Sicherheit in der Überwachung von Energiesystemen: Technologien und Anwendungen

Stromüberwachungssysteme übernehmen die Kernaufgaben der Echtzeit-Netzüberwachung, Fehlerdiagnose und Betriebsoptimierung. Ihre Sicherheit beeinflusst direkt die Stabilität und Zuverlässigkeit von Stromsystemen. Mit der vertieften Anwendung von Technologien wie Cloud Computing, Internet der Dinge (IoT) und Big Data in der Energiewirtschaft nehmen die Informationsicherheitsrisiken für Stromüberwachungssysteme allmählich zu.

Diese Systeme stehen vor mehreren Herausforderungen, darunter fortgeschrittene persistente Bedrohungen (APT), Denial-of-Service-Angriffe (DoS) und Malware-Infektionen. Traditionelle Sicherheitsarchitekturen verlassen sich auf einstufige Verteidigungsstrategien, die es schwer machen, komplexe Angriffsmethoden effektiv abzuwehren. Es ist notwendig, eine vertiefte Verteidigungsarchitektur einzuführen und die Angriffswiderstandsfähigkeit des Systems durch mehrstufige Sicherheitsmechanismen zu erhöhen.

1. Aufbau und Funktionen von Stromüberwachungssystemen

Ein Stromüberwachungssystem ist eine umfassende Plattform für die automatisierte Stromverwaltung, die hauptsächlich für die Echtzeit-Überwachung, -Steuerung und -Optimierung des Betriebsstatus von Stromsystemen verwendet wird. Das System besteht in der Regel aus einem Überwachungszentrum, Datenerfassungs- und -übertragungsgeräten, intelligenten Endgeräten, Kommunikationsnetzen und Anwendungssoftware. Das Überwachungszentrum, das als zentrales Nervenzentrum fungiert, ist verantwortlich für die Verarbeitung großer Mengen an Stromdaten, die Analyse des Betriebsstatus und die Ausführung von Steuerbefehlen.

Datenerfassungsgeräte, wie Remote Terminal Units (RTUs) und Intelligent Electronic Devices (IEDs), erfassen wichtige Parameter wie Strom, Spannung und Frequenz über Sensoren und Kommunikationsschnittstellen und übertragen die Daten an das Hauptsteuersystem. Kommunikationsnetze verwenden in der Regel Protokolle wie IEC 61850, DNP3 und Modbus, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Datenübertragung sicherzustellen.

Anwendungssoftware umfasst Funktionen wie Dispositionsmanagement, Lastprognose, Zustandsschätzung und Fehlerdiagnose, unterstützt die Optimierung des Netzbetriebs und die frühzeitige Warnung bei ungewöhnlichen Zuständen. Moderne Stromüberwachungssysteme haben weit verbreitet Cloud Computing, Edge Computing und Künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt, um die Datenverarbeitungsfähigkeiten und Entscheidungseffizienz zu verbessern. Das System beinhaltet die Stromdisposition, Gerätesteuerung und Datenanalyse, und seine Sicherheit steht in direktem Zusammenhang mit der Netzstabilität und der nationalen Energieversorgungssicherheit.

2. Informationsicherheitsschutzsystem für Stromüberwachungssysteme

2.1 Netzwerksicherheitschutzstrategie

Die Netzwerksicherheitschutzstrategie für Stromüberwachungssysteme muss ein vertieftes Verteidigungssystem auf mehreren Ebenen aufbauen, einschließlich physischer Isolation, Protokoll-Sicherheit, Traffic-Monitoring und aktiver Verteidigung, um Risiken von bösartigen Angriffen und Datenraub effektiv zu bewältigen. Erstens sollte im Hinblick auf die Netzwerkarchitektur von Stromüberwachungssystemen eine Netzwerkzonenstrategie angewendet werden, um das Steuerungsnetz, das Verwaltungsnetz und das Büronetz physisch oder logisch voneinander zu isolieren, um die Angriffsfläche zu reduzieren, und unidirektionale Datenfluss-Technologie sollte verwendet werden, um sicherzustellen, dass kritische Steuersignale nicht manipuliert werden können.

