[論文レビュー] On the Impact of Wireless Jamming on the Distributed Secondary Microgrid Control

Pietro Danzi, Čedomir Stefanović+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Smart Grid Security and Resilience被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、わずか数台の単位を標的とすることで、無線ジャミングが直流マイクログリッドにおける分散二次制御を著しく妨害することを示している。これは、一様化アルゴリズムが存在しても電圧回復不能を引き起こす。Wi-Fiを用いた通信において、一部の分散型発電機に単純な周期的ジャミング攻撃を加えると、定常状態での電圧誤差が顕著に増大（最大10%、確率1.3%）、グリッド安定性が損なわれる。本研究では、修正されたアクセススケジューリングを提案し、耐ジャミングおよびフェイルセーフな一様化メカニズムの導入が、耐障害性を確保するために不可欠であることを強調している。

ABSTRACT

The secondary control in direct current microgrids (MGs) is used to restore the voltage deviations caused by the primary droop control, where the latter is implemented locally in each distributed generator and reacts to load variations. Numerous recent works propose to implement the secondary control in a distributed fashion, relying on a communication system to achieve consensus among MG units. This paper shows that, if the system is not designed to cope with adversary communication impairments, then a malicious attacker can apply a simple jamming of a few units of the MG and thus compromise the secondary MG control. Compared to other denial-of-service attacks that are oriented against the tertiary control, such as economic dispatch, the attack on the secondary control presented here can be more severe, as it disrupts the basic functionality of the MG.

研究の動機と目的

• 直流マイクログリッドにおける分散二次制御の無線ジャミング攻撃に対する脆弱性を調査すること。
• 単純で標的型のジャミングが、無線接続マイクログリッドにおける電圧回復および一様化収束に与える影響を分析すること。
• 既存の対策の有効性を評価し、ジャミング下でもシステム安定性を維持するための改善された戦略を提案すること。
• 低レベル制御機能に対するジャミング攻撃の重大なリスクを強調し、これが全体のマイクログリッドを不安定化させることを明らかにすること。
• 耐障害的で耐ジャミング性を持つ二次制御方式の今後の研究を促進すること。

提案手法

• ドロップベースの一次制御とPIベースの二次制御を用いて、6台の分散型発電機（DG）を有する直流マイクログリッドをモデル化し、電圧偏差を回復する。
• Wi-Fiベースの通信ネットワークを介して一様化アルゴリズムを実装し、二次制御のための平均電流および電圧推定を行う。
• 周期的な通信パターンを狙ったジャッカーを導入し、周期的ジャミング戦略を用いて一部のDGのみを特定的に遮断する。
• 合意形成インターバルをN個の時間スロットに分割し、各DGに固有の送信ウィンドウを割り当てることで、アクセスドゥーティサイクル（T_AD）を変更する。
• PLECSベースのシミュレーションを用いて、通常状態およびジャミング状態における電圧および電流ダイナミクスを評価し、定常状態誤差および収束特性を測定する。
• 修正されたアクセススケジューリングの性能を評価し、ベースライン状況と比較して電圧精度の向上を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標的型の無線ジャミングは、直流マイクログリッドにおける一様化ベースの二次制御の収束性および精度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 一部のDGに対して単純で周期的なジャミング攻撃が、電圧回復および電力分配に与える影響は何か？
• RQ3 一様化プロトコルにおけるアクセススケジューリングの修正によって、ジャミングの成功確率を低減できるか？
• RQ4 基本的なアクセススケジューリングは、マイクログリッド制御システムにおける知能的ジャミングに対して、どのような限界を有するか？
• RQ5 フェイルセーフな一様化および耐ジャミング技術を二次制御に統合することで、マイクログリッド安定性を確保するにはどうすればよいか？

主な発見

• わずか数台のDGを標的とした単純な周期的ジャミング攻撃により、顕著な電圧回復不能が発生し、定常状態での電圧誤差が8.9%の確率で5%を超える。
• ジャミング下では、10%を超える電圧誤差の確率が1.3%に達し、負荷変動時の不安定化リスクが顕著である。
• 等しい電力分配が維持されていても、グリッド電圧は目標の48 Vではなく52.25 Vに安定化し、ベースライン状況では8.85%の誤差が生じる。
• 提案されたアクセススケジューリングの修正（T_AD_i = (i-1)*T_e/N）により、5%を超える誤差の確率は5.1%に、10%を超える誤差の確率は0.1%に低下し、ややの改善が得られた。
• 改善は見られたが、アクセススケジューリングのみでは耐障害性が不十分であることが明らかとなり、高度な耐ジャミングおよびフェイルセーフ一様化技術の導入が不可欠であることを示唆している。
• 本研究では、二次制御に対するジャミング攻撃が三次制御に対する攻撃よりも深刻であることが確認された。二次制御のジャミングは、マイクログリッドの基本的電圧制御機能を損なうからである。