FlexONet - Flexible virtuelle Nachbildung von OT-Netzwerken in der Energieversorgung

Wie lassen sich Stationsfunktionen in Umspannwerken und Ortsnetzstationen künftig hardwareunabhängig entwickeln und testen? Im Projekt FlexONet entwickelt das Fraunhofer IOSB-AST als Konsortialführer eine flexible Testumgebung auf Basis virtualisierter OT-Infrastrukturen der Energieversorgung.

Die operativen Technologienetzwerke (OT-Netzwerke) in der Energieversorgung – etwa in Umspannwerken, Ortsnetzstationen oder Sonderanlagen – werden mit dem Voranschreiten der Energiewende immer komplexer.

Neue Stationsfunktionen, Schutz- und Automatisierungskomponenten müssen regelmäßig getestet, validiert und in bestehende Infrastrukturen integriert werden. Bislang geschieht dies überwiegend an realer Hardware, was zeitaufwändig, kostenintensiv und in der Variantenvielfalt stark eingeschränkt ist.

Zugleich steigen die Anforderungen an die Cybersicherheit: Potenzielle Schwachstellen und Angriffsszenarien müssen systematisch analysiert werden können – idealerweise ohne den laufenden Betrieb zu gefährden.

Das Verbundprojekt FlexONet verfolgt das Ziel, OT-Infrastrukturen der Energieversorgung virtuell nachzubilden und in einer flexiblen, hardwareunabhängigen Testumgebung bereitzustellen. Damit sollen Testroutinen für Stationskomponenten und -funktionen künftig vollständig in einer virtualisierten Umgebung durchführbar sein – reproduzierbar, skalierbar und unabhängig von konkreten Herstellerprodukten. Das Projekt schafft damit die Grundlage für ein langfristiges Zielbild: vollständig virtualisierte, hardwareunabhängige Stationsfunktionen in der Energieversorgung.

Als Konsortialführer verantwortet das Fraunhofer IOSB-AST die wissenschaftliche und technische Gesamtkoordination des Projekts. Die inhaltlichen Schwerpunkte des IOSB-AST umfassen:

Vorgehensmodell zur Erstellung virtueller Infrastrukturabbilder Ein zentraler Forschungsbeitrag des IOSB-AST ist die Entwicklung eines systematischen Vorgehensmodells, mit dem sich reale OT-Infrastrukturen in virtuelle Abbilder überführen lassen. Dabei werden vorhandene Informationsquellen – darunter Beschreibungsdateien (z. B. SCL/SCD-Dateien nach IEC 61850), Netzpläne und Prozessdaten – strukturiert ausgewertet und in ein konsistentes virtuelles Modell transformiert. Ziel ist ein weitgehend automatisierter Aufbauprozess, der den manuellen Modellierungsaufwand erheblich reduziert.

Aufbau der flexiblen Testumgebung Das IOSB-AST konzipiert und implementiert die zentrale Testumgebung, in der die virtuellen Infrastrukturen instanziiert, konfiguriert und betrieben werden. Die Umgebung ist so gestaltet, dass sie:

• flexibel anpassbar ist – verschiedene Infrastrukturtypen und Topologien lassen sich ohne Hardwareänderungen abbilden,
• unterschiedliche Testroutinen unterstützt – von klassischen Funktionstests einzelner Komponenten bis hin zu komplexen Szenarien, und
• Sicherheitsanalysen ermöglicht – einschließlich der Untersuchung von Angriffsszenarien und deren Auswirkungen auf den Stationsbetrieb.

Definition und Umsetzung der Anwendungsfälle Gemeinsam mit den Projektpartnern definiert das IOSB-AST drei zentrale Anwendungsfälle, für die jeweils spezifische virtuelle Infrastrukturen aufgebaut werden:

• Umspannwerke: Virtualisierung komplexer Stationsautomatisierungen mit Schutz-, Steuer- und Überwachungsfunktionen
• Ortsnetzstationen: Abbildung dezentraler Stationen im Verteilnetz mit zunehmender Automatisierung und Sensorik
• Sonderanlagen: Nachbildung spezieller Infrastrukturen mit individuellen Anforderungen an Kommunikation und Funktionalität

Alle drei Anwendungsfälle werden durch eine Netzsimulation gespeist, die realistische Prozessdaten bereitstellt und damit eine authentische Betriebsumgebung innerhalb der virtuellen Infrastruktur erzeugt.

Innerhalb der nachgebildeten Infrastrukturen werden virtualisierte Stationsfunktionen entwickelt und erprobt. Das IOSB-AST untersucht hierbei insbesondere, wie sich Funktionen wie Schutzalgorithmen, Automatisierungslogiken oder Kommunikationsprotokolle in einer rein softwarebasierten Umgebung zuverlässig abbilden und validieren lassen.

FlexONet schafft eine herstellerunabhängige Plattform, auf der Stationsfunktionen in einer virtuellen Umgebung entwickelt, getestet und validiert werden können. Die Ergebnisse legen den Grundstein für einen Paradigmenwechsel in der Betriebstechnik der Energieversorgung: weg von hardware-gebundenen Testaufbauten, hin zu flexiblen, virtualisierten Testinfrastrukturen, die sowohl Funktionstests als auch Cybersicherheitsanalysen effizient ermöglichen.

Dieses Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

• Technische Universität Dortmund
• H&S Hard- und Software Technologie GmbH & Co. KG
• Fachhochschule Bielefeld
• Stadtwerke Bielefeld GmbH
• Sprecher Automation GmbH