Doctoral Thesis

Modeling and evaluation of cybersecurity in electrical power systems

Final Thesis 2.1 MB Summary of Thesis 2.1 MB

Author of thesis: Ing. Petr Blažek, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Václav Zeman, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Ladislav Pospíchal, CSc., doc. Mgr. Karel Slavíček, Ph.D.

Abstract:

This dissertation addresses the issue of cybersecurity in smart grids, with a focus on data communication and the protection of the transmission and distribution infrastructure. In response to the increasing digitalization and integration of operational technologies, the work aims to design a realistic sandbox architecture for research, testing, and training in the field of cybersecurity for power systems.
The main outcome is a modular and scalable test environment that combines physical, emulated, and virtualized components, enabling simulation of substation operations, modeling of cyberattacks, and validation of mitigation measures without endangering real infrastructure. The design is based on a systematic analysis of the communication architecture in smart grids using IEC 61850 and IEC 60870 standards, extended with traffic modeling through queueing theory (M/M/1, M/D/1, MMPP).
The solution includes a multi-layered security analysis based on STRIDE and MITRE ATT&CK, identifying vulnerabilities in protocols and devices. The results were compared against the requirements of standards such as IEC 62351, IEC 62443, NIST 800-82, and ENISA recommendations. The resulting platform supports effective and technically faithful testing of high-load scenarios, hands-on training of technical staff, and the generation of representative datasets for further research. The dissertation contributes to strengthening the resilience of electrical power systems against cyber threats and supports the development of applied security in the domain of critical infrastructure.

Keywords:

critical infrastructure, cybersecurity, distribution system, IEC 60870-5-104, IEC 61850, IEC 62351, IEC 62443, MITRE ATT&CK, NIST 800-82, smart grid, STRIDE, transmission system

Date of defence

03.02.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertant jasně a stručně přednesl vědecké výsledky práce. Zodpověděl všechny dotazy členů komise a komise byla s odpověďmi spokojena.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Telecommunications

Study programme

Teleinformatics (DKC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
doc. Ing. Martin Kyselák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. František Urban, CSc. (člen)
prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka (člen)
doc. Ing. Radek Fujdiak, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Mišurec, CSc. (člen)
doc. Ing. Ladislav Pospíchal, CSc. (člen)
doc. Mgr. Karel Slavíček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Václav Zeman, Ph.D.

Doktorand Ing. Petr Blažek se ve své disertační práci zabývá problematikou kyberbezpečnosti průmyslových a elektroenergetických systémů, se zaměřením na návrh a realizaci experimentálních a testovacích prostředí pro výzkum bezpečnosti průmyslových technologií. Zvolené téma odpovídá současným výzkumným směrům v oblasti informačních a průmyslových technologií.
Doktorand v průběhu studia prokázal schopnost samostatné odborné práce a systematického přístupu k řešení zadaných výzkumných úloh. Práce vhodně kombinuje teoretická východiska s praktickou implementací experimentálních platforem a je založena na využití reálných průmyslových protokolů a technologií používaných v elektroenergetice a průmyslových systémech.
Výsledky disertační práce byly průběžně publikovány v mezinárodních časopisech a konferencích, včetně impaktovaných časopisů. Publikační činnost doktoranda je tematicky konzistentní a přímo souvisí s řešenou disertační problematikou, přičemž doktorand se na publikacích podílel jako hlavní nebo významný spoluautor.
Doktorand se dále podílel na řešení výzkumných projektů zaměřených na kybernetickou bezpečnost a průmyslové systémy, zejména v oblasti návrhu experimentálních prostředí a analýzy síťové komunikace. Absolvoval krátkodobou zahraniční výzkumnou stáž, jejímž výsledkem byla publikační činnost.
V průběhu doktorského studia se doktorand významně podílel na výuce laboratorních cvičení v oblasti datových přenosů a aplikované kryptografie. Tuto činnost hodnotím jako velice přínosnou jak pro studenty, tak pro chod pracoviště.
Na základě dosažených výsledků konstatuji, že doktorand splnil povinnosti vyplývající z doktorského studijního programu. Disertační práce splňuje veškeré požadavky na ni kladené a doporučuji jí k obhajobě.

Reviewer’s report
doc. Ing. Ladislav Pospíchal, CSc.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 3,61 MB

Reviewer’s report
doc. Mgr. Karel Slavíček, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,67 MB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová