The operation of the smart grid is expected to be heavily reliant on microprocessor-based control. Thus, there is a strong need for interoperability standards to address the heterogeneous nature of the data in the smart grid. In this research, we analyzed in detail the security threats of the Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE) and Sampled Measured Values (SMV) protocol mappings of the IEC 61850 data modeling standard, which is the most widely industry-accepted standard for power system automation and control. We found that there is a strong need for security solutions that are capable of defending the grid against cyber-attacks, minimizing the damage in case a cyber-incident occurs, and restoring services within minimal time. To address these risks, we focused on correlating cyber security algorithms with physical characteristics of the power system by developing intelligent agents that use this knowledge as an important second line of defense in detecting malicious activity. This will complement the cyber security methods, including encryption and authentication. Firstly, we developed a physical-model-checking algorithm, which uses artificial neural networks to identify switching-related attacks on power systems based on load flow characteristics. Secondly, the feasibility of using neural network forecasters to detect spoofed sampled values was investigated. We showed that although such forecasters have high spoofed-data-detection accuracy, they are prone to the accumulation of forecasting error. In this research, we proposed an algorithm to detect the accumulation of the forecasting error based on lightweight statistical indicators. The effectiveness of the proposed algorithms was experimentally verified on the Smart Grid testbed at FIU. The test results showed that the proposed techniques have a minimal detection latency, in the range of microseconds. Also, in this research we developed a network-in-the-loop co-simulation platform that seamlessly integrates the components of the smart grid together, especially since they are governed by different regulations and owned by different entities. Power system simulation software, microcontrollers, and a real communication infrastructure were combined together to provide a cohesive smart grid platform. A data-centric communication scheme was selected to provide an interoperability layer between multi-vendor devices, software packages, and to bridge different protocols together.

Motor control assets are foundational elements in many industrial operations. In the mining industry, these assets primarily consist of motor control centers and drives, which are available with a comprehensive assortment of control and monitoring devices. Various intelligent electronic devices (IEDs) are now used to prevent machine damage and downtime. As motor control devices have advanced in technology, so too have the IEDs that protect them. These advances have resulted in new standards, such as IEC 61850, that have embedded intelligence and a standard set of communication schemes by which IEDs can share information in a peer-to-peer or one-to-many fashion. This dissertation investigated the steps involved in interfacing IEDs to a mining process control network via the use of the IEC 61850 standard. As a result of this study, several key technological advancements were made including the development of (i) vendor independent system to communicate with IEDs in a mining environment over IEC 61850, (ii) command and control methods for communication based assisted automation of IEDs for mining firms, (iii) effective solutions to incorporate electrical distribution data in the process control system, (iv) enhanced safety platforms through remote operation of IEDs, (v) standard visualization faceplate graphics for HMI operators with enhanced security, and (vi) new methods for time stamped dataflow to be correctly inserted into a process historian for 'true' Sequence of Events Records. / Ph. D.

O desenvolvimento e utilização do padrão IEC 61850 alterou a concepção e operação das subestações de energia elétrica. O desempenho e confiabilidade do sistema de proteção depende da rede de comunicação de dados. Esta pesquisa propõe um parâmetro de dimensionamento e comparação de desempenho para o tempo de transferência das mensagens Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) entre Intelligent Electronic Devices (IEDs). Esse parâmetro foi obtido através do levantamento experimental da curva do tempo de transferência das mensagens GOOSE versus a ocupação percentual da largura de banda dos IEDs. Para a realização dos experimentos foram utilizados três IEDs, um switch Ethernet gerenciável, três microcomputadores do tipo PC, um relógio sincronizador Global Positioning System (GPS), cordões de fibra óptica, cabos do tipo par trançado sem blindagem e aplicativos de software. Os resultados mostraram que a partir de um limiar característico, o qual é distinto para cada IED ensaiado, o tempo de transferência excede o limite máximo permitido pelo padrão IEC 61850. A partir da análise destes dados, foi desenvolvido um sistema preditivo de monitoramento de banda para supervisionar a interface de rede dos IEDs. O sistema preditivo apresentou para a medição de banda um erro relativo médio igual a 0,55% em relação ao aplicativo comercial utilizado na comparação, já a predição feita pela rede neural artificial apresentou um erro de estimativa menor do que 3% para 91,30% das amostras utilizadas, além de modelar adequadamente o comportamento da série temporal que representa a ocupação de banda do IED monitorado. / The development and utilization of IEC 61850 standard changed the design and operation of electric power substations. The performance and reliability of the protection system depends on the data communication network. This research proposes a parameter for dimensioning and comparising the transfer time of Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) messages between different Intelligent Electronic Devices (IEDs). This parameter was obtained from experimental data related to the transfer time of GOOSE messages curve versus IEDs bandwidth percentage occupation. In this context, a laboratory structure was set up in order to carry out these experiments. This structure mainly consists of three IEDs, an Ethernet switch, three personal computers, a GPS Clock, fiber optic cables, unshielded twisted pair cables, as well as support software. The results show the existence of a characteristic threshold, different for each IED tested, after which the transfer time exceeded the total transmission time allowed for the IEC 61850 standard. Based on these results, a predictive bandwidth monitoring system was developed to supervise the IEDs bandwidth interface. The bandwidth measurement has a mean relative error of 0.55% regarding to the commercial software used for comparison. Finally, the forecasting made by the artificial neural network has a relative error of 3% for 91,30% of the samples used in test phase. In addition, that it was able to model the behaviour of the time series that represent the bandwidth occupation.

