, automated system security, risk assessment, cyber-physical systems, hardware-in-the- loop modeling

Abstract

The main trends in the development of automated dispatch control systems (also known as SCADA — supervisory control and data acquisition systems) in the electric power industry are considered, and the shift to the concept of remotely controlled unattended substations is analyzed. It is shown that the introduction of smart computerized control systems in the electric power industry results in that the matters concerned with ensuring cybersecurity of power facilities are coming at the forefront. Possible information-related impacts and cyber- attacks on electric power system facilities can upset the operation of not only automated systems and secondary intelligent equipment, but also the main power equipment of power plants and substations. Unauthorized control of digital substation equipment, failures and malfunctions of primary and secondary substation equipment caused by cyber attacks are the main challenges and threats arising from the fitting of the electric power industry with information technologies. These new challenges determine the relevance of assessing the risks of upsetting the operation of automated dispatch control systems in the electric power industry.

It is proposed to assess the risks of upsetting the automated dispatch control system operation in addition to evaluating the reliability of electric power systems and their components. The relevance of developing the above-mentioned risk assessment methodology is shown, and one of possible versions of its practical implementation is proposed. The proposed version implies application of the real-time power system simulation method with connecting the secondary equipment (relay protection and automatic control terminals, controllers and intelligent devices) into the simulation loop. The rest part of the system (primary substation equipment) can be represented by a numerical model implemented on an RTDS simulator (this approach is called hardware-in-the-loop simulation). Simulation of an electric power system area with the relay protection, automatic, and process control system devices connected in the simulation loop will make it possible to estimate the consequences for various scenarios of disturbing the operation of a complex electric power system, also as a result of possible unauthorized information attacks.

The developed methodology for assessing the risks of disturbing the operation of an automated dispatch control system makes it possible to obtain the integral risk values for the considered plant or system. The analysis results can be used for taking management decisions, and a correct and timely choice of measures for managing the identified makes it possible to ensure the reliability and safety of both individual electric power industry facilities and the electric power system as a whole.

Information about authors

Дмитрий [Dmitriy] Борисович [B.] Гвоздев [Gvozdev]

Ph.D. (Techn.), Assistant Professor of Power Electrical Systems Dept., NRU MPEI, e-mail: GvozdevDB@mpei.ru

Олег [Oleg] Денисович [D.] Архангельский [Arkhangelsky]

Ph.D.-student of Power Electrical Systems Dept., NRU MPEI, e-mail: ArkhangelskyOD@mpei.ru

