[論文レビュー] Assessing the impact of cyber attacks manipulating distributed energy resources on power system operation

Philipp Linnartz, Alexander Winkens+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Smart Grid Security and Resilience被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、配電グリッドにおける分散型エネルギー資源（DER）を標的とするサイバー攻撃を、時間領域シミュレーションを用いて検討し、電圧安定性および継電器の連鎖的トリップに与える影響を評価する。反発力（Q）のセットポイント操作は、単なる遮断よりも深刻な局所的電圧違反と追加のDERトリップを引き起こすことが判明。高比率のDER接続とリモートQ制御の存在が攻撃の深刻度を増大させる。自動タップ・チェンジャーとQ制御の上限設定により、攻撃の影響を効果的に軽減できることが示された。

ABSTRACT

Successful cyber attacks on power systems cause severe disruptions. One possible manipulation strategy is the utilization of distributed energy resources (DERs) to disturb power system operation. In addition to the impact on bulk power system frequency, local cascading effects caused by DER control and protection can increase the severity of this strategy. To investigate these effects, manipulation scenarios including the disconnection as well as the manipulation of active (P) and reactive power (Q) setpoints of DERs are derived. The impact is analyzed using time-domain simulations and quantified using assessment criteria such as voltage band violation and plant protection triggering. Though DER disconnection leads to high amounts of lost P injection the manipulation of Q setpoints offers potential to disconnect additional DERs through local cascading effects. To mitigate the impact of the manipulation scenarios automated tap changer operation as well as a limitation of remotely accessible Q is suitable.

研究の動機と目的

• DERの操作を伴うサイバー攻撃が電力系統運用に与える影響、特に配電グリッドにおける連鎖的影響を評価すること。
• DERの遮断、有効電力（P）および無効電力（Q）のセットポイント操作を含む、操作シナリオの深刻度を定量すること。
• 高比率のDER接続とリモートQ制御アクセスの有無が攻撃の重大性に与える影響を評価すること。
• 自動タップ・チェンジャーの運用とQ制御範囲の制限といった、効果的な緩和対策を同定すること。

提案手法

• DERの遮断、Pセットポイントの調整、Qセットポイントの操作を標的とする一般化された操作シナリオを構築した。
• HV-MVベンチマーク・システムを用いた詳細な配電グリッドモデルと、保護および制御機能を備えたDERモデルを用いた時間領域シミュレーションを実施した。
• 電圧帯域違反や設備保護装置の作動発生といった評価基準を用いて、影響を定量化した。
• 異なるDER接続率と初期運転条件の下でシナリオをシミュレートした。
• 変電所における自動OLTC操作と、リモートでアクセス可能なQセットポイントの制限といった緩和対策を評価した。
• 電圧偏差と保護トリップイベントを組み合わせた深刻度インデックスを用いて、攻撃シナリオをランク付けした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DERの遮断、Pセットポイントの調整、Qセットポイントの操作といった異なる操作戦略が、配電グリッドにおける電圧安定性と保護トリップにどのように影響を与えるか。
• RQ2 電圧違反に起因する局所的連鎖的影響が、DERの保護特性および故障耐性特性を通じてどの程度グリッド全体に拡大するか。
• RQ3 DER接続率の上昇が、配電グリッドにおけるサイバー操作攻撃の重大性にどのように影響するか。
• RQ4 無効電力（Q）セットポイントへのリモートアクセスが攻撃の深刻度に与える影響は何か。
• RQ5 自動OLTC運用とQ制御範囲の制限のうち、攻撃影響を軽減する上でより効果的な対策は何か。

主な発見

• 反発力（Q）のセットポイント操作は、単なるDER遮断よりも顕著に深刻な局所的電圧違反を引き起こし、追加の設備保護装置作動を引き起こす。
• 高比率のDER接続状況では、Qセットポイント操作が単純な遮断よりも多くのDERを連鎖的に遮断する可能性があり、攻撃の影響が拡大する。
• 攻撃者が拡張シナリオにおける新設DERの制御信号を操作できる場合、最悪のシナリオとなり、システムの不安定性が顕著に増幅される。
• EHV/HVおよびHV/MV変電所における自動OLTC運用は、電圧回復が60秒以内に達成される場合、攻撃の影響を緩和する。これにより、さらなる保護トリップを防げる。
• リモートでアクセス可能なQセットポイントを±0.33 per unitに制限することで、攻撃の深刻度が低下し、特に過電圧・低電圧状況で顕著である。これは推奨される制御戦略である。
• DER自体が自身の操作された注入電流によって電圧偏差を引き起こし、これが原因でトリップすることが多く、攻撃者が利用可能な資産数が減少する。