[논문 리뷰] Local Cyber-Physical Attack for Masking Line Outage and Topology Attack in Smart Grid

Hwei-Ming Chung, Wen-Tai Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 24.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전력송전선로를 물리적으로 분리한 후, SCADA 시스템에 위조 데이터를 주입하여 고장을 다른 위치로 위장하는 새로운 국지적 사이버-물리적 공격을 제안한다. 이로 인해 제어 센터는 다른 위치에 있는 선로의 고장으로 잘못 탐지하게 된다. 공격은 교류(AC) 전력 흐름 모델과 선로 정지 분포 요인(LODF)을 사용하여 상태 추정을 속이고, 위상 정보를 잘못 보고함으로써 연쇄 고장의 위험을 증가시킨다.

ABSTRACT

Malicious attacks in the power system can eventually result in a large-scale cascade failure if not attended on time. These attacks, which are traditionally classified into \emph{physical} and \emph{cyber attacks}, can be avoided by using the latest and advanced detection mechanisms. However, a new threat called \emph{cyber-physical attacks} which jointly target both the physical and cyber layers of the system to interfere the operations of the power grid is more malicious as compared with the traditional attacks. In this paper, we propose a new cyber-physical attack strategy where the transmission line is first physically disconnected, and then the line-outage event is masked, such that the control center is misled into detecting as an obvious line outage at a different position in the local area of the power system. Therefore, the topology information in the control center is interfered by our attack. We also propose a novel procedure for selecting vulnerable lines, and analyze the observability of our proposed framework. Our proposed method can effectively and continuously deceive the control center into detecting fake line-outage positions, and thereby increase the chance of cascade failure because the attention is given to the fake outage. The simulation results validate the efficiency of our proposed attack strategy.

연구 동기 및 목표

• 실제로 전력송전선로를 물리적으로 분리하면서도 고장 사실을 은폐하여 제어 센터를 오도하는 통합 사이버-물리적 공격 전략을 개발하기 위해.
• 선로 정지 분포 요인(LODF) 행렬을 사용하여 공격에 취약한 전력송전선로를 식별하기 위해.
• 교류 전력 흐름 모델 기반의 위조 데이터 주입 메커니즘을 설계하여 측정값을 조작해 가짜 선로 고장을 시뮬레이션하기 위해.
• 전력 흐름 방정식과 물리 법칙을 준수하여 상태 추정 및 나쁜 데이터 탐지 시스템에서 탐지되지 않도록 보장하기 위해.
• 공격이 시스템의 관측 가능성에 미치는 영향과 잘못 보고된 위상 정보로 인해 연쇄 고장이 유발될 수 있는지를 평가하기 위해.

제안 방법

• 공격은 시스템 내 목표 전력송전선로($l_o$)의 물리적 분리를 시작한다 (실제 고장 선로).
• 교류 전력 흐름 모델을 사용하여 SCADA 측정값에 위조 데이터를 주입함으로써 복소 전력 흐름($\bar{S}_l$)과 전압 크기($W_j$)를 조작하여 다른 선로($l_m$)에 가짜 고장을 시뮬레이션한다.
• 실제 고장의 영향을 받는 지역을 특정하기 위해 너비 우선 탐색(BFS) 알고리즘을 사용한다. 이는 실제 고장의 국소 연결성 내에 있는 버스들을 식별한다.
• 선로 정지 분포 요인(LODF) 행렬을 활용하여 관측 가능성 저하에 가장 효과적인 타겟 선로를 선정한다.
• 수정된 측정값은 전력 흐름 방정식과 키르히호프의 법칙을 만족하도록 설계되어 일관성과 나쁜 데이터 탐지 회피를 보장한다.
• 송전 손실은 $Z_l C_l$를 사용하여 계산하고 MATPOWER에서 얻은 실제 손실과 비교하여 모델 정확도를 검증하고 탐지 가능성을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 사이버 계층의 위조 데이터 주입을 통해 물리적 선로 고장을 은폐하여 제어 센터가 다른 선로가 고장 났다고 잘못 탐지하도록 할 수 있는가?
• RQ2 이러한 통합 공격에 취약한 전력송전선로를 식별하는 데 사용할 수 있는 기준은 무엇인가?
• RQ3 교류 전력 흐름 모델을 얼마나 정교하게 활용하여 시스템 물리 법칙을 유지하면서 탐지되지 않는 위조 데이터를 생성할 수 있는가?
• RQ4 이 공격은 전력 시스템의 관측 가능성과 상태 추정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실시간 모니터링에서 공격의 탐지 가능성에 영향을 미치는 송전 손실의 잘못 계산된 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 공격은 제어 센터가 다른 선로에 고장을 탐지하도록 하여 실제 고장을 은폐함으로써 위상 정보를 오염시켰다.
• 14버스 시스템에서 송전 손실 오차 영향 요인 $O_{\text{inf}}$는 0.95%였고, 24버스 시스템에서는 2.32%, 118버스 시스템에서는 1.71%로, 탐지 가능한 오차는 극히 미미했다.
• 전력 흐름 방정식과 물리 법칙을 준수함으로써 표준 상태 추정 및 나쁜 데이터 탐지 메커니즘에서 탐지되지 않았다.
• 교류 모델을 사용함으로써 전압 크기와 무효전력의 정확한 모델링이 가능했으며, 이는 DC 기반 모델 대비 탐지 회피에 매우 중요한 요소였다.
• 모의 실험과 시스템 반응 분석을 통해 공격가능한 초기 고장을 유도하고 이것이 연쇄 고장으로 확산될 수 있음을 입증했다.
• 공격의 통계적 특성은 정상 시스템 상태와 다름을 보였으며, 이는 변화점 탐지 또는 이전 데이터 비교와 같은 대응 조치가 가능할 수 있음을 시사한다.