Zweitens, was die Sicherheit der Kommunikationsprotokolle betrifft, sollten verschlüsselte Tunnel-Technologien (wie TLS 1.3) eingesetzt werden, um die Datensicherheit der kritischen Protokolle wie IEC 61850 und DNP3 zu schützen, und MACsec (IEEE 802.1AE) sollte eingeführt werden, um Verschlüsselung auf Link-Ebene bereitzustellen, um Man-in-the-Middle-Angriffe und Datenraub zu verhindern. Im Bereich des Traffic-Monitorings sollte ein auf KI basierendes System zur Erkennung von abnormalen Datenverkehrs (AI-IDS) eingesetzt werden, das tiefe Lernalgorithmen verwendet, um Paketcharakteristika zu analysieren und abnormales Verhalten zu erkennen, um die Erkennungsgenauigkeit auf über 99% zu verbessern.

Gleichzeitig, in Verbindung mit einem DDoS-Schutzsystem, kann durch Rate-Limiting und automatische Failover-Mechanismen der Einfluss von Datenverkehrsangriffen auf Stromdispositionscenter reduziert werden. Schließlich, was aktive Verteidigung betrifft, kann eine Zero-Trust-Architektur (ZTA) eingesetzt werden, um den Zugriff für alle Datenverkehre kontinuierlich zu authentifizieren und zu steuern, um die Ausbreitung interner Bedrohungen zu verhindern, wodurch die Netzwerksicherheit von Stromüberwachungssystemen verbessert wird.

2.2 Identitätsauthentifizierung und Zugriffskontrolle

Das Identitätsauthentifizierungs- und Zugriffskontrollsystem von Stromüberwachungssystemen muss die Legitimität von Benutzern, Geräten und Anwendungen gewährleisten, um unbefugten Zugriff und Missbrauch von Berechtigungen zu verhindern. Einerseits, was die Identitätsauthentifizierung betrifft, sollte ein Authentifizierungsmechanismus basierend auf digitalen Zertifikaten und Public Key Infrastructure (PKI) eingesetzt werden, um einzigartige Identitätsbezeichner für Wartungspersonal, SCADA-Systemkomponenten und intelligente Endgeräte zu vergeben.

Durch Zwei-Faktor-Authentifizierung (2FA), Einmalpasswörter (OTP) und biometrische Identifizierungstechnologien (wie Fingerabdruck- oder Iriserkennung) kann die Sicherheit der Identitätsprüfung verbessert werden. In Szenarien des Fernzugriffs kann das FIDO2-Protokoll eingesetzt werden, um passwortlose Authentifizierung zu unterstützen und das Risiko des Diebstahls von Zugangsdaten zu reduzieren. Andererseits, was die Zugriffskontrolle betrifft, sollte ein kombiniertes Mechanismus von rollenbasierter Zugriffskontrolle (RBAC) und attributbasierter Zugriffskontrolle (ABAC) implementiert werden, um sicherzustellen, dass Benutzerberechtigungen strikt ihren Verantwortlichkeiten entsprechen, um unbefugten Zugriff zu verhindern.

Beispielsweise können Unterhaltungspersonal für Umspannwerke nur auf bestimmte Geräte zugreifen, während Disponenten auf Datenüberwachung und Befehlsemission beschränkt sind. Um die Zugriffstrategien weiter zu verfeinern, können dynamische Berechtigungsanpassungsmechanismen eingesetzt werden, um Zugriffsberechtigungen in Echtzeit basierend auf Benutzerverhaltensmustern und Umgebungsvariablen (wie geografische Lage, Gerätetyp usw.) anzupassen. Ein Zugriff-Log-Auditing-System (SIEM) sollte verwendet werden, um alle Zugriffsanfragen zu protokollieren und maschinelle Lernmethoden zu nutzen, um abnormales Zugriffsverhalten zu analysieren, um die Erkennungsfähigkeit interner Sicherheitsbedrohungen zu verbessern und die sichere und stabile Betriebsführung von Stromüberwachungssystemen zu gewährleisten.

