[论文解读] Operational and Economy-Wide Impacts of Compound Cyberattacks and Extreme Weather Events on Electric Power Networks

Charalampos Avraam, Luis Ceferino+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2022

Network Security and Intrusion Detection被引用 6

一句话总结

本文提出一种两阶段框架，用于分析极端天气事件期间发生的网络攻击——即网络物理复合威胁——对电力网络的影响，采用双层优化建模攻击者行为，并利用可计算一般均衡（CGE）模型评估对整体经济的影响。研究发现，复合威胁可使长岛的未供电负荷增加至13%，影响近60万人，政府部门活动减少30%，凸显了电力网络之外的系统性脆弱性。

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.

研究动机与目标

• 研究复合网络物理威胁——即与极端天气事件同时发生的网络攻击——对电力网络的运行影响及整体经济影响。
• 识别在极端天气和网络攻击双重压力下电力网络中空间上易受攻击的组件。
• 量化因电力供应中断引发的级联故障所导致的跨行业整体经济中断，特别是对政府和关键基础设施的影响。
• 开发一个整合攻击者对抗策略与整体经济一般均衡响应的框架，以实现对影响的现实评估。

提出的方法

• 采用双层优化框架：上层建模攻击者为最大化破坏而做出的战略决策，下层通过最优潮流（OPF）建模电力系统运行。
• 在纽约独立系统运营商（NYISO）网络上模拟三种情景——热浪、网络攻击和复合情景，以比较破坏程度。
• 应用可计算一般均衡（CGE）模型，将电力供应中断与整体经济各行业产出、价格和活动变化联系起来。
• 通过投入替代价格弹性校准CGE模型，以估算短期经济影响，重点关注GDP损失的下限估计值。
• 对攻击者成本参数和网络脆弱性进行敏感性分析，以评估结果的稳健性。
• 整合来自NYISO的空间网络数据，基于连通性、发电容量和输电线路脆弱性识别高风险区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 与孤立的网络攻击或极端天气事件相比，复合网络物理威胁对电力网络的破坏潜力如何？
• RQ2 当系统已因极端天气事件而承受压力时，哪些区域电力网络组件最易受网络攻击？
• RQ3 复合网络物理威胁导致的运行中断如何在经济中传导，进而影响各行业活动和价格？
• RQ4 在GDP减少和行业中断方面，复合威胁的影响与单一威胁相比有何差异？

主要发现

• 在复合情景中——即网络攻击与热浪同时发生——长岛的未供电电力负荷上升至13%，影响近60万人，而仅发生网络攻击时该比例为4%。
• 在仅热浪情景下，需求增加9%并未导致未供电负荷，表明系统在正常压力下仍保持稳定。
• 在复合情景中，联邦、州和地方政府企业的活动下降30%，表明公共服务业对电力中断具有高度脆弱性。
• 尽管单独的热浪和网络攻击对GDP减少影响可忽略，但复合情景下每日GDP减少范围在0%至2.7%之间，具体取决于攻击者成本参数。
• 当发电机组更容易被攻破时，攻击者倾向于选择NYISO中连通性较低的区域；当输电线路更脆弱时，攻击目标则转向连通性低且发电容量不足的区域。
• 本研究提供了与历史大停电事件中观察到的数量级一致的整体经济损失下限估计，为复合威胁下“负荷损失价值”（VOLL）的参考点构建提供了支持。