[논문 리뷰] Operational and Economy-Wide Impacts of Compound Cyberattacks and Extreme Weather Events on Electric Power Networks

Charalampos Avraam, Luis Ceferino외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 11.

Network Security and Intrusion Detection인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전기력망에 대한 복합 사이버-물리적 위협—기상 이상 현상과 동시에 발생하는 사이버공격—를 분석하기 위해 이단계 프레임워크를 제안한다. 공격자 행동은 이중 최적화를, 경제 전반의 영향은 계산 가능한 일반균형(CGE) 모델을 통해 평가한다. 연구 결과, 뉴욕 런던 아일랜드 지역에서 복합 위협 상황에서 공급되지 않은 전력 수요가 13%로 증가해 약 60만 명의 고객에 영향을 주며, 정부 부문 활동은 30% 감소함을 확인하였다. 이는 전력망 외부의 체계적 취약성을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전기력망에 대한 복합 사이버-물리적 위협—기상 이상 현상과 동시에 발생하는 사이버공격—의 운영적 영향과 경제 전반의 영향을 조사하기 위해.
• 기상 이상과 사이버공격으로 인한 압력에 노출된 전력망 내에서 공간적으로 취약한 구성 요소를 특정하기 위해.
• 전력 공급 차질로 인한 연쇄 고장으로 인해 발생하는 다양한 부문, 특히 정부 및 핵심 인프라 부문의 경제 전반의 혼란을 정량화하기 위해.
• 적대적 사이버공격 전략과 경제 전반의 일반균형 반응을 통합하여 현실적인 영향 평가를 위한 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 이중 최적화 프레임워크를 사용: 상위 수준은 공격자가 최대의 혼란을 유도하기 위해 전략적 결정을 내리는 것을 모델링하고, 하위 수준은 최적 전력 흐름(OPF)을 통해 전력 시스템 운영을 모델링한다.
• 뉴욕 독립계통운영자(NYISO) 네트워크에서 열파, 사이버공격, 복합 시나리오 3가지 시나리오를 시뮬레이션하여 혼란 수준을 비교한다.
• 전기 공급 차질이 경제 전반의 부문별 생산, 가격, 활동 변화에 어떻게 영향을 주는지 연결하기 위해 계산 가능한 일반균형(CGE) 모델을 적용한다.
• 입력 대체성 탄력도를 캘리브레이션하여 단기적 경제적 영향을 추정하고, GDP 손실의 하한 추정치에 집중한다.
• 공격자 비용 매개변수와 네트워크 취약성에 대한 민감도 분석을 수행하여 결과의 견고성을 평가한다.
• NYISO의 공간 네트워크 데이터를 통합하여 연결성, 발전 능력, 송전선 취약성 기반으로 고위험 지역을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 사이버-물리적 위협이 고립된 사이버공격이나 기상 이상 사건에 비해 전기력망에 미치는 혼란 잠재력은 어떠한가?
• RQ2 기상 이상 현상으로 이미 압박을 받는 시스템에서 사이버공격에 가장 취약한 지역 전력망 구성 요소는 무엇인가?
• RQ3 복합 사이버-물리적 위협으로 인한 운영적 혼란이 경제 전반에 어떻게 확산되고 부문 활동과 가격에 영향을 주는가?
• RQ4 GDP 감소와 부문 혼란 측면에서 복합 위협의 경제적 영향은 개별 위협과 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• 열파와 동시에 발생하는 사이버공격이 포함된 복합 시나리오에서, 런던 아일랜드 지역의 공급되지 않은 전력 수요가 13%로 증가하여 약 60만 명의 고객에 영향을 주며, 이는 단독 사이버공격 시 4%에 비해 높은 수준이다.
• 단독 열파 시나리오에서는 수요가 9% 증가하더라도 공급되지 않은 전력 수요가 발생하지 않아, 시스템이 일반적인 압력 하에서도 안정적임을 확인하였다.
• 복합 시나리오에서 연방, 주, 지방 정부 기업의 활동이 30% 감소하여 공공 서비스가 전력 차질에 매우 취약함을 시사한다.
• 단독 열파나 사이버공격는 GDP 감소에 미미한 영향을 미치지만, 복합 시나리오에서는 공격자 비용 매개변수에 따라 매일 GDP 감소가 0%에서 2.7%까지 변동함을 확인하였다.
• 발전소가 더 쉽게 공격 대상이 되는 경우, 공격자는 네트워크 연결성이 낮은 NYISO 지역을 목표로 삼는다. 반면 송전선이 더 취약한 경우, 연결성이 낮고 발전 능력이 부족한 지역으로 공격가이 이동한다.
• 본 연구는 과거 블랙아웃에서 관찰된 주요 수준과 일치하는 경제 전반의 손실 하한 추정치를 제공하며, 복합 위협 상황에서 손실된 전력의 가치(VOLL)에 대한 기준점을 마련하는 데 기여한다.