[論文レビュー] Security Assessment and Impact Analysis of Cyberattacks in Integrated T&D Power Systems

Ioannis Zografopoulos, Charalambos Konstantinou+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2021

Smart Grid Security and Resilience参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、分散型エネルギー資源（DERs）を統合した送配電（T&D）系統におけるサイバー攻撃のシミュレーションベースのサイバーセキュリティリスクおよび影響評価を提示する。OCTAVE Allegro手法を用いて、太陽光インバーターにおけるデータ整合性攻撃、断路器における制御信号ブロッキング、監視ポイントにおける時間遅延を伴う協調的攻撃の3つの攻撃クラスを特定し、これらが最小限の検出可能性のもとでシステムの不安定化、電圧違反、検出不能な系統断線を引き起こす可能性を示している。

ABSTRACT

In this paper, we examine the impact of cyberattacks in an integrated transmission and distribution (T&D) power grid model with distributed energy resource (DER) integration. We adopt the OCTAVE Allegro methodology to identify critical system assets, enumerate potential threats, analyze, and prioritize risks for threat scenarios. Based on the analysis, attack strategies and exploitation scenarios are identified which could lead to system compromise. Specifically, we investigate the impact of data integrity attacks in inverted-based solar PV controllers, control signal blocking attacks in protective switches and breakers, and coordinated monitoring and switching time-delay attacks.

研究の動機と目的

• 現代のDER統合型T&D電力系統におけるサイバー攻撃が引き起こすセキュリティリスクを評価すること。
• インバーター、断路器、監視ポイントなど、標的となるミッションクリティカルな資産を特定すること。
• 特定のサイバー攻撃戦略が系統の信頼性および安定性に与える運用的影響を分析すること。
• シミュレーション支援リスク評価の有効性を、検出が困難な協調的攻撃を特定するうえで示すこと。

提案手法

• OCTAVE Allegro手法を用いて、重要なシステム資産を同定し、潜在的脅威を列挙した。
• 実世界の配電および送電データを用いて、DER統合を含む統合T&D電力系統をモデル化した。
• 3つのサイバー攻撃クラスをシミュレートした：インバーター制御装置に対するデータ整合性攻撃、保護スイッチにおける制御信号ブロッキング、監視ポイントにおける時間遅延攻撃。
• システムシミュレーションを用いて、電圧違反、負荷遮断、検出不能な断路器分離の結果を評価した。
• 監視ポイントのサンプリング周波数（10～15分）と攻撃タイミングの同期に基づき、攻撃の検出可能性を分析した。
• 電圧違反の数やシステムの不安定化といった、期待される運用影響に基づき、リスクを優先順位付けした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽光PVインバーターにおけるデータ整合性攻撃は、統合T&D系統における系統安定性および電圧プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 保護用断路器およびスイッチにおける制御信号ブロッキングの影響は、系統トポロジーの変化および過負荷の観点からどのように評価できるか？
• RQ3 監視ポイントにおける時間遅延攻撃は、通常の系統運用中にどのようにして検出されないまま継続できるか？
• RQ4 監視機能およびスイッチング機能に対する協調的攻撃が、連鎖的障害または検出不能な系統断線を引き起こす可能性はどの程度か？
• RQ5 シミュレーション支援リスク評価は、現代の電力系統における高影響サイバー脅威の特定および優先順位付けにどの程度有効か？

主な発見

• インバーター制御装置に対するデータ整合性攻撃により、1,053件の電圧違反および603件の周波数違反が発生し、系統の安定性が著しく低下した。
• 保護スイッチにおける制御信号ブロッキング攻撃により、遅延または欠落したトリップ動作に起因し、603件の違反（電圧および周波数違反を含む）が発生した。
• 監視ポイントにおける時間遅延攻撃は、15分のサンプリング間隔と同期することで検出されにくくなり、断路器分離のような重要なイベントが無視される可能性があった。
• 最も重要なコンポonentとして、回路断路器#2が特定された。このコンポonentが侵害されると、遅延または偽装された報告により最大603件の違反が発生する可能性がある。
• 本研究では、監視タイミングのギャップを悪用する協調的攻撃が、即時の検出メカニズムを起動させずに深刻な系統影響を引き起こす可能性を示した。
• シミュレーション支援リスク評価は、検出困難な高影響攻撃シナリオを特定し、重要な資産に対する対策の優先順位付けに有効であることが実証された。