HPEM-Verwundbarkeit des Smart Grid

Lanzrath, Marian GND

Die unterbrechungsfreie Versorgung mit Strom zählt in der heutigen Gesellschaft als eines der wichtigsten Güter, von deren ordnungsgemäßer Verfügbarkeit eine Vielzahl von alltäglichen, industriellen wie auch administrativen Prozessen abhängig sind.
Ausfälle im System können je nach Schwere nachhaltige Versorgungsengpässe sowie erhebliche Störungen der öffentlichen Sicherheit verursachen.
Aus diesem Grund wird die Strominfrastruktur von den Behörden als kritische Infrastruktur eingeordnet und in der nachfolgenden Ausarbeitung auch als solche betrachtet.

Der zunehmende Einsatz elektronischer und PC-gestützter Systeme bei der Modernisierung von elektrotechnischen Anlagen für die Optimierung und Automatisierung von Prozessabläufen, wie beispielsweise im intelligenten Stromnetz (Smart Grid) umgesetzt, hat jedoch den Nachteil einer Zunahme der Empfindlichkeit dieser Systeme gegenüber externen Störgrößen.
Eine dieser zusätzlichen Bedrohungen besteht in einer vorsätzlichen Beeinflussung der elektronischen Systeme mit elektromagnetischen Störsignalen (IEMI, Intentional Electromagnetic Interference), welche Fehlfunktionen und Ausfälle bei den Elektroniken verursachen können.
Dabei können die Störsignale sowohl leitungsgeführt wie auch gestrahlt auf die elektronischen Systeme einwirken.
Auf Grund der Tatsache, dass jedes elektronische Gerät oder System individuelle Empfindlichkeiten gegenüber externen Störgrößen aufweist, die beispielsweise auch in Abhängigkeit von Signalparametern des Störsignals variieren können, müssen die Risiken sowie die Auswirkungen eines Ausfalls im Detail analysiert werden.

In der nachfolgenden Ausarbeitung werden die Methodik sowie auch Ergebnisse einer detaillierten Studie zur Risikoanalyse der kritischen Infrastruktur Smart Grid gegenüber einer vorsätzlichen Beeinflussung durch elektromagnetische Störgrößen unter Anwendung etablierter Methoden aus dem Bereich des Risikomanagements dargestellt.
Neben der theoretischen Betrachtung der Bedrohung wurden zusätzlich umfangreiche empirische Laboruntersuchungen an einer für die deutsche Energieinfrastruktur repräsentativen Auswahl an elektronischen Steuer- und Kontrollgeräten aus kritischen Schaltanlagen sowie einer Auswahl an intelligenten Stromzählern durchgeführt.
Dabei wurden neben der einfachen Bestimmung von Empfindlichkeiten der untersuchten elektronischen Systeme weiterhin auch ausführliche Untersuchungen zu Einkoppelpfaden der elektromagnetischen Störgrößen im Labor sowie Signaldämpfungsanalysen an in Betrieb befindlichen Schaltanlagen der Strominfrastruktur durchgeführt.
Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen konnten außerdem im Rahmen einer Messkampagne an der baulichen Nachbildung einer realen Infrastruktur validiert werden.

Die untersuchten intelligenten Stromzähler sowie Netzbetriebsmittel der Energieversorgungsunternehmen weisen zum Teil eine signifikante Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störsignalen auf, wobei auch eine Vielzahl kritischer Ausfälle verursacht werden konnte, die gegebenenfalls einen Einfluss auf die Stabilität der Strominfrastruktur haben können.
Die hier gewonnenen Ergebnisse bilden eine substantielle Grundlage für die Risikoanalyse von HPEM-Bedrohungen und für die Dimensionierung von effizienten Schutzmaßnahmen, die im Kontext der kritischen Infrastrukturen kosteneffizient und schnell umgesetzt werden könnten.

The uninterrupted supply of electrical energy is one of the most important goods for modern society, because a huge variety of everyday, industrial and administrative processes rely on the sustained availability of the energy supply.
Potential power outages could cause sustained bottlenecks in supply as well as significant disorders for the public safety, depending on their severity.
As a consequence, the government has declared the power infrastructure to be a critical infrastructure which has to be addressed in the succeeding considerations.

The increasing implementation of electronical and computer-based systems as part of modernisation processes of electrotechnical systems for optimization and automatization, such as implemented in the Smart Grid, is accompanied by the disadvantage of an increasing susceptibility of these systems to external disturbances.
One of these additional threats is based on the intentional interference using electromagnetic signals to cause malfunctions to the systems (IEMI, Intentional Electromagnetic Interference). The disturbing signals could be directly injected on the connected cabling or couple into the systems by irradiating them.
Based on the fact that every electronic system has an individual susceptibility to electromagnetic disturbance signals which might also depend on different excitation parameters, the consequences and risks have to be evaluated in detail for each individual system.

In the following report, the method as well as the results of a study concerning the risk analysis of the critical infrastructure Smart Grid against IEMI using established riskmanagement methods for the evaluation are presented.
Besides the theoretical considerations of the IEMI threat further detailed empirical laboratory studies were performed. These studies contain the testing of a representative selection of electronical control and communication systems used within critical substations of the German power grid as well as some Smart Meter devices on their susceptibility to IEMI excitation.
Alongside with the determination of the IEMI susceptibility of the test devices within a wide frequency range, also additional investigations using various excitations methods and signalparameters were used to gain information on the coupling paths into the test systems.
Furthermore, investigations have been conducted concerning the electromagnetic signal reduction performance of typical operating substations within the German power grid.
Finally, the laboratory studies were validated using a close to reality infrastructure for the susceptibility testing. The ascertained test results of the investigated systems revealed a significant susceptibility to IEMI, while a mass of critical malfunctions were recorded.
Their analysis in the system context yielded possible consequences which might also have an impact on the stability of the infrastructure as a whole.

The achieved results of the study form an important basis for the risk analysis of electromagnetic threats and the design of effective protective measures, which could be easily implemented in the critical infrastructures implying low costs.

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Lanzrath, Marian: HPEM-Verwundbarkeit des Smart Grid. 2020.

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