2.3 Datensicherheit und Verschlüsselungstechnologien

Die Datensicherheit von Stromüberwachungssystemen bezieht sich auf Phasen wie Datenspeicherung, -übertragung, -Verarbeitung und -Sicherung. Hochwertige Verschlüsselungsalgorithmen und Zugriffskontrollmechanismen müssen eingesetzt werden, um die Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit der Daten sicherzustellen.

Erstens, in der Datenspeicherungsphase, sollte AES-256 verwendet werden, um sensible Daten ruhend zu verschlüsseln, und Shamir's Secret Sharing (SSS) sollte kombiniert werden, um Schlüssel zu teilen und zu speichern, um ein Single-Point-Leakage zu verhindern. Zweitens, im Prozess der Datenübertragung, sollte das TLS 1.3-Protokoll verwendet werden, um end-to-end-Verschlüsselung für die Kommunikation zwischen SCADA-Systemen und intelligenten Endgeräten durchzuführen, und Elliptic Curve Cryptography (ECC) sollte eingesetzt werden, um die Verschlüsselungseffizienz zu verbessern und die Rechnerressourcenverbrauch zu reduzieren.

Schließlich, um die Datenintegrität sicherzustellen, sollte die Hash-Funktion SHA-512 verwendet werden, um Hash-Werte zu generieren, und HMAC sollte kombiniert werden, um Datenverifizierung durchzuführen und Manipulationsangriffe zu verhindern. Für die Datensicherheit kann eine unveränderbare Log-Speichertechnologie basierend auf Blockchain eingesetzt werden, indem Smart Contracts verwendet werden, um Zugriffskontrollen automatisch durchzusetzen und die Glaubwürdigkeit der Daten zu verbessern. Im Bereich der Datensicherung sollte die 3-2-1-Strategie angewendet werden: mindestens drei Kopien der Daten auf zwei verschiedenen Medien speichern, wobei eine Kopie in einem externen Katastrophenrückstellungs-Zentrum gespeichert wird, um die Datenwiederherstellungsfähigkeit zu verbessern und sicherzustellen, dass das Stromsystem nach einem Angriff schnell wieder normal betrieben werden kann.

2.4 Sicherheitsüberwachung und Intrusionserkennung

Sicherheitsüberwachung und Intrusionserkennung sind wesentliche Komponenten des Verteidigungssystems von Stromüberwachungssystemen, die bösartige Angriffshandlungen durch die Echtzeitanalyse von Netzwerkverkehr und Systemprotokollen identifizieren, um die Netzwerksicherheit zu verbessern.

Erstens, auf Netzwerkebene, sollte ein Intrusion-Detection-System (IDS) basierend auf Deep Packet Inspection (DPI) eingesetzt werden, kombiniert mit Traffic-Anomalie-Analysemodellen (wie K-Means-Clustering oder LSTM-Rekurrenten Neuronalen Netzen), um Angriffe wie DDoS und Datenvergiftung zu erkennen und die Falsch-Positiv-Rate unter 5% zu halten.

Zweitens, auf Host-Sicherheitsüberwachungsebene, sollte ein Endpoint-Detection-and-Response-System (EDR) basierend auf Verhaltensanalyse eingesetzt werden, das User- und Entity-Behavior-Analytics (UEBA) nutzt, um Benutzer- und Geräteverhaltensmuster zu analysieren, um abnormale Anmeldungen, Berechtigungsmissbrauch und Malware-Implantationen zu erkennen. 