References

1. Принципы создания АСУТП на подстанциях ЕНЭС [Электрон. ресурс] http://www.cius-ees.ru/ uploaded/document_files/58/Printsipy_postroeniya__ ASUTP_PS.pdf (дата обращения: 14.12.2018).
2. Чегодаев А.В. Современная автоматизированная система технологического управления // Электроэнергия. Передача и распределение. 2012. № 4 (13). С. 76—80.
3. Энергетика глазами системных интеграторов [Электрон. ресурс] http://www.bcc.ru/press/publishing/ pub07/Energy_in_syst_integrator_views (дата обращения 14.12.2018).
4. «Россети» и системный оператор совершенствуют технологию управления оборудованием подстанций ЕЭС России [Электрон. ресурс] http://www.rosseti. ru/press/news/?ELEMENT_ID=24828 (дата обращения 12.10.2018).
5. Телеуправление на подстанциях: ПС 330 Кв «Губкин» и ПС 500 кВ «Щёлоков» [Электрон. ресурс] http://digitalsubstation.com/blog/2018/06/27/teleupravlenie – na – podstantsiyah – ps – 330 – kv – gubkin – i – ps – 500 – kv – shhyolokov/ (дата обращения 12.10.2018).
6. Впервые в центральной России энергообъект высокого класса напряжения переведен на телеуправление [Электрон. ресурс] http://www.fsk-ees.ru/press_ center/company_news/?ELEMENT_ID=227933 (дата обращения 12.10.2018).
7. В энергосистеме Республики Татарстан реализован проект модернизации системы телеуправления оборудованием подстанции 500 кВ Щёлоков [Электрон. ресурс] http://www.so-cdu.ru/index.php?id=odu_volga_ news_view&no_cache=1&tx_ttnews[tt_news]=12680 (дата обращения 12.10.2018).
8. Цифровая подстанция — важный элемент интеллектуальной энергосистемы [Электрон. ресурс] https://www.ruscable.ru/article/Tsifrovaya_podstantsiya vazhnyj_element_intellektualynoj_energosiste/ (дата обращения 14.12.2018).
9. «ФСК ЕЭС» потратит на цифровизацию около 72 млрд руб. [Электрон. ресурс] https://www.vestifinance. ru/articles/97898 (дата обращения 10.10.2018).
10. Цифровая подстанция «Созвездие» введена в строй [Электрон. ресурс] https://www.comnews. ru/digital-economy/content/116697/news/2018-12-17/ cifrovaya-podstanciya-sozvezdie-vvedena-v-stroy (дата обращения 14.12.2018).
11. Энергетики сформировали образ цифровой электроэнергетики [Электрон. ресурс] https://minenergo. gov.ru/node/9464 (дата обращения 10.10.2018).
12. МОЭСК представила пилотные проекты Москвы по цифровизации электрических сетей на Российской энергетической неделе [Электрон. ресурс] http:// www.moesk.ru/press/company_news/item163415.php (дата обращения 10.10.2018).
13. Воропай Н.И., Колосок И.Н., Коркина Е.С., Осак А.Б. Киберфизические электроэнергетические системы: трансформация свойств и новые проблемы // Автоматизация и IT в энергетике. 2018. № 9 (110). С. 4—8.
14. Массель Л.В., Воропай Н.И, Сендеров С.М., Массель А.Г. Киберопасность как одна из стратегических угроз энергетической безопасности России // Вопросы кибербезопасности. 2016. № 4 (17). С. 2—10.
15. Куликов А.Л., Зинин В.М. Создание системы кибербезопасности в электроэнергетике РФ с учётом реализации концепции ИЭС ААС // Электроэнергия. Передача и распределение. 2015. № 5 (32). С. 122—126.
16. Byres E., Eng P. SCADA Security in a Post Stuxnet World [Электрон. ресурс] https://www.tofinosecurity. com/sites/default/files/SCADA-Security-in-a-Post- Stuxnet-World.pdf (дата обращения 10.10.2018).
17. Осак А.Б., Панасецкий Д.А., Бузина Е.Я. Аспекты надежности и безопасности при проектировании цифровых подстанций // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: Сб. докл. Междунар. конф. Сочи, 2015. С. 1—7.
18. Харламов В.А. Вопросы восстановления работы систем РЗА после успешных кибератак // Релейщик. 2016. № 2. С. 3—7.
