[论文解读] Modelling of the Electric Vehicle Charging Infrastructure as Cyber Physical Power Systems: A Review on Components, Standards, Vulnerabilities and Attacks

Sagar Babu Mitikiri, K. Victor Sam Moses Babu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2023

Advanced Battery Technologies Research被引用 4

一句话总结

本文将电动汽车充电基础设施（EVCI）建模为信息物理电力系统（CPPS），分析其组件、通信标准及安全漏洞。提出了一套全面的框架，用于检测和缓解诸如FDIA、DoS和欺骗攻击等网络攻击，通过分层防御策略，强调标准合规性、实时监控和自适应安全机制，以增强电网连接和孤岛运行模式下的系统韧性与安全性。

ABSTRACT

The increasing number of electric vehicles (EVs) has led to the growing need to establish EV charging infrastructures (EVCIs) with fast charging capabilities to reduce congestion at the EV charging stations (EVCS) and also provide alternative solutions for EV owners without residential charging facilities. The EV charging stations are broadly classified based on i) where the charging equipment is located - on-board and off-board charging stations, and ii) the type of current and power levels - AC and DC charging stations. The DC charging stations are further classified into fast and extreme fast charging stations. This article focuses mainly on several components that model the EVCI as a cyberphysical system (CPS).

研究动机与目标

• 分析电动汽车充电基础设施（EVCI）作为信息物理电力系统（CPPS）的组件与架构，整合物理电力系统与数字控制及通信层。
• 识别并分类关键通信协议、标准（例如 OCPP、CHAdeMO、CCS）以及管理EVCI在电网连接和孤岛运行模式下运作的安全框架。
• 研究EVCI中网络与物理层的网络安全隐患和攻击向量，包括FDIA、DoS、重放和欺骗攻击。
• 评估检测与防御机制，将策略分类为预防与缓解，重点强调实时响应与系统韧性。
• 识别EVCI安全中的关键研究空白，包括零日威胁、标准动态演进、动态定价，以及与电网运行和需求侧管理的集成。

提出的方法

• 将EVCI建模为具有感知、传输和应用（控制）层的多层CPPS，整合传感器、执行器、通信网络和实时处理单元。
• 将通信协议分类为前端（如 OCPP 1.6/2.0）和后端系统，分析其在充电管理与电网交互中的作用。
• 应用CIA三元组（机密性、完整性、可用性）和AAA框架（认证、授权、计账）以评估网络安全目标与需求。
• 使用网络入侵螺旋框架，映射系统各层的漏洞，并识别EVCI组件（如EVSE、CSMS和储能系统）中的攻击面。
• 系统性地按层（网络/物理）和攻击类型（如干扰、FDIA、DoS、重放）对网络攻击进行分类，评估其技术与经济影响。
• 提出一种防御架构，结合检测（基于异常的监控、特征分析）与缓解（访问控制、加密、自愈机制）策略。

Figure 1: Structure of a typical EVCI

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将电动汽车充电基础设施建模为信息物理电力系统（CPPS），以实现对物理与网络组件的综合分析？
• RQ2 EVCI中使用的主要通信标准与协议（如 OCPP、CHAdeMO、CCS）有哪些？它们如何支持安全且互操作的充电运行？
• RQ3 哪些网络攻击（如 FDIA、DoS、欺骗）对EVCI构成最严重威胁？它们如何在网络安全与物理层之间传播？
• RQ4 EVCI系统中的关键漏洞是什么？它们如何源于通信依赖性与系统复杂性？
• RQ5 可实施哪些防御机制——特别是检测与缓解策略——以增强EVCI对不断演变的网络威胁的韧性？

主要发现

• EVCI最适合建模为多层信息物理系统（CPPS），整合物理电能传输与数字控制、通信及感知、传输和应用层的实时数据处理。
• 通信协议如 OCPP 1.6 和 2.0、CHAdeMO 和 CCS 对互操作性至关重要，但因其依赖开放、网络化通信而引入攻击面。
• 高级持续性威胁如虚假数据注入攻击（FDIA）和拒绝服务攻击（DoS）构成重大风险，通过破坏数据完整性和可用性，可能引发级联故障。
• 漏洞最集中于通信栈和人机界面，网络入侵螺旋框架识别出所有系统层级的关键攻击向量。
• 基于异常检测和特征分析的检测机制在识别重放和欺骗攻击方面有效，而缓解则需依赖访问控制和加密等分层防御。
• 在零日威胁缓解、标准动态演进以及EVCI与电网运行的集成方面仍存在研究空白，尤其在需求侧管理及电压/频率调节等辅助服务方面。

Figure 2: Schematic of On-board Charging