Schließlich, für SCADA-Systeme, kann Industrieprotokollanomalieerkennungstechnologie eingeführt werden, die Finite State Machines (FSM) verwendet, um die Legitimität von Befehlen aus Protokollen wie Modbus und IEC 104 zu analysieren, um Protokollmissbrauchsangriffe zu verhindern. Im Bereich der Log-Auditing und Korrelationsanalyse sollte ein Security-Information-and-Event-Management-System (SIEM) eingesetzt werden, um Logdaten zu aggregieren und durch die ELK-Architektur in Echtzeit zu analysieren, um die Sicherheitsvisualisierungsfähigkeiten zu verbessern.

2.5 Notfallreaktion und Sicherheitsvorfallsmanagement

Notfallreaktion und Sicherheitsvorfallsmanagement für Stromüberwachungssysteme müssen Bedrohungserkennung, Vorfallbehandlung, Rückverfolgungsanalyse und Wiederherstellungsmechanismen abdecken, um den Einfluss von Sicherheitsvorfällen auf den Betrieb von Stromsystemen zu mildern. Erstens, in der Bedrohungserkennungsphase, sollte auf Basis einer SOAR-Plattform Alarmereignisse automatisch analysiert und die Angriffstypen durch Kombination von Bedrohungsinformationen bewertet werden, um die Genauigkeit der Ereignisklassifizierung zu verbessern.

Zweitens, in der Vorfallbehandlungsphase, sollte ein gestaffelter Reaktionmechanismus eingesetzt werden, um Sicherheitsvorfälle in Stufen I bis IV zu klassifizieren und entsprechende Maßnahmen gemäß dem Vorfallniveau zu ergreifen, wie zum Beispiel infizierte Endgeräte zu isolieren, bösartige IP-Adressen zu blockieren oder auf ein Backup-Kontrollzentrum umzuschalten. Für fortgeschrittene persistente Bedrohungen (APT) kann eine aktive Verteidigungsstrategie basierend auf Bedrohungsjagd eingesetzt werden, die YARA-Regeln verwendet, um versteckte Backdoors zu erkennen und die Angriffserkennungsrate zu verbessern. Schließlich, in der Rückverfolgungsanalysephase, sollte durch Ereignis-Retrospektive und Forensik-Analyse, kombiniert mit dem Cyber Kill Chain-Angriffsgraph, der Angriffspfad rekonstruiert werden, um die Taktiken, Techniken und Verfahren (TTPs) des Angreifers zu identifizieren und eine Grundlage für nachfolgende Sicherheitsverbesserungen bereitzustellen.

3. Anwendung von Schlüsselinformatiksicherheitstechnologien

3.1 Blockchain-basierte Lösung für die Nachverfolgung von Stromdaten

Blockchain-Technologie bietet mit ihren Eigenschaften der Dezentralisierung, Unveränderlichkeit und Nachverfolgbarkeit eine hochgradig glaubwürdige Lösung für die Nachverfolgung von Stromdaten in Stromüberwachungssystemen. In der Stromdatenverwaltung sind Datenintegrität und -glaubwürdigkeit zentrale Fragen. Traditionelle zentralisierte Datenbanken haben das Risiko von Single-Point-Failure und Manipulation. Blockchain nutzt verteilte Ledger-Technologie, um die Sicherheit der Datenspeicherung zu gewährleisten.

Erstens, auf der Datenspeicherungsebene, werden Hashketten verwendet, um Stromüberwachungsdaten zu verschlüsseln und zu speichern, wobei jedes Datenstück einen eindeutigen Hash-Wert erzeugt, der mit dem vorherigen Block verknüpft ist, um zeitliche Konsistenz und Unveränderlichkeit der Daten sicherzustellen. Zweitens, auf der Ebene der Datenaustausch, wird eine Konsortium-Chain-Architektur verwendet, bei der Netzdispositionscenter, Umspannwerke und Regulierungsbehörden als Konsortium-Knoten festgelegt werden, um die Datenauthentizität durch Byzantinische-Fehler-Toleranz-Konsensmechanismen zu überprüfen, um sicherzustellen, dass Daten nur von autorisierten Knoten geändert werden können, um die Datensicherheit zu erhöhen.