19. Дьяков А.Ф. Надежная работа персонала в энергетике. М.: МЭИ, 1991.
20. Integrated Bulk Power System Risk Assessment Concepts. Atlanta: NERC, 2013.
21. Снижение рисков каскадных аварий в электроэнергетических системах / под ред. Н.И. Воропая. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011.
22. Гвоздев Д.Б. Разработка критерия оптимальной информационной нагрузки диспетчера ЦУС предприятия электрических сетей // Вестник МЭИ. 2013. № 2. С. 55—58.
23. Ландшафт угроз для систем промышленной автоматизации [Электрон. ресурс] https://ics-cert.kaspersky. ru/reports/2018/03/26/threat-landscape-for-industrialautomation-systems-in-h2-2017/#_Toc508825243 (дата обращения 12.09.2018).
24. Осак А.Б., Панасецкий Д.А., Бузина Е.Я. Человеческий фактор при обеспечении кибербезопасности объектов электроэнергетики // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: Сб. докл. Междунар. конф. Сочи, 2015.
25. Фадеев М.И. Надежность технических систем и техногенный риск. М.: Деловой экспресс, 2002.
26. Mehrdad S., Mousavian S., Madraki G., Dvorkin Yu. Cyber-physical Resilience of Electrical Power Systems Against Malicious Attacks: a Review // Current Sustainable / Renewable Energy Rep. 2018. V. 5. Iss. 1. Pp 14—22.
27. Колосок И.Н., Коркина Е.С., Гурина Л.А. Анализ надежности результатов оценивания состояния по данным PMU при кибератаках на WAMS // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Сб. науч. статей. Минск: БНТУ, 2015. Вып. 66. С. 231—237.
28. Папков Б.В., Куликов А.Л., Осокин В.Л. Киберугрозы и кибератаки в электроэнергетике. Нижний Новгород: НИУ РАНХиГС, 2017.
29. Nair J., Wierman A., Zwart B. The Fundamentals of Heavy-tails: Properties, Emergence, and Identification // Proc. Intern. Conf. Measurement and Modeling of Computer Systems. N.-Y., 2013. P. 387.
30. High-impact Low-frequency Event Risk to the North American Bulk Power System. Atlanta: NERC, 2010.
31. Плешко Д.Ю. Влияние кибербезопасности объектов электроэнергетики на надежность функционирования ЭЭС // Актуальные проблемы энергетики: Материалы студенческой науч.-техн. конф. Минск: БНТУ, 2018. С. 564—567.
32. Wenyuan Li. Risk Assessment of Power Systems: Models, Methods, and Applications. N.-Y.: Wiley-IEEE Press, 2014
33. Месенжник Я.З., Прут Л.Я., Горбунов С.И. Оценка технических рисков погружных электроцентробежных нефтенасосов при переходе к внешнему сервисному обслуживанию // Электро. 2008. № 6 (20). C. 38—41.
34. Горбунов С.И. Развитие теории и методов оценки рисков для обеспечения промышленной безопасности объектов нефтегазового комплекса: автореф. дис. … докт. техн. Уфа: Ин-т проблем транспорта энергоресурсов, 2006.
35. Kuipers D. Cybersecurity for Energy Delivery Systems [Электрон. ресурс] www.sans.org/cyber-security- summit/archives/file/summit-archive-1493741208.pdf (дата обращения 14.12.2018).
36. Bergman D.C., Jin D., Nicol D.M., Yardley T. The Virtual Power System Testbed and Inter-Testbed Integration // Proc. USENIX Conf. Cyber Security Experimentation and Test. Berkeley, 2009.
---
Для цитирования: Гвоздев Д.Б., Архангельский О.Д. Повышение информационной безопасности автоматизированных систем диспетчерского управления в электроэнергетических системах // Вестник МЭИ. 2019. № 3. С. 27—36. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-3-27-36.
#
1. Printsipy Sozdaniya ASUTP na Podstantsiyakh ENES [Elektron. Resurs] http://www.ciusees.ru/uploaded/ document_files/58/Printsipy_postroeniya__ASUTP_ PS.pdf (Data Obrashcheniya: 14.12.2018). (in Russian).
2. Chegodaev A.V. Sovremennaya Avtomatizirovannaya Sistema Tekhnologicheskogo Upravleniya. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie. 2012;4 (13):76—80. (in Russian).
