[論文レビュー] Operational and Economy-Wide Impacts of Compound Cyberattacks and Extreme Weather Events on Electric Power Networks

Charalampos Avraam, Luis Ceferino+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2022

Network Security and Intrusion Detection被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、電力網における極端な気象イベントと一致するサイバー攻撃を含む複合的サイバー物理的脅威を分析する二段階フレームワークを提案する。攻撃者の行動は二段階最適化でモデル化され、経済全体への影響は計算的一般均衡（CGE）モデルで評価される。その結果、ロングアイランドでは複合的脅威によって未供給電力が13％に上昇し、約60万人の顧客に影響を及ぼすことが判明。政府部門の活動は30％減少し、電力網を超えたシステム全体の脆弱性が浮き彫りになる。

ABSTRACT

The growing frequencies of extreme weather events and cyberattacks give rise to a novel threat where a malicious cyber actor aims to disrupt stressed components of critical infrastructure systems immediately before, during, or shortly after an extreme weather event. In this paper, we initiate the study of Compound Cyber-Physical Threats and develop a two-stage framework for the analysis of operational disruptions in electric power networks and economy-wide impacts under three scenarios: a Heatwave, a Cyberattack, and a Compound scenario when the Cyberattack is timed with the Heatwave. In the first stage, we use a bilevel optimization problem to represent the adversarial rationale of a cyberattacker in the upper level. In the lower level, we model disruptions in the electric power network using an optimal power flow model. In the second stage, we couple the disruption of electricity supply with a Computable General Equilibrium model to elucidate the impacts on all economic sectors. For the New York Independent System Operator, we find that a 9% demand increase in a Heatwave may not lead to unserved load. The Cyberattack can lead to 4% of unserved electric load in Long Island, while the Compound scenario can increase unserved electric load in Long Island to 13% and affect almost 600,000 customers. Our results show that the activity of state and local government enterprises can decrease by 30% in the Compound scenario. We conclude that the vulnerability of federal, state, and local government enterprises to electricity disruptions can affect a broad range of populations.

研究の動機と目的

• 極端な気象イベントと一致するサイバー攻撃を含む複合的サイバー物理的脅威が電力網に与える運用的および経済全体への影響を調査すること。
• 極端な気象とサイバー攻撃のストレス下で、電力網内における空間的に脆弱な構成要素を同定すること。
• 電力供給の中断に起因する連鎖的障害によって引き起こされる、特に政府部門および重要インフラを含むセクター全体の経済的混乱を定量的に評価すること。
• 敵対的サイバー攻撃戦略と経済全体の一般均衡反応を統合したフレームワークを構築し、現実的な影響評価を可能とすること。

提案手法

• 上段はサイバー攻撃者の戦略的意思決定（最大の混乱をもたらすように）をモデル化し、下段は最適潮流（OPF）による電力系統運用をモデル化する二段階最適化フレームワークを用いる。
• ニューヨーク独立システム運用者（NYISO）ネットワーク上で、熱波、サイバー攻撃、複合的シナリオの3つをシミュレートし、混乱度の比較を行う。
• 電力供給の中断を経済全体のセクター別出力、価格、活動変化に結びつけるために、計算的一般均衡（CGE）モデルを適用する。
• 入力代替価格弾力性をキャリブレーションして短期的経済的影響を推定し、GDP損失の下限推定値に焦点を当てる。
• 攻撃者コストパラメータおよびネットワーク脆弱性に対する感度分析を実施し、結果の妥当性を検証する。
• NYISOの空間的ネットワークデータを統合し、接続性、発電能力、送電線の脆弱性に基づいて高リスク地域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端な気象イベントと一致するサイバー攻撃を含む複合的サイバー物理的脅威は、単独のサイバー攻撃や極端な気象イベントと比較して、電力網にどの程度の混乱を引き起こすか？
• RQ2 システムが極端な気象イベントのストレス下にある状態で、どの地域的電力網構成要素がサイバー攻撃に対して最も脆弱であるか？
• RQ3 複合的サイバー物理的脅威に起因する運用上の混乱が、経済全体にどのように波及し、セクター別活動と価格に影響を及ぼすか？
• RQ4 GDP削減およびセクター別混乱の観点から、個別の脅威と比較して複合的脅威の経済的影響はどの程度か？

主な発見

• 熱波と一致するサイバー攻撃を含む複合的シナリオでは、ロングアイランドの未供給電力が13％に上昇し、約60万人の顧客に影響を及ぼす。これは単独のサイバー攻撃時と比較して4％にとどまる。
• 単独の熱波シナリオでは需要が9％増加しても未供給電力は生じず、システムが通常のストレス下でも安定していることが示された。
• 複合的シナリオでは連邦、州、地方の政府機関の活動が30％減少し、公共サービスが電力の中断に対して極めて脆弱であることが明らかになった。
• 個別の熱波やサイバー攻撃ではGDPの減少は無視できる程度であるが、複合的シナリオでは攻撃者コストパラメータに応じて、1日あたり0％から2.7％のGDP減少が生じる。
• 発電所がより簡単に標的とされる場合、攻撃者はネットワーク接続性が低いNYISO地域を標的とする。送電線の脆弱性が高まる場合は、接続性が低く発電能力が不足している地域に焦点が移る。
• 本研究は、過去のブラックアウトで観察されたオーダー・オブ・マグニチュードと整合する経済全体損失の下限推定値を提供し、複合的脅威下での「供給不能損失の価値（VOLL）」の基準点の構築を支援する。