O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

Desde seu lançamento, em 2002, a Norma IEC 61850 vem evoluindo para se tornar o padrão adotado nos Sistemas de Automação de Subestações. Dentre seus vários aspectos, destacam- se os serviços de tempo real, que permitem a implementação de funções de automação e de proteção dentro da subestação através da troca de mensagens específicas entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes através de um barramento digital de rede de dados. O objetivo central deste trabalho é explorar algumas das questões que envolvem a implementação de uma classe de serviços de tempo real: a transmissão de valores amostrados através de Serviços SMV, definidos pela Norma IEC 61850-9. Primeiramente, apresenta-se um breve resumo das principais características da Norma IEC 61850 que possibilitam o atendimento dos três requisitos por ela estabelecidos como base: a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, a versatilidade na configuração e reconfiguração do Sistema de Automação da Subestação, e a possibilidade de implementação de novas tecnologias. Em seguida, explora-se com maior profundidade todos os aspectos relevantes à implementação dos Serviços SMV. Devido à complexidade deste assunto, o autor propõe abordá-lo sob a ótica de cinco tópicos interdependentes: variações da Norma IEC 61850-9, confiabilidade do barramento de processo, sincronismo de tempo, análise da qualidade da medição e segurança cibernética. Com base nos resultados apresentados neste estudo, propõem-se duas plataformas, um protótipo de Transformador de Potencial Óptico e um protótipo de Relé de Proteção Diferencial para transformadores de potência, com o objetivo de explorar alguns dos aspectos pertinentes à implementação de um barramento de processo de acordo com a Norma IEC 61850-9. Também foram realizados testes de geração e transmissão de mensagens contendo valores de amostras de tensão/corrente do sistema elétrico (denominadas de SV Messages) com a finalidade de implementá-las de fato e avaliar as ferramentas de mercado disponíveis. Por fim foi proposto um modelo para a simulação do sistema de potência em conjunto com a rede de comunicação utilizando o programa Matlab/Simulink. O autor espera que este trabalho contribua para esclarecer os vários conceitos envolvidos na implementação do barramento de processo definido pela Norma IEC 61850-9, auxiliando na pesquisa e no desenvolvimento de novas ferramentas e dispositivos, e no aprimoramento da Norma IEC 61850. / Since its introduction, in 2002, the IEC 61850 Standard has been evolved to become the standard adopted in Substation Automation Systems. Among its various aspects it can be highlighted the real-time services, which allows the implementation of automation and protection functions within the substation by exchanging specific messages between Intelligent Electronic Devices via a digital data bus network. The main objective of this text is to explore some issues about the implementation of one class of real-time services: the transmission of sampled values through SMV Services, defined by IEC 61850-9 Standard. First, it is presented a brief summary of the main features of IEC 61850 Standard which allows it to meet the three main requirements on this standard: interoperability between devices from different manufacturers, versatility in configuration and reconfiguration of Substation Automation System, and possibility of implementation of new technologies. Next, it is explored, with more details, all aspects involved in the implementation of SMV Services. Due to the complexity of this subject, the author proposes approaches it from the perspective of five interdependent topics: variations of IEC 61850-9 Standard, process bus reliability, time synchronism, analysis of measurement quality, and cyber security. Based on results presented two platforms are proposed, an Optical Voltage Transformer prototype and a Differential Protection Relay prototype for power transformers, in order to explore some of aspects related to the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard. It was executed also some tests of generation and transmission of messages containing samples values of voltage/current from power system (referred as SV Messages) in order to implement them in fact, and to evaluate available market tools. At the end it is propoused a model for simulation of power system and network communication using Matlab/Simulink software. The author hopes this work may contribute to clarify the various concepts involved in the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard, aiding in research and development of new tools and devices, and improvement of IEC 61850 Standard.

