Cybersicherheit/KI und deren Einsatz im Bereich Netzschutz und -steuerung
Iowa State University
Energie
05. / 01. / 2019
Das Unternehmen
Der Fachbereich für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Iowa State University ist eine führende Einrichtung im Bereich der Forschung zu „ Energiesysteme “. Unter der Leitung des renommierten Cybersicherheitsexperten Dr. Manimaran Govindarasu betreibt der Doktorand Vivek-Kumar Singh bahnbrechendeVorteil Forschung und Entwicklung an der Schnittstelle zwischen Energiesysteme, künstlicher Intelligenz und cyber-physischer Sicherheit, um kritische Netzinfrastrukturen vor ausgeklügelten Cyberbedrohungen zu schützen.
Jeder, der sich mit Simulationen im Bereich „ Energiesysteme “ und Leistungselektronik beschäftigt oder bereits beschäftigt hat, kennt zumindest den Namen „OPAL-RT“ … Bei der Erstellung der Datensätze war OPAL-RT für uns eine echte Rettung. Wir haben alle Arten von Angriffen simuliert, die Systemdynamik beobachtet und Daten gesammelt, um unsere Modelle für maschinelles Lernen in Echtzeit zu trainieren.
Vivek-Kumar Singh
Doktorand, Iowa State University
Die Herausforderungen
- Mangel an Open-Source-Datensätzen zur Cybersicherheit: Aufgrund von Sicherheitsrisiken und der Wahrung von Geschäftsgeheimnissen können Versorgungsunternehmen keine betrieblichen Angriffsdaten weitergeben, sodass „ Forscher:innen “ keine realistischen Datensätze zum Trainieren von KI-/ML-Modellen zur Verfügung stehen.
- Erkennung komplexer Bedrohungen: Die Unterscheidung zwischen harmlosen Netzsteuerungsbefehlen und böswilligen Cyberangriffen in WAMPAC-Systemen (Wide-Area Monitoring, Protection & Control) erfordert eine hochpräzise dynamische Modellierung.
- Hardware & Dynamische Interaktion: Relais und Synchrophasoren (PMUs) können von Haus aus nicht zwischen physikalischen Störungen und Cyberangriffen unterscheiden, weshalb eine realistische dynamische Dateneinspeisung erforderlich ist.
- Latenz bei Telekommunikationssystemen mit mehreren Standorten: Bei der Simulation geografisch verteilter Leitstellen und Unterwerke müssen die realen Kommunikationsverzögerungen und Netzwerklatenzzeiten berücksichtigt werden, ohne die Genauigkeit des Modells zu beeinträchtigen.
Die OPAL-RT-Lösung
Die Iowa State University nutzte die Echtzeit- hardware, software sowie die Kommunikationsprotokolle von OPAL-RT, um eine umfassende cyber-physikalische Testumgebung aufzubauen:
- Inszenierung von Angriffen und Erstellung von Datensätzen: Mithilfe von OPAL-RT-Echtzeitsimulatoren und ePHASORSIM wurden dynamische Störungen simuliert und Cyberangriffe inszeniert, wodurch urheberrechtlich geschützte „gute und schlechte“ Trainingsdatensätze für das maschinelle Lernen erstellt wurden.
- Hardware-In-the-Loop-Integration (HIL): Physikalische Relais und PMUs wurden direkt an OPAL-RT angeschlossen hardware, wodurch eine realistische Wiedergabe und die Beobachtung dynamischer Reaktionen in Echtzeit ermöglicht wurden.
- Unterstützung für die Kommunikation über mehrere Protokolle: Es wurden native OPAL-RT-Treiber für die Protokolle IEC 61850 GOOSE, DNP3 (über OPC-Treiber) und C37.118 PMU verwendet, um die reale SCADA- und Synchrophasor-Netzwerkarchitektur zu emulieren.
- Fern-Co-Simulationsverbund: Zwei OPAL-RT-Simulatoren wurden über eine Fernverbindung miteinander verbunden – einer in Iowa, der als Kontrollzentrum fungierte, und einer im US Army Research Laboratory in Maryland, der IEEE-39-Bus-Umspannwerke modellierte –, um unter Angriffsbedingungen eine Latenzzeit von 26,7 ms bei Synchrophasor-Daten zu messen.
Die Ergebnisse
- KI-Anomalieerkennung: Erfolgreiche Entwicklung und Validierung von Algorithmen auf Basis des maschinellen Lernens, die trotz realer Netzwerklatenz eine Anomalieerkennung in Echtzeit in WAMPAC-Umgebungen ermöglichen.
- Cyber-Schulungen für Versorgungsunternehmen: Durchführung praktischer SCADA-Cybersicherheitsschulungen für große Versorgungsunternehmen, darunter Cedar Falls Utilities (CFU), CIPCO, MidAmerican Energy, Idaho Power Company und Corn Belt Power Cooperative (CBPC).
- Zusammenarbeit zwischen Verteidigung und Bundesbehörden: In Zusammenarbeit mit dem US Army Research Laboratory wurde ein cybervernetztes Testumfeld mit mehreren Umspannwerken für die Forschung im Bereich des Netzschutzes auf Verteidigungsniveau eingerichtet.
- Datenaustausch für den wissenschaftlichen Fortschritt: Plan zur Veröffentlichung nicht urheberrechtlich geschützter Datensätze zu PMU-Angriffssignaturen, um die weltweite Forschung und Entwicklung im Bereich der Cybersicherheit für intelligente Stromnetze voranzutreiben.
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