3. Energetika Glazami Sistemnykh Integratorov [Elektron. Resurs] http://www.bcc.ru/press/publishing/pub 07/Energy_in_syst_integrator_views (Data Obrashcheniya 14.12.2018). (in Russian).
4. «Rosseti» i Sistemnyy Operator Sovershenstvuyut Tekhnologiyu Upravleniya Oborudovaniem Podstantsiy EES Rossii [Elektron. Resurs] http://www.rosseti.ru/ press/news/?ELEMENT_ID=24828 (Data Obrashcheniya 12.10.2018). (in Russian).
5. Teleupravlenie na Podstantsiyakh: PS 330 kV «Gubkin» i PS 500 kV «Schcelokov» [Elektron. Resurs] http://digitalsubstation.com/blog/2018/06/27/teleuprav- lenie – na – podstantsiyah – ps – 330 – kv – gubkin – i – ps – 500 – kv – shhyolokov/ (Data Obrashcheniya 12.10.2018). (in Russian).
6. Vpervye v Tsentral'noy Rossii Energoob′ekt Vysokogo Klassa Napryazheniya Pereveden na Teleupravlenie [Elektron. Resurs] http://www.fsk-ees.ru/ press_center/company_news/?ELEMENT_ID=227933 (Data Obrashcheniya 12.10.2018). (in Russian).
7. V energosisteme Respubliki Tatarstan realizovan Proekt Modernizatsii Sistemy Teleupravleniya Oborudovaniem Podstantsii 500 kV Shchelokov [Elektron. Resurs] http://www.so-cdu.ru/index.php?id=odu_volga_ news_view&no_cache=1&tx_ttnews[tt_news]=12680 (Data Obrashcheniya 12.10.2018). (in Russian).
8. Tsifrovaya Podstantsiya — Vazhnyy Element Intellektual'noy Energosistemy [Elektron. Resurs] https:// www.ruscable.ru/article/Tsifrovaya_podstantsiya__vazhnyj_element_intellektualynoj_energosiste/ (Data Obrashcheniya 14.12.2018). (in Russian).
9. «FSK EES» Potratit na Tsifrovizatsiyu Okolo 72 mlrd rub. [Elektron. Resurs] https://www.vestifinance.ru/articles/97898 (Data Obrashcheniya 10.10.2018). (in Russian).
10. Tsifrovaya Podstantsiya «Sozvezdie» Vvedena v Stroy [Elektron. Resurs] https://www.comnews.ru/ digital-economy/content/116697/news/2018-12-17/cifrovaya-podstanciya-sozvezdie-vvedena-v-stroy (Data Obrashcheniya 14.12.2018). (in Russian).
11. Energetiki Sformirovali Obraz Tsifrovoy Elektroenergetiki [Elektron. Resurs] https://minenergo.gov.ru/node/9464 (Data Obrashcheniya 10.10.2018). (in Russian).
12. MOESK Predstavila Pilotnye Proekty Moskvy po Tsifrovizatsii Elektricheskikh Setey na Rossiyskoy Energeticheskoy Nedele [Elektron. Resurs] http://www.moesk.ru/press/company_news/item163415.php (Data Obrashcheniya 10.10.2018). (in Russian).
13. Voropay N.I., Kolosok I.N., Korkina E.S., Osak A.B. Kiberfizicheskie Elektroenergeticheskie Sistemy: Transformatsiya Svoystv i Novye Problemy. Avtomatizatsiya i IT v Energetike. 2018;9 (110):4—8. (in Russian).
14. Massel' L.V., Voropay N.I, Senderov S.M., Massel' A.G. Kiberopasnost' kak Odna iz Strategicheskikh Ugroz Energeticheskoy Bezopasnosti Rossii. Voprosy Kiberbezopasnosti. 2016;4 (17):2—10. (in Russian).
15. Kulikov A.L., Zinin V.M. Sozdanie Sistemy Kiberbezopasnosti v Elektroenergetike RF s Uchetom Realizatsii Kontseptsii IES AAS. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie. 2015;5 (32):122—126. (in Russian).
16. Byres E., Eng P. SCADA Security in a Post Stuxnet World [Elektron. Resurs] https://www.tofinosecurity.com/ sites/default/files/SCADA-Security-in-a-Post-Stuxnet- World.pdf (Data Obrashcheniya 10.10.2018).
17. Osak A.B., Panasetskiy D.A., Buzina E.Ya. Aspekty Nadezhnosti i Bezopasnosti pri Proektirovanii Tsifrovykh Podstantsiy. Sovremennye Napravleniya Razvitiya Sistem Releynoy Zashchity i Avtomatiki Energosistem: Sb. Dokl. Mezhdunar. Konf. Sochi, 2015: 1—7. (in Russian).
18. Kharlamov V.A. Voprosy Vosstanovleniya Raboty Sistem RZA Posle Uspeshnykh Kiberatak. Releyshchik. 2016;2:3—7. (in Russian).
