LUCRARE DE LICENȚĂ - acse.pub. energiei electrice ... Pentru descrierea funcționării unităților generatoare de energie electrica, ... motoare, turbine, generatoare electrice

  • View
    226

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of LUCRARE DE LICENȚĂ - acse.pub. energiei electrice ... Pentru descrierea funcționării...

  • Universitatea Politehnica Bucureti

    Facultatea de Automatic i Calculatoare

    Departamentul de Automatic i Ingineria Sistemelor

    LUCRARE DE LICEN

    Tehnici de protecie n sisteme Smart Grid

    ndrumtor: Absolvent:

    Prof. dr. ing. Ioan Dumitrache Stoica Ovidiu tefan

    Bucureti, 2013

  • 2

    Cuprins

    Introducere ............................................................................................................................. 1

    Capitolul 1 Sistemul Energetic stadiul actual ..................................................................... 2

    1.1. Producerea energiei electrice .................................................................................. 2

    1.2. Transmisia energiei electrice .................................................................................. 3

    1.3. Distribuia energiei electrice ................................................................................... 4

    Capitolul 2 Paradigma Cyber Physical Systems (CPS) ...................................................... 6

    2.1. Introducere n CPS .................................................................................................. 6

    2.2. Ingineria emergent ................................................................................................ 7

    2.3. Provocri tehnologice n CPS ................................................................................. 9

    2.4. Potenialul sistemelor CPS .................................................................................. 10

    Capitolul 3 Sistemul energetic inteligent Smart Grid ....................................................... 11

    3.1. Introducere n noiunea de Smart Grid ................................................................. 11

    3.2. Tehnologiile Smart Grid ....................................................................................... 13

    3.3. Smart Grid ca Cyber Physical System ............................................................... 15

    Capitolul 4 Securitatea n Smart Grid.................................................................................. 17

    4.1. O abordare din perspectiva CPS a securitii n Smart Grid ................................. 17

    4.2. Problemele de securitate din Smart Grid .............................................................. 20

    4.2.1. Securitatea sistemelor de reglare ................................................................... 20

    4.2.2. Securitatea Smart Meter-elor ......................................................................... 22

    4.2.3. Securitatea estimrii de stare ......................................................................... 23

    4.2.4. Securitatea reelei de comunicaii .................................................................. 23

    4.3. Tipuri de atacuri informatice n Smart Grid ......................................................... 24

    Capitolul 5 Modelarea atacurilor informatice n Smart Grid .............................................. 27

    5.1. Atacurile prin injecie de date corupte ...................................................................... 27

    5.2. Estimarea de stare n sistemul energetic problematic general ............................ 28

    5.3. Estimarea de stare static prin metoda celor mai mici ptrate ponderate ................. 32

    5.3.1. Variabilele de stare dintr-un sistem energetic .................................................... 32

    5.3.2. Modelul de msurare dintr-un sistem energetic ................................................. 32

  • 5.3.3. Metoda celor mai mici ptrate ponderate ........................................................... 32

    5.3.4. Aproximarea la modelul de flux de curent continuu .......................................... 36

    5.4. Analiza observabilitii ntr-un sistem energetic ...................................................... 38

    5.5. Detecia msurtorilor corupte. Distribuia ........................................................ 38

    5.6. Formularea unui atac prin injecie de date corupte ................................................... 40

    5.7. Unitile de msur a fazorilor (PMU) ..................................................................... 41

    5.8. Protecia mpotriva atacurilor prin asigurarea redundanelor ................................... 44

    5.8.1. Identificarea msurtorilor critice ...................................................................... 45

    5.8.2. Transformarea msurtorilor critice n msurtori redundante .......................... 47

    5.9. Identificarea atacurilor prin intermediul algoritmilor de detecie a schimbrii ........ 53

    5.10. Formularea problemei estimrii distribuite ............................................................. 56

    Concluzii .............................................................................................................................. 58

    Bibliografie .......................................................................................................................... 59

  • 4

    Lista figurilor

    Figura 1.1. Infrastructura sistemelor de transmisie i distribuie ......................................... 5

