[논문 리뷰] Assessing the impact of cyber attacks manipulating distributed energy resources on power system operation

Philipp Linnartz, Alexander Winkens외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Smart Grid Security and Resilience인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 분포 전력망 내 분산 에너지 자원(DERs)을 조작하는 사이버 공격을 시간 영역 시뮬레이션을 통해 분석하여 전압 안정성과 연쇄 보호 트립에 미치는 영향을 평가한다. 반응형 전력(Q) 설정값 조작은 단순한 연결 차단보다 더 심각한 국소 전압 위반과 추가적인 DER 트립을 유발하며, 고도의 DER 통합과 원격 Q 제어 접근성이 공격 심각도를 증가시킨다. 자동 탭 체인저와 Q 제어 한계 설정을 통한 대응 전략은 효과적임을 확인함.

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.

연구 동기 및 목표

• DER 조작을 통한 사이버 공격이 전력 시스템 운영, 특히 분포 전력망에서의 연쇄 효과에 미치는 영향을 평가하는 것.
• DER 연결 차단, 유도 전력(P), 반응형 전력(Q) 설정값 조작을 포함한 조작 시나리오의 심각도를 정량화하는 것.
• 고밀도 DER 통합과 원격 Q 제어 접근성이 공격의 심각도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 자동화된 OLTC 작동과 Q 제어 범위 제한과 같은 효과적인 완화 전략을 식별하는 것.

제안 방법

• DER 연결 차단, P 설정값 조정, Q 설정값 조작을 대상으로 하는 일반화된 조작 시나리오를 개발함.
• HV-MV 기준 시스템을 포함한 세부적인 분포 전력망 모델과 DER의 보호 및 제어 기능을 반영한 시간 영역 시뮬레이션을 수행함.
• 전압 대역 위반과 플랜트 보호 작동 유발 여부와 같은 평가 기준을 적용하여 영향을 정량화함.
• 다양한 DER 통합 수준과 초깃동작 조건 하에서 시나리오를 시뮬레이션함.
• 변전소에서의 자동 OLTC 작동과 원격으로 접근 가능한 Q 설정값 제한을 포함한 완화 전략을 평가함.
• 전압 편차와 보호 트립 사건을 종합한 심각도 지수를 사용하여 공격 시나리오를 순위 매김함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DER 연결 차단, P 설정값 조정, Q 설정값 조작과 같은 다양한 조작 전략이 분포 전력망의 전압 안정성과 보호 트립에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전압 위반으로 인한 국소 연쇄 효과가 DER 보호 기능과 고장 내성 특성에 의해 얼마나 넓게 확산되는가?
• RQ3 DER 통합 비율이 증가할수록 분포 전력망에서의 사이버 조작 공격의 심각도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 반응형 전력(Q) 설정값에 대한 원격 접근이 공격 심각도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자동 OLTC 또는 Q 제어 범위 제한 중 어느 완화 전략이 공격 영향을 줄이는 데 더 효과적인가?

주요 결과

• 반응형 전력(Q) 설정값 조작은 단순한 DER 연결 차단보다 훨씬 심각한 국소 전압 위반을 유발하며, 이는 추가적인 플랜트 보호 작동을 유도함.
• 고밀도 DER 통합 조건에서는 Q 설정값 조작이 단순한 연결 차단보다 더 많은 DER를 연쇄적으로 차단할 수 있으며, 이는 공격 영향을 증가시킴.
• 악성 공격자가 확장 시나리오에서 새로 추가된 DER의 제어 신호를 조작할 수 있을 경우 최악의 시나리오가 발생하며, 이는 시스템 불안정성을 심화시킴.
• EHV/HV 및 HV/MV 변전소에서 자동 OLTC 작동이 전압 복구 시간이 60초 이내에 이루어지면 공격 영향을 완화하며, 추가 보호 트립을 방지함.
• 원격으로 접근 가능한 Q 설정값을 ±0.33 per unit 이내로 제한하면 공격 심각도가 감소하며, 특히 과전압/저전압 시나리오에서 효과적임. 이는 권장되는 제어 전략임.
• DER 자체가 자신의 조작된 주입으로 인한 전압 편차로 인해 트립하는 경우가 많아, 공격자가 이용할 수 있는 자산 수가 감소함.