O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

O desenvolvimento e utilização do padrão IEC 61850 alterou a concepção e operação das subestações de energia elétrica. O desempenho e confiabilidade do sistema de proteção depende da rede de comunicação de dados. Esta pesquisa propõe um parâmetro de dimensionamento e comparação de desempenho para o tempo de transferência das mensagens Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) entre Intelligent Electronic Devices (IEDs). Esse parâmetro foi obtido através do levantamento experimental da curva do tempo de transferência das mensagens GOOSE versus a ocupação percentual da largura de banda dos IEDs. Para a realização dos experimentos foram utilizados três IEDs, um switch Ethernet gerenciável, três microcomputadores do tipo PC, um relógio sincronizador Global Positioning System (GPS), cordões de fibra óptica, cabos do tipo par trançado sem blindagem e aplicativos de software. Os resultados mostraram que a partir de um limiar característico, o qual é distinto para cada IED ensaiado, o tempo de transferência excede o limite máximo permitido pelo padrão IEC 61850. A partir da análise destes dados, foi desenvolvido um sistema preditivo de monitoramento de banda para supervisionar a interface de rede dos IEDs. O sistema preditivo apresentou para a medição de banda um erro relativo médio igual a 0,55% em relação ao aplicativo comercial utilizado na comparação, já a predição feita pela rede neural artificial apresentou um erro de estimativa menor do que 3% para 91,30% das amostras utilizadas, além de modelar adequadamente o comportamento da série temporal que representa a ocupação de banda do IED monitorado. / The development and utilization of IEC 61850 standard changed the design and operation of electric power substations. The performance and reliability of the protection system depends on the data communication network. This research proposes a parameter for dimensioning and comparising the transfer time of Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) messages between different Intelligent Electronic Devices (IEDs). This parameter was obtained from experimental data related to the transfer time of GOOSE messages curve versus IEDs bandwidth percentage occupation. In this context, a laboratory structure was set up in order to carry out these experiments. This structure mainly consists of three IEDs, an Ethernet switch, three personal computers, a GPS Clock, fiber optic cables, unshielded twisted pair cables, as well as support software. The results show the existence of a characteristic threshold, different for each IED tested, after which the transfer time exceeded the total transmission time allowed for the IEC 61850 standard. Based on these results, a predictive bandwidth monitoring system was developed to supervise the IEDs bandwidth interface. The bandwidth measurement has a mean relative error of 0.55% regarding to the commercial software used for comparison. Finally, the forecasting made by the artificial neural network has a relative error of 3% for 91,30% of the samples used in test phase. In addition, that it was able to model the behaviour of the time series that represent the bandwidth occupation.