    Figura 2.1. Capacitile sistemelor Cyber - Physical ............................................................ 6

    Figura 2.2. Interaciunile i direciile de cercetare dintr-un sistem CPS ............................ 7

    Figura 2.3. Abordrile bottom-up i top-down ...................................................................... 8

    Figura 2.4. Interaciunile dintre domeniile tehnice i sistemele CPS .................................... 8

    Figura 3.1. Caracterul emergent al sistemelor Smart Grid .................................................. 12

    Figura 3.2. Vedere de ansamblu asupra sistemului Smart Grid ....................................... 12

    Figura 3.3. Tehnologiile implicate n dezvoltarea sistemului Smart Grid........................... 15

    Figura 3.4. O arhitectur ierarhizat pentru conducerea proceselor dintr-un CPES ........... 16

    Figura 4.1. Arhitectura general a unui sistem CPS ............................................................ 17

    Figura 4.2. Reeaua de comunicaii din Smart Grid ............................................................ 18

    Figura 4.3. Relaia disponibilitate confidenialitate integritate ..................................... 19

    Figura 4.4. Sistemul de detecie a intruziunilor IDS ........................................................ 21

    Figura 4.5. Securizarea datelor furnizate de Smart Metere prin redundan ....................... 22

    Figura 4.6. Principalele tipuri de atacuri informatice din Smart Grid ................................. 24

    Figura 4.7. Atacurile informatice i impactul lor ................................................................ 25

    Figura 4.8. Tipuri de atacuri ntr-un sistem Cyber Physical ............................................. 26

    Figura 5.1. Arhitectura unui sistem SCADA/EMS ............................................................ 28

    Figura 5.2. Structura unui estimator de stare ...................................................................... 29

    ..................................... 30 Figura 5.3. Diagrama funcional a analizei on-line de securitate

    Figura 5.4 . Modelul pentru ecuaiile de msur .............................................................. 33

    Figura 5.5. Funcia de probabilitate .............................................................................. 40

    Figura 5.6. Estimatorul de stare sub un atac cibernetic ....................................................... 41

    Figura 5.7. Schema bloc a unei uniti de msur a fazorilor ........................................... 42

    Figura 5.8. Msurtorile furnizate de PMU ........................................................................ 43

    Figura 5.9. Evoluia algoritmului CUSUM ........................................................................ 55

  • Introducere

    1

    Introducere

    Noua paradigm a sistemelor Cyber Physical, n care capacitile de calcul,

    comunicaie, control i cogniie sunt integrate n procesele fizice reprezint o provocare i

    o oportunitate deosebit pentru tiina secolului 21. Integrnd aceste capaciti la nivelul

    proceselor industriale, se vor putea obine rezultate mult mai bune de la sistemele critice pe

    care omenirea se bazeaz, fcndu-se astfel tranziia ctre o economie sustenabil i bazat

    pe inteligen.

    Lucrarea de fa introduce conceptul sistemelor Cyber Physical, particulariznd

    implementarea acestei paradigme n sistemul energetic. Scopul principal al lucrrii este

    prezentarea principalelor probleme de securitate informatic ce pot s apar ntr-un sistem

    de o asemenea complexitate.

    Capitolul 1 al lucrrii prezint o vedere de ansamblu asupra structurii unui sistem

    energetic, schind n linii mari cele trei subsisteme componente, i anume producia,

    transmisia i distribuia energiei electrice.

    Capitolul 2 introduce noiunea de sistem Cyber Physical, prezentnd

    particularitile sale, provocrile tehnologice pe care le presupune i, nu n ultimul rnd

    avantajele pe care le ofer. n plus, acest capitol introduce i noiunea de inginerie

    emergent, ce st la baza proiectrii sistemelor Cyber Physical.

    n capitolul 3 este prezentat conceptul noii reele energetice inteligente, Smart Grid.

    Acest capitol face i un scurt rezumat al tehnologiilor implicate n Smart Grid i, nu n

    ultimul