[论文解读] Security Assessment and Impact Analysis of Cyberattacks in Integrated T&D Power Systems

Ioannis Zografopoulos, Charalambos Konstantinou+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2021

Smart Grid Security and Resilience参考文献 16被引用 6

一句话总结

本文通过仿真方法对含分布式能源资源（DERs）的输配电网一体化电力系统中的网络攻击进行了网络攻击风险与影响评估。采用 OCTAVE Allegro 方法，识别出关键资产，并评估了三类攻击：对光伏逆变器的数据完整性攻击、断路器控制信号阻断攻击，以及对监测点的协同时延攻击，展示了此类攻击如何因采样间隔导致检测困难，从而引发系统不稳定、电压越限及未被察觉的停电事故。

ABSTRACT

In this paper, we examine the impact of cyberattacks in an integrated transmission and distribution (T&D) power grid model with distributed energy resource (DER) integration. We adopt the OCTAVE Allegro methodology to identify critical system assets, enumerate potential threats, analyze, and prioritize risks for threat scenarios. Based on the analysis, attack strategies and exploitation scenarios are identified which could lead to system compromise. Specifically, we investigate the impact of data integrity attacks in inverted-based solar PV controllers, control signal blocking attacks in protective switches and breakers, and coordinated monitoring and switching time-delay attacks.

研究动机与目标

• 评估现代含 DER 的输配电网一体化系统中网络攻击所构成的安全风险。
• 识别易受破坏的关键任务资产，如逆变器、断路器和监测点。
• 分析特定网络攻击策略对系统可靠性与稳定性的运行影响。
• 展示仿真辅助风险评估在识别隐蔽协同攻击方面的有效性。

提出的方法

• 采用 OCTAVE Allegro 方法识别关键系统资产并枚举潜在威胁。
• 基于真实配电网与输电网数据，构建含 DER 集成的输配电网一体化系统模型。
• 模拟三类网络攻击：对逆变器控制器的数据完整性攻击、对保护开关的控制信号阻断攻击，以及对监测点的时延攻击。
• 通过系统仿真评估攻击后果，包括电压越限、负荷切除非正常断开。
• 基于监测点采样频率（10–15 分钟）及与攻击时间的同步性，分析攻击的可检测性。
• 根据预期运行影响（如越限数量与系统不稳定性）对风险进行优先级排序。

实验结果

研究问题

• RQ1 对光伏逆变器的完整性攻击如何影响输配电网一体化系统的系统稳定性和电压特性？
• RQ2 对保护性断路器和开关的控制信号阻断攻击，在系统拓扑变化和过载方面有何影响？
• RQ3 对监测点的时延攻击如何在正常系统运行期间保持隐蔽？
• RQ4 对监测与开关功能的协同攻击在多大程度上可导致级联故障或未被察觉的停电？
• RQ5 仿真辅助风险评估在识别和优先处理现代电网中高影响网络威胁方面有多有效？

主要发现

• 对逆变器控制器的数据完整性攻击导致 1,053 起电压越限和 603 起频率越限，显著降低系统稳定性。
• 对保护性开关的控制信号阻断攻击导致 603 起越限事件，包括电压与频率越限，原因在于跳闸动作延迟或缺失。
• 与 15 分钟采样周期同步的监测点时延攻击可长期保持隐蔽，使断路器跳闸等关键事件未被察觉。
• 识别出最关键的组件是断路器 #2，其被攻破可能导致高达 603 起越限事件，原因在于跳闸报告延迟或被篡改。
• 研究表明，利用监测时间间隙的协同攻击可造成严重系统影响，且不会立即触发检测机制。
• 仿真辅助风险评估在识别隐蔽高影响攻击场景及优先制定关键资产缓解策略方面被证明非常有效。