19. D'yakov A.F. Nadezhnaya Rabota Personala v energetike. M.: MEI, 1991. (in Russian).
20. Integrated Bulk Power System Risk Assessment Concepts. Atlanta: NERC, 2013.
21. Snizhenie Riskov Kaskadnykh Avariy v Elektroenergeticheskikh Sistemakh / pod Red. N.I. Voropaya. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2011. (in Russian).
22. Gvozdev D.B. Razrabotka Kriteriya Optimal'noy Informatsionnoy Nagruzki Dispetchera TSUS Predpriyatiya Elektricheskikh Setey. Vestnik MEI. 2013;2: 55—58. (in Russian).
23. Landshaft Ugroz Dlya Sistem Promyshlennoy Avtomatizatsii [Elektron. Resurs] https://ics-cert.kaspersky. ru/reports/2018/03/26/threat-landscape-for-industrial- automation-systems-in-h2-2017/#_Toc508825243 (Data Obrashcheniya 12.09.2018). (in Russian).
24. Osak A.B., Panasetskiy D.A., Buzina E.Ya. Chelovecheskiy Faktor pri Obespechenii Kiberbezopasnosti Ob′ektov Elektroenergetiki. Sovremennye Napravleniya Razvitiya Sistem Releynoy Zashchity i Avtomatiki Energosistem: Sb. Dokl. Mezhdunar. Konf. Sochi, 2015. (in Russian).
25. Fadeev M.I. Nadezhnost' Tekhnicheskikh Sistem I Tekhnogennyy Risk. M.: Delovoy Ekspress, 2002. (in Russian).
26. Mehrdad S., Mousavian S., Madraki G., Dvor- kin Yu. Cyber-physical Resilience of Electrical Power Systems Against Malicious Attacks: a Review. Current Sustainable / Renewable Energy Rep. 2018;5;1:14—22.
27. Kolosok I.N., Korkina E.S., Gurina L.A. Analiz Nadezhnosti Rezul'tatov Otsenivaniya Sostoyaniya po Dannym PMU pri Kiberatakakh na WAMS. Metodicheskie Voprosy Issledovaniya Nadezhnosti Bol'shikh Sistem Energetiki: Sb. Nauch. Statey. Minsk: BNTU, 2015;66: 231—237. (in Russian).
28. Papkov B.V., Kulikov A.L., Osokin V.L. Kiberugrozy i Kiberataki v Elektroenergetike. Nizhniy Novgorod: NIU RANKHiGS, 2017. (in Russian).
29. Nair J., Wierman A., Zwart B. The Fundamentals of Heavy-tails: Properties, Emergence, and Identification. Proc. Intern. Conf. Measurement and Modeling of Computer Systems. N.-Y., 2013:387.
30. High-impact Low-frequency Event Risk to the North American Bulk Power System. Atlanta: NERC, 2010.
31. Pleshko D.Yu. Vliyanie Kiberbezopasnosti Ob′ektov Elektroenergetiki Na Nadezhnost' Funktsionirovaniya EES. Aktual'nye Problemy Energetiki: Materialy Studencheskoy Nauch.-tekhn. Konf. Minsk: BNTU, 2018 564—567. (in Russian).
32. Wenyuan Li. Risk Assessment of Power Systems: Models, Methods, and Applications. N.-Y.: Wiley-IEEE Press, 2014
33. Mesenzhnik Ya.Z., Prut L.Ya., Gorbunov S.I. Otsenka Tekhnicheskikh Riskov Pogruzhnykh Elektrotsentrobezhnykh Neftenasosov pri Perekhode k Vneshnemu Servisnomu Obsluzhivaniyu. Elektro. 2008;6 (20): 38—41. (in Russian).
34. Gorbunov S.I. Razvitie Teorii i Metodov Otsenki Riskov dlya Obespecheniya Promyshlennoy Bezopasnosti Ob′ektov Neftegazovogo Kompleksa: Avtoref. Dis. … Dokt. Tekhn. Ufa: In-t Problem Transporta Energoresursov, 2006. (in Russian).
35. Kuipers D. Cybersecurity for Energy Delivery Systems [Elektron. Resurs] www.sans.org/cyber-security- summit/archives/file/summit-archive-1493741208.pdf (Data Obrashcheniya 14.12.2018).
36. Bergman D.C., Jin D., Nicol D.M., Yardley T. The Virtual Power System Testbed and Inter-Testbed Integration. Proc. USENIX Conf. Cyber Security Experimentation and Test. Berkeley, 2009.
---
For citation: Gvozdev D.B., Arkhangelsky O.D. Enhancing the Information Security of Automated Dispatch Control Systems in Electric Power Systems. Bulletin of MPEI. 2019;3:27—36. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-3-27-36.
Published
2017-05-04
Section
Power Stations and Electric Power Systems (05.14.02)