КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 25-29-00362

НазваниеРазработка технологии обнаружения киберугроз в цифровой электроэнергетике с использованием киберфизического моделирования

Руководитель Лоскутов Антон Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-404 - Проблемы создания энергетического оборудования

Ключевые слова Киберугроза, информационная безопасность, интеллектуальные электрические сети, цифровая подстанция, компьютерная атака, релейная защита и автоматика, эффективность, надёжность энергоснабжения потребителей, нормальный режим, аварийный режим, оценка режима электрической сети, переходный процесс, статистический метод, метод машинного обучения, симулятор реального времени, выявление аномалий, анализ трафика технологической информации, АСУТП, SCADA.

Код ГРНТИ44.01.85

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта предполагается разработка оригинальных алгоритмов обеспечения информационной безопасности шины процесса ЦПС, основанных на выявлении аномалий в трафике вычислительной сети шины процесса ЦПС, которые могут являться результатом несанкционированного компьютерного воздействия, в технологическом процессе передачи и распределения электроэнергии, которые могут являться результатом выхода из строя первичного оборудования, и последующей корреляции выявленных аномалий. Также наличие аноманий в трафике может быть умышленной диверсии в виде подмены данных в системах АСУТП и SCADA, с последующим отключением исправных потребителей, сопровождающихся большими ущербами для экономики. Алгоритмы будут работать в режиме предупреждения диспетчера при выявлении угроз безапасности. Для научных исследований по заявленной теме будут применяться балансные методы (методы двойной записи), расширенные балансные методы, методы машинного обучения. Имитационное моделирование будет выполняться на специализированном вычислительном программно-аппаратном комплексе RTDS (Real Time Digital Simulator), предназначенном для цифрового моделирования электромагнитных и электромеханических переходных процессов в ЭЭС в масштабе реального времени, а также позволяющим имитировать кибернападения на информационную инфраструктуру (системы телеуправления, АСУТП, мониторинга) ЦПС. Исследования, отладка и апробация алгоритмов, имитационное моделирование будет проводиться для разных уровней напряжения (от 6 до 750 кВ) в ЭЭС. Также будет проводиться сопоставительный анализ разработанных методов, основанных на выявлении аномалий в трафике вычислительной сети шины процесса ЦПС, в технологическом процессе передачи и распределения электроэнергии и последующей корреляции выявленных аномалий с выбранными методами машинного обучения (методы искусственной нейронной сети, метод k-ближайших соседей, метод логистической регрессии, метод опорных векторов, методы дерева решения, случайного леса и др.). Будет выполнено обоснование преимуществ разработанных алгоритмов, определён выигрыш в численных характеристиках их функционирования, по сравнению с применением известных методов распознавания, использующих машинное обучение. В качестве результатов предполагается выбор из числа исследуемых алгоритмов, который определяется возможностью их дальнейшей реализации на микропроцессорных устройствах, руководствуясь такими критериями, как: быстродействие, ресурсоемкость применительно к созданию технологически независимых, доверенных ПАК на микропроцессорах отечественного производства. Кроме того, результатом работы будет выработка технических требований к ПАК для их последующего применения на ЦПС во взаимодействии с другими функциональными устройствами и разработка таких схемотехнических решений. Научная значимость результатов обусловлена тем, что, сформулированная отраслевая научная задача ранее не решалась в контесте специализированного техологического процесса для ЦПС. Повышение надежности систем технологического управления ЦПС, которое будет одним из результатов работы, положительно скажется на электроснабжении потребителей. 1.5.1. Количественные результаты. Будет разработано несколько оригинальных алгоритмов (2-4 шт.) выявления и предупреждения кибератак на цифровые подстанции. Проверка работоспособности данных алгоритмов будет осуществлена на разработанном киберфизическом стенде по имитации технологических киберинцидентов на цифровой подстанции в полунатурных условиях работы. По результату проекта планируется подготовка и подача заявки на результаты интеллектуальной деятельности (патент или программа для ЭВМ – 1 шт.), подготовка научных статей в рецензируемые журналы РИНЦ (2 шт.), Scopus (1 шт.) в 2025г. 1.5.2. Качественные результаты и способы их измерения. 1. Результаты анализа вопросов кибербезопасности в мире и результаты разработки принципов построения киберзащищенного пространства для цифровых подстанций. 2. Результаты анализа нормативной и законодательной базы в области информационной безопасности объектов электроэнергетики, как объектов критической информационной инфраструктуры. 3. Разработанные методы и алгоритмы выявления киберугроз в технологических системах цифровых электроэнергетических объектов. 4. Разработанный киберфизический стенд на базе ПАК RTDS по имитации технологических киберинцидентов на электроэнергетическом объекте для полунатурных испытаний и апробирования алгоритмов выявления аномалий в трафике данных вычислительной сети. 5. Разработанная технология формирования искусственной статистической информационной базы данных о режимах работы энергосистемы для последующего обучения алгоритмов машинного обучения с целью повышения эффективности принятия решения киберзащищенными устройствами защиты, автоматики, управления и мониторинга электрической сети. 6. Разработанная программа для ЭВМ для автоматизации процесса множественного полунатурного моделирования, получения и сохранения результатов в виде цифровых осциллограмм (токов, напряжений и пр.) нормальных и аварийных событий. 7. Разработанная программа для ЭВМ по расчету коэффициентов передачи для платы цифро-аналогового преобразования и усилителя аналоговых сигналов в составе киберфизического стенда для выдачи сигналов тока и напряжения по аналоговым цепям. 8. Результаты комплексных испытаний на киберфизическом стенде алгоритмов выявления киберугроз в технологической системе цифровой подстанции. 