Desde seu lançamento, em 2002, a Norma IEC 61850 vem evoluindo para se tornar o padrão adotado nos Sistemas de Automação de Subestações. Dentre seus vários aspectos, destacam- se os serviços de tempo real, que permitem a implementação de funções de automação e de proteção dentro da subestação através da troca de mensagens específicas entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes através de um barramento digital de rede de dados. O objetivo central deste trabalho é explorar algumas das questões que envolvem a implementação de uma classe de serviços de tempo real: a transmissão de valores amostrados através de Serviços SMV, definidos pela Norma IEC 61850-9. Primeiramente, apresenta-se um breve resumo das principais características da Norma IEC 61850 que possibilitam o atendimento dos três requisitos por ela estabelecidos como base: a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, a versatilidade na configuração e reconfiguração do Sistema de Automação da Subestação, e a possibilidade de implementação de novas tecnologias. Em seguida, explora-se com maior profundidade todos os aspectos relevantes à implementação dos Serviços SMV. Devido à complexidade deste assunto, o autor propõe abordá-lo sob a ótica de cinco tópicos interdependentes: variações da Norma IEC 61850-9, confiabilidade do barramento de processo, sincronismo de tempo, análise da qualidade da medição e segurança cibernética. Com base nos resultados apresentados neste estudo, propõem-se duas plataformas, um protótipo de Transformador de Potencial Óptico e um protótipo de Relé de Proteção Diferencial para transformadores de potência, com o objetivo de explorar alguns dos aspectos pertinentes à implementação de um barramento de processo de acordo com a Norma IEC 61850-9. Também foram realizados testes de geração e transmissão de mensagens contendo valores de amostras de tensão/corrente do sistema elétrico (denominadas de SV Messages) com a finalidade de implementá-las de fato e avaliar as ferramentas de mercado disponíveis. Por fim foi proposto um modelo para a simulação do sistema de potência em conjunto com a rede de comunicação utilizando o programa Matlab/Simulink. O autor espera que este trabalho contribua para esclarecer os vários conceitos envolvidos na implementação do barramento de processo definido pela Norma IEC 61850-9, auxiliando na pesquisa e no desenvolvimento de novas ferramentas e dispositivos, e no aprimoramento da Norma IEC 61850. / Since its introduction, in 2002, the IEC 61850 Standard has been evolved to become the standard adopted in Substation Automation Systems. Among its various aspects it can be highlighted the real-time services, which allows the implementation of automation and protection functions within the substation by exchanging specific messages between Intelligent Electronic Devices via a digital data bus network. The main objective of this text is to explore some issues about the implementation of one class of real-time services: the transmission of sampled values through SMV Services, defined by IEC 61850-9 Standard. First, it is presented a brief summary of the main features of IEC 61850 Standard which allows it to meet the three main requirements on this standard: interoperability between devices from different manufacturers, versatility in configuration and reconfiguration of Substation Automation System, and possibility of implementation of new technologies. Next, it is explored, with more details, all aspects involved in the implementation of SMV Services. Due to the complexity of this subject, the author proposes approaches it from the perspective of five interdependent topics: variations of IEC 61850-9 Standard, process bus reliability, time synchronism, analysis of measurement quality, and cyber security. Based on results presented two platforms are proposed, an Optical Voltage Transformer prototype and a Differential Protection Relay prototype for power transformers, in order to explore some of aspects related to the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard. It was executed also some tests of generation and transmission of messages containing samples values of voltage/current from power system (referred as SV Messages) in order to implement them in fact, and to evaluate available market tools. At the end it is propoused a model for simulation of power system and network communication using Matlab/Simulink software. The author hopes this work may contribute to clarify the various concepts involved in the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard, aiding in research and development of new tools and devices, and improvement of IEC 61850 Standard.

