[论文解读] Assessing the impact of cyber attacks manipulating distributed energy resources on power system operation

Philipp Linnartz, Alexander Winkens+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Smart Grid Security and Resilience被引用 2

一句话总结

本文研究了分布式能源资源（DERs）在配电网中受到网络攻击时的操纵行为，通过时域仿真评估其对电压稳定性和级联保护跳闸的影响。研究发现，无功功率（Q）设定值的操纵比简单断开更严重地导致局部电压越限及额外的DER跳闸，高DER渗透率和远程无功控制会加剧攻击的严重性；通过自动分接开关和无功控制限值进行缓解措施被证明是有效的。

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.

研究动机与目标

• 评估操纵DER的网络攻击对电力系统运行的影响，特别是对配电网级联效应的影响。
• 量化涉及DER断开、有功功率（P）和无功功率（Q）设定值操纵的操纵情景的严重性。
• 评估高DER渗透率和远程Q控制访问对攻击关键性的影响。
• 识别有效的缓解策略，如自动OLTC操作和Q控制范围限制。

提出的方法

• 开发了针对DER断开、P设定值调节和Q设定值操纵的一般化操纵情景。
• 采用时域仿真，使用配电网（HV-MV基准系统）和DER的详细模型，包括保护与控制功能。
• 应用电压带越限和厂站保护动作触发等评估标准来量化影响。
• 在不同DER渗透率水平和初始运行条件下模拟情景。
• 评估了包括变电站自动OLTC操作和限制远程可访问Q设定值在内的缓解策略。
• 使用结合电压偏差和保护跳闸事件的严重性指数对攻击情景进行排序。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的操纵策略——DER断开、P设定值调节和Q设定值操纵——如何影响配电网中的电压稳定性和保护跳闸？
• RQ2 由电压越限引发的本地级联效应在多大程度上通过DER保护和故障 ride-through 特性传播？
• RQ3 提高DER渗透率如何影响对配电网的网络操纵攻击的关键性？
• RQ4 对无功功率（Q）设定值的远程访问对攻击严重性有何影响？
• RQ5 哪种缓解策略——自动OLTC或Q控制范围限制——在降低攻击影响方面最有效？

主要发现

• 无功功率（Q）设定值的操纵导致的局部电压越限远比DER断开更严重，进而引发额外的厂站保护动作触发。
• 在高DER渗透率场景下，Q设定值操纵可通过级联效应导致比简单断开更多的DER跳闸，从而加剧攻击影响。
• 最坏情景发生在攻击者能够操纵扩容场景中新接入DER的控制信号时，系统不稳定性被显著放大。
• 若电压恢复在60秒内完成，变电站的E/HV和HV/MV侧的自动OLTC操作可有效缓解攻击影响，防止进一步保护跳闸。
• 将远程可访问的Q设定值限制在±0.33标幺值以内可显著降低攻击严重性，尤其在过压/欠压情景下，是一种推荐的控制策略。
• DER自身通常因自身操纵注入引起的电压偏差而跳闸，导致攻击者可利用的资产数量减少。