9. Разработанное учебное пособие по созданному киберфизическому стенду, включая SCADA-систему, для студентов по новому направлению обучения: «Кибербезопасность электроэнергетических систем», а также эксплуатационного персонала электросетевых объектов. 10. Сформированные рекомендации и предложений по использованию разработанных методов и алгоритмов для реализации в программно-аппаратном комплексе кибербезопасности предприятиями электроэнергетической отрасли. 11. Повышение качества образования через организацию практических, факультативных занятий и курсов повышения квалификаций для студентов, аспирантов и специалистов электроэнергетических специальностей. 12. Создание условий для проведения НИР, НИОКР, хоздоговорных работ с предприятиями электросетевого и производственного комплекса с целью выявления узких мест в энергосистемах и формирования рекомендация по оптимизации структуры, состава оборудования и демонстрация работы в полунатурном виде. Положительные результаты на исследовательских испытаниях разработанных алгоритмов работы могут дать толчок развитию совершенно нового направления в интеллектуальной электроэнергетике. Публикуемые результаты проекта могут быть использованы другими исследовательскими группами в дальнейших исследованиях по разработке новых киберзащищенных систем РЗА. Также полученные в ходе исследования результаты могут способствовать созданию новых подходов в области предсказательной диагностики электросетевого и электромеханического оборудования. 1.5.3. Экономический эффект Объем рынка для реализации киберзащищенных программно-аппаратных комплексов информационной безопасности (ПАК ИБ) является значительным и затрагивает все электросетевые объекты, в частности ЦПС. При минимальной оценке общего количества подстанций 110 - 220 кВ в ЕЭС РФ полагаем, что доля ПАО «Россети» составляет 80%, а 20% - ведомственные подстанции нефтяной, газовой отрасли, ОАО «РЖД», крупных промышленных предприятий и др. Таким образом, по экспертной оценке, общее число подстанций составляет 7965. С учетом округления для формирования экономических оценок принято общее количество объектов критической информационной инфраструктуры (КИИ) равным 8000. Для оценочных расчетов с учетом резервирования принимаем два ПАК ИБ на электросетевой объект. При ориентировочной стоимости одного ПАК ИБ 2000 тыс. рублей только для электросетевой отрасли объем рынка составляет: 2·2000 тыс. руб. ·8000 = 32 000 млн. руб. Для других объектов КИИ (предприятия ВПК, минобороны, ОАО «РЖД», топливно-энергетический комплекс, предприятия химической и нефтеперерабатывающей промышленности, здравоохранение, транспорт и др.) потенциал для тиражирования технических решений по кибербезопасности будет кратно увеличен. Положительный экономический эффект от дальнейшего внедрения результатов работы заключается в развитии отечественного производства цифровых устройств, возможности выхода с конкурентной продукцией на мировые рынки, развитии смежных отраслей промышленности (микроэлектроника, вычислительные системы и др.). 1.5.4 Социальный эффект. Социальный эффект складывается из предотвращения ущербов от недоотпуска электрической энергии, срыва технологических процессов, ущербы которых могут оцениваться в миллионы долларов. Отключения электропитания, вызванные кибератаками, может сказаться на психологическом воздействии на население. Поэтому предвосхищение кибератак способствует стабильному психо-эмоциональному состоянию населения и инженерно-технических работников производственных отраслей. Результаты проекта, наработки и ноу-хау будут использованы при подготовке результатов интеллектуальной деятельности (патентов на изобретения и свидетельств программ для ЭВМ). Затраты на регистрацию и выдачу результатов интеллектуальной деятельности планируется покрыть за счет средств гранта. 1.5.5 Практическая значимость исследования. Разработанные алгоритмы могут найти свое практическое применение в доверенных программно-аппаратных комплексах (ПАК) информационной безопасности (ИБ) для ЦПС. При этом требуется более серьезная проработка детализированных технических решений: - по архитектуре программного обеспечения устройства ПАК ИБ для алгоритмов непрерывного определения аномалий в электрических режимах ЦПС с использованием методологии разработки безопасного программного обеспечения в соответствии ГОСТ Р 56939-2016; - по аппаратной части ПАК ИБ на отечественной элементной базе с применением отечественных процессоров «Эльбрус» и учетом требований, предъявляемым к оборудованию электрических подстанций. - по анализу вариантов подключения ПАК ИБ к SCADA-системам различного исполнения и обеспечения их взаимодействия с учетом функций ИБ. Это является перспективой дальнейших исследований и разработки в рамках прикладных научных исследований (ПНИ). Использование доверенной аппаратно-программной платформы, базирующейся на отечественных микропроцессорах и сертифицированных ФСТЭК операционных системах для создания кроссплатформенных устройств различного функционального назначения, является перспективным вариантом снижения технологической зависимости электроэнергетической отрасли РФ и минимизации угроз и рисков, изложенных в обновлённой «Доктрине энергетической безопасности Российской Федерации». К таким процессорам относится отечественный микропроцессор «Эльбрус-8СВ», на который сделана ставка при разработке технических решений. В результате реализации проекта будут даны рекомендации по интеграции разработанных алгоритмов в ПАК ИБ с последующим тиражированием на электросетевые объекты (например, ПАО «Россети»). Разработанное и изданное учебного пособия по созданному киберфизическому стенду для студентов и специалистов из области электроэнергетики будет способствовать повышению квалификации перспективного электротехнического персонала. Также будет использоваться при проведения курсов повышения квалификации для специалистов электроэнергетических компаний (ПАО «Россети», АО «Системный оператор Единой энергетической системы»). Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню исследований, практическое их использование заключается в разработке алгоритмической базы для создания новой продукции и усовершенствовании системы ИБ ЦПС.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---