Les systèmes de contrôle et d'automatisation industriels (IACS - Industrial Control and Automation Systems) reposent largement et de plus en plus sur les Technologies de l'Information et de la Communication. A l'origine, les IACS utilisaient des protocoles propriétaires sur des réseaux fermés, assurant ainsi une sécurité par obscurité et isolement. Mais les technologies et les usages ont évolué et cette sécurité intrinsèque n'existe plus désormais. Cette évolution concerne entre autre le domaine électrique : le réseau électrique devenant le "smart grid".Le standard IEC 61850 est un pilier pour le développement du smart grid. Il a pour objectif de rendre possible l'interopérabilité dans les "Systèmes et réseaux de communication pour l'automatisation des services de distribution d'énergie". Pour cela, la norme définit un modèle de données commun ainsi qu'une pile de protocoles répondant à divers besoins de communication.Le standard IEC 61850 n'aborde pas la question de la cyber sécurité malgré une prise de conscience générale qu'un risque cyber pèse sur les IACS.Ces travaux de recherche proposent de répondre à cette question de la cyber sécurité par de la détection d'intrusion dans les réseaux IEC 61850, et plus précisément dans les communications temps-réel GOOSE. L'idée est d'exploiter au maximum les sources d'informations que sont les spécifications du protocole et la configuration du système pour développer un système de détection d'intrusion réseau (NIDS - Network Intrusion Detection System) sur mesure. Cette approche comportementale déterministe est un gage de précision de détection.Ce manuscrit compte quatre chapitres. Les deux premiers consistent en un état de l'art détaillé sur les NIDS pour les IACS d'une part, et l'analyse du risque cyber d'autre part. Les deux autres chapitres présentent les contributions proprement dites de ces travaux de thèse. Le chapitre 3 explore tout d'abord le risque cyber pesant sur un poste électrique et pouvant compromettre la sûreté de fonctionnement du système. Dans un deuxième temps, est proposée une extension du modèle de données IEC 61850 dédiées à la détection d'intrusion dans les communication GOOSE. Le chapitre 4 commence avec la démonstration expérimentale de la faisabilité d'une attaque de type injection de données sur le protocole GOOSE, puis explique comment utiliser les fichiers de configuration du système pour spécifier les règles de détection. Un analyseur syntaxique pour le protocole GOOSE a été intégré à l'analyseur de trafic open source Bro, permettant l'implémentation d'un algorithme de détection. / Information and Communication Technologies have been pervading Industrial Automation and Control Systems (IACS) for a few decades now. Initially, IACS ran proprietary protocols on closed networks, thus ensuring some level of security through obscurity and isolation. Technologies and usages have evolved and today this intrinsic security does not exist any longer, though. This transition is in progress in the electricity domain, the power infrastructure turning into the "smart grid".The IEC 61850 standard is key to the smart grid development. It is aimed at making interoperability possible in ``Communication networks and systems for power utility automation''. It thus defines a common data object model and a stack of protocols answering different purposes.Although the cyber risk in IACS is now widely acknowledged, IEC 61850 does not address cyber security in any way whatsoever.This work tackles the question of cyber security through network intrusion detection in IEC 61850 networks, and more specifically in real-time GOOSE communications. The idea is to get the most out of the protocol specifications and system configuration while developing a tailored NIDS. This enables detection accuracy.

This report studies the possibilities of minimizing unplanned maintenance work and improving the availability of power supply by enabling preventive maintenance in power systems, without having to make additional investments in the existing systems. This was done using information from COMTRADE files (disturbance recording files) that are created in the event of a fault in the power system. The IEC 61850 standard facilitates the process of retrieving and analyzing the disturbance files by standardizing their format and the way they are stored. By creating a software solution that automatically reads and analyses the COMTRADE files, deteriorating performance of the power system equipment can be detected and preventive maintenance suggested. The result of the project is a software solution that reads and analyses COMTRADE files in an automated way. The software identifies fault events (fault start, trip signal sent, circuit breaker open, auto-reclose command, circuit breaker closed) from the recorded signals using wavelet transform as the main method. It then calculates the times of relay and circuit breaker operations. The calculated times are compared to threshold values and warnings are generated if they exceed the thresholds. / Denna rapport studerar möjligheten att minimera oönskade underhållsarbeten och öka tillgången på strömförsörjning genom att möjliggöra förebyggande underhåll i kraftsystemet, utan att behöva göra ytterligare investeringar för sina befintliga system. Detta gjordes med hjälp av information från COMTRADE-filer (filer för inspelning av störningar) som skapades vid ett fel i elnätet. IEC 61850-standarden underlättar processen för att hämta och analysera störningsfilerna genom att standardisera sitt format och hur de lagras. Genom att skapa en programvarulösning som automatiskt läser och analyserar COMTRADE-filerna, kan försämrad prestanda hos strömsystemets utrustning detekteras och förebyggande underhåll föreslås. Resultatet av projektet är en mjukvarulösning som läser och analyserar COMTRADE-filer på ett automatiserat sätt. Programvaran identifierar felhändelser (fel start, sänd bryt-signal, brytare öppen, automatisk återstängnings kommando, strömbrytare stängd) från de inspelade signalerna med wavelettransformen som huvudmetod. Därefter beräknas driftstiderna för relä och brytare. De beräknade tiderna jämförs med tröskelvärden och varningar genereras om de överskrider tröskelvärdena.