Modelování a hodnocení kybernetické bezpečnosti elektroenergetických systémů

Abstract

Disertační práce se zabývá kybernetickou bezpečností chytrých sítí, se zaměřením na datovou komunikaci a zajištění bezpečnosti přenosové a distribuční soustavy. V kontextu narůstající digitalizace a vzájemného propojení operačních technologií se práce soustředí na návrh realistické sandbox architektury pro výzkum, testování a vzdělávání v oblasti kybernetické bezpečnosti elektroenergetických systémů. Hlavním výstupem je modulární a škálovatelné testovacího prostředí, které kombinuje fyzické, emulované a virtualizované komponenty, umožňující simulaci provozu elektrických stanic, modelování útoků a ověřování mitigačních opatření bez rizika pro reálnou infrastrukturu. Východiskem pro návrh byla systematická analýza komunikační architektury chytrých sítí s využitím standardů IEC 61850 a IEC 60870, doplněná o modelování přenosových charakteristik zpráv prostřednictvím teorie front (M/M/1, M/D/1, MMPP). Součástí řešení je vícevrstvá bezpečnostní analýza využívající metody STRIDE a MITRE ATT&CK, která identifikuje zranitelnosti protokolů a zařízení. Výsledky byly následně porovnány s požadavky standardů IEC 62351, IEC 62443, NIST 800-82 a doporučeními ENISA. Výsledné prostředí umožňuje efektivní a technicky věrné testování zátěžových scénářů, školení odborného personálu a generování reprezentativních dat pro další výzkum. Práce tak přispívá ke zvýšení odolnosti elektroenergetických systémů vůči kybernetickým hrozbám a podporuje rozvoj aplikované bezpečnosti v oblasti elektroenergetické kritické infrastruktury.

This dissertation addresses the issue of cybersecurity in smart grids, with a focus on data communication and the protection of the transmission and distribution infrastructure. In response to the increasing digitalization and integration of operational technologies, the work aims to design a realistic sandbox architecture for research, testing, and training in the field of cybersecurity for power systems. The main outcome is a modular and scalable test environment that combines physical, emulated, and virtualized components, enabling simulation of substation operations, modeling of cyberattacks, and validation of mitigation measures without endangering real infrastructure. The design is based on a systematic analysis of the communication architecture in smart grids using IEC 61850 and IEC 60870 standards, extended with traffic modeling through queueing theory (M/M/1, M/D/1, MMPP). The solution includes a multi-layered security analysis based on STRIDE and MITRE ATT&CK, identifying vulnerabilities in protocols and devices. The results were compared against the requirements of standards such as IEC 62351, IEC 62443, NIST 800-82, and ENISA recommendations. The resulting platform supports effective and technically faithful testing of high-load scenarios, hands-on training of technical staff, and the generation of representative datasets for further research. The dissertation contributes to strengthening the resilience of electrical power systems against cyber threats and supports the development of applied security in the domain of critical infrastructure.