Schließlich, was die Zugriffskontrolle betrifft, wird ein Berechtigungsverwaltungssystem basierend auf Smart Contracts kombiniert, um Zugriffsregeln zu definieren, um sicherzustellen, dass Benutzerzugriffsberechtigungen durch Richtlinien eingeschränkt sind, um unbefugte Datenabrufe zu vermeiden. Beispielsweise, durch die Bereitstellung von Smart Contracts über das Hyperledger Fabric-Framework, sind Wartungspersonal auf die Abfrage des Betriebsstatus von Geräten beschränkt, während Regulierungsbehörden auf vollständige historische Daten zugreifen können, um Datenschutz und Konformität sicherzustellen.

3.2 Informationsicherheitsschutz für Stromsysteme in 5G- und Edge-Computing-Umgebungen

Die integrierte Anwendung von 5G und Edge-Computing in Stromüberwachungssystemen erhöht die Datenverarbeitungseffizienz und die Echtzeit-Reaktionsfähigkeiten, führt aber auch neue Informationsicherheitsherausforderungen mit sich. Erstens, was die Kommunikationssicherheit betrifft, da 5G-Netze eine Network-Slicing-Architektur verwenden, müssen für verschiedene Dienstverkehre unabhängige Sicherheitsrichtlinien konfiguriert werden, um Cross-Slice-Angriffe zu verhindern.

End-to-End-Verschlüsselung (E2EE) sollte eingesetzt werden, kombiniert mit dem Elliptic-Curve-Digital-Signature-Algorithm (ECDSA), um sicherzustellen, dass Stromdispositionsdaten während der Übertragung nicht manipuliert oder gestohlen werden. Zweitens, was die Edge-Computing-Sicherheit betrifft, sollte eine Trusted-Execution-Environment (TEE) eingesetzt werden, wie Intel SGX oder ARM TrustZone, um Edge-Knoten sicher zu isolieren und das Eindringen von bösartigem Code in kritische Steuerlogik zu verhindern.

Ein dezentralisiertes Identitätsauthentifizierungsmechanismus (DID) sollte eingesetzt werden, um die Zugriffsberechtigungen von Edge-Geräten durch dezentralisierte Identifikatoren (Decentralized Identifier) zu verwalten, um das Risiko von Zugangsdatenlecks zu reduzieren. Schließlich, für das Problem, dass Edge-Computing-Knoten anfällig für physische Angriffe sind, sollte Hardware-Root-of-Trust (RoT)-Technologie eingesetzt werden, um die Remoteverifizierung der Integrität von Gerätefirmware durchzuführen, um sicherzustellen, dass Geräte nicht bösartig manipuliert wurden.

4. Fazit

Informationsicherheitstechnologien in Stromüberwachungssystemen spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung eines stabilen Netzbetriebs und der Verhinderung von Cyberangriffen. Durch den Aufbau eines mehrstufigen Sicherheitsschutzsystems und die Einführung von Schlüsseltechnologien wie Blockchain, 5G, Edge-Computing und Verschlüsselungsalgorithmen kann die Datensicherheit, die Netzwerkverteidigungsfähigkeit und die Präzision der Zugriffskontrolle effektiv verbessert werden.

In Verbindung mit intelligenten Überwachungs- und Notfallreaktionsmechanismen kann eine Echtzeit-Bedrohungserkennung und schnelle Behandlung erreicht werden, um Sicherheitsrisiken zu reduzieren. Mit der Entwicklung der Netzdigitalisierung und -intelligenz werden Informationsicherheitstechnologien weiterhin fortschreiten, um zunehmend komplexen Cyberangriffsmethoden entgegenzuwirken und sicherzustellen, dass Stromüberwachungssysteme langfristig sicher, stabil und effizient betrieben werden können.