[논문 리뷰] False Data Injection Attacks on Phasor Measurements That Bypass Low-rank Decomposition

Jiazi Zhang, Zhigang Chu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 04.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저랭크 분해(LD) 검출기로부터 탈출하기 위해 시간적 상관관계를 활용하는 PMU 측정값에 대한 새로운 유형의 가짜 데이터 주입(FDI) 공격을 제안한다. 공격을 볼록 최적화 문제로 공식화함으로써, 기존 잔차 기반 검출기와 LD 기반 검출기 양쪽 모두에서 탐지되지 않는 비관측 공격을 생성한다. 이는 IEEE 24-bus 및 118-bus 시스템에서 검증되었다.

ABSTRACT

This paper studies the vulnerability of phasor measurement units (PMUs) to false data injection (FDI) attacks. Prior work demonstrated that unobservable FDI attacks that can bypass traditional bad data detectors based on measurement residuals can be identified by detector based on low-rank decomposition (LD). In this work, a class of more sophisticated FDI attacks that captures the temporal correlation of PMU data is introduced. Such attacks are designed with a convex optimization problem and can always bypass the LD detector. The vulnerability of this attack model is illustrated on both the IEEE 24-bus RTS and the IEEE 118-bus systems.

연구 동기 및 목표

• 저랭크 분해(LD) 검출기에 의해 탐지되지 않는 고도화된 FDI 공격이 PMU 기반 상태 추정에 미치는 취약성을 조사하는 것.
• 공격자가 PMU 데이터의 시간적 상관관계를 알지 못한다고 가정하는 기존 검출 방법의 격차를 메우는 것.
• 기존 잔차 기반 검출기와 현대적인 LD 기반 검출기 양쪽 모두에 대해 비관측적인 FDI 공격을 설계하는 것.
• 특히 IEEE 24-bus 및 118-bus 시스템과 같은 현실적인 전력 시스템 모델에서 이러한 공격의 효과성을 검증하는 것.
• 시간이 지남에 따라 동일한 PMU 측정값에 지속적인 공격을 가함으로써, 공격 행렬이 열으로 희박한 경우에도 탐지되지 않을 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• PMU 측정값의 시간적 상관관계를 유지하는 볼록 최적화 문제로 FDI 공격 설계를 공식화한다.
• PMU 측정 행렬을 낮은 랭크 행렬로 모델링하고, 이에 희박한 공격 행렬이 첨가되며, 공격은 시간이 지나도 동일한 측정값 집합을 대상으로 한다(열 희박 공격).
• 측정 행렬의 구조를 활용하여, 유관측 조건을 유한한 부분그래프 내에서 만족시킴으로써 공격이 상태 추정기에서 비관측 상태를 유지하도록 보장한다.
• 공격 탐지를 위해 저랭크 분해(LD)를 사용하지만, 제안된 공격 설계가 LD 검출기의 출력 신호를 0으로 유지함(C*^(LD) = 0)하여 검출 불가능성을 보장한다.
• 노이즈 없는 측정값을 가정하고, 전력 시스템 동역학에서 생성된 합성 PMU 데이터를 사용하여 공격를 검증한다.
• 합성 측정 행렬의 낮은 랭크 성질을 확인하기 위해 특이값 분해(SVD)를 활용하여 공격 모델의 타당성을 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PMU 데이터의 시간적 상관관계를 이해하는 공격자가 저랭크 분해(LD) 검출기를 우회할 수 있는 FDI 공격을 설계할 수 있는가?
• RQ2 시간이 지남에 따라 동일한 PMU 측정값에 지속적인 공격을 가할 경우 FDI 공격의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 볼록 최적화는 얼마나 효과적으로 기존 잔차 기반 및 LD 기반 검출 메커니즘을 우회하는 비관측 FDI 공격을 생성할 수 있는가?
• RQ4 공격 행렬의 구조(예: 열 희박성)는 LD 기반 검출의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 공격은 IEEE 24-bus 및 118-bus 시스템과 같은 현실적인 전력 시스템 모델에서 비관측적인가?

주요 결과

• 제안된 FDI 공격는 테스트된 모든 경우에서 LD 검출기를 성공적으로 우회하였으며, 모든 공격에 대해 검출기 출력이 C*^(LD) = 0을 출력하였다.
• IEEE 24-bus 시스템에서 공격을 받은 상태 수가 증가할수록 재구성된 측정 행렬의 핵노름 ||Z*||_∗ 가 감소함을 확인하여 공격의 은폐성 향상을 입증하였다.
• IEEE 118-bus 시스템에서는 모든 공격에 대해 평균 핵노름 ||Z*||_∗ 가 57.0이며, 최대값은 57.1, 최소값은 56.9로 나타나, 낮은 랭크 구조의 일관성 있는 유지가 확인되었다.
• IEEE 24-bus 시스템의 선로 12에 대해 |I| = 1(버스 8)인 공격은 그림 4에 나타나 있듯이 원래 PMU 측정값의 시간적 동역학을 성공적으로 모방하였다.
• 모든 테스트 공격에 대해 ||Z*||_∗ ≤ ||Z||_∗ 를 만족함을 확인하여, 공격이 낮은 랭크 구조를 증가시키지 않음을 입증하였으며, 이는 LD 검출을 우회하는 데 필수적이다.
• 결과적으로, 동일한 PMU 측정값에 대해 시간이 지남에 따라 열 희박 공격을 가한 경우에도 LD 검출기가 실제 공격 집합을 탐지하지 못함을 보여주었으며, 공격 집합 외부에서의 가짜 경고는 관측되지 않았다.