Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10239
Title: Χρήση θεωρίας παιγνίων για κυβερνο - επιθέσεις σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας
Other Titles: Using game theory in cyber attacks on power systems
Authors: Φίκαρης, Γεώργιος
Keywords: Επιθέσεις
Συστήματα
Πολυεδρικά
Σύνολα
Ευστάθεια
Ενέργεια
Keywords (translated): Cyberattack
Systems
Lyapunov
Polyhedric
Sets
Stability
Power
Abstract: Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η προσομοίωση μίας κυβερνο-επίθεσης σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά, αναπτύσσεται η στρατηγική ελέγχου που θα μπορούσε να ακολουθήσει η επιτιθέμενη πλευρά και, έπειτα, αναλύεται η επίδραση της εφαρμογής της στη λειτουργία του συστήματος έπειτα από μία επιτυχή προσβολή του υπολογιστικού συστήματος ενός σταθμού παραγωγής του. Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας στο οποίο πειραματιζόμαστε είναι ένα ελεγχόμενο διασυνδεδεμένο σύστημα με δύο περιοχές ελέγχου οι οποίες συνδέονται με μία ασθενή διασυνδετική γραμμή. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βασική δομή του συστήματος και δίνεται η μαθηματική του περιγραφή στο χώρο κατάστασης. Κάθε περιοχή ελέγχου έχει το δικό της φορτίο και προσπαθεί να ικανοποιεί τις αυξομειώσεις του με εφαρμογή της κατάλληλης στρατηγικής αυτομάτου ελέγχου της παραγωγής των γεννητριών της. Επιπλέον, η ροή ισχύος στη διασυνδετική γραμμή ρυθμίζεται με στόχο την ασφαλή και οικονομική λειτουργία του διασυνδεδεμένου συστήματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο νόμος ελέγχου μεταφερόμενης ισχύος και συχνότητας στις δύο περιοχές και αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος μετά την εφαρμογή του. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η στρατηγική ελέγχου που επιβάλλει ο επιτιθέμενος παράγοντας στο σύστημα. Γίνεται η υπόθεση ότι έχει προσβληθεί το σύστημα ελέγχου παραγωγής της μίας περιοχής ελέγχου, με αποτέλεσμα ο επιτιθέμενος παράγοντας να έχει πλήρη έλεγχο της παροχής καυσίμου σε μία ή περισσότερες από τις γεννήτριές της. Βασισμένος στη θεωρία των πολυεδρικών συνόλων, ο επιτιθέμενος ελεγκτής επηρεάζει τόσο τη συχνότητα του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας όσο και τη μεταφερόμενη ισχύ στη διασυνδετική γραμμή που ενώνει τις δύο περιοχές του. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βήματα της προσομοίωσης της επίθεσης. Αρχικά, κατασκευάζεται και εφαρμόζεται το σύστημα ελέγχου ισχύος και συχνότητας στη μία περιοχή. Έπειτα, δίνονται οι τιμές των παραμέτρων του συστήματος και του ελεγκτή ισχύος και συχνότητας. Έτσι, ορίζεται το πολυεδρικό σύνολο που εξασφαλίζει την επιθυμητή συμπεριφορά του συστήματος και βάσει αυτού κατασκευάζεται ο επιτιθέμενος επεκτατικός ελεγκτής και εφαρμόζεται στην άλλη περιοχή ελέγχου του ΣΗΕ. Τέλος, παρουσιάζεται ο κώδικάς που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της επίθεσης στο Matlab. Στο επόμενο κεφάλαιο ακολουθεί η απόκριση του υπό επίθεση συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία εξαρτάται τόσο από τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του τη στιγμή της επίθεσης όσο και από μη προβλέψιμους παράγοντες, όπως οι μεταβολές φορτίου στις δύο περιοχές, κατά τη διάρκειά της. Κάποιες φορές, η συνδιασμένη προσπάθεια των χειριστών του συστήματος και των συστημάτων ελέγχου που δεν έχουν προσβληθεί από κακόβουλο λογισμικό καταφέρνουν να περιορίσουν τα σφάλματα συχνότητας και ισχύος στη διασυνδετική γραμμή, διατηρώντας την ευστάθεια του συστήματος. Ωστόσο, υπάρχουν και περιπτώσεις είτε αποσυγχρονισμού των γεννητριών των δύο περιοχών και κατάρρευσης του συστήματος είτε πολύ μεγάλης απόκλισης της συχνότητας λειτουργίας από την ονομαστική της τιμή που θεωρείται καταστρεπτική για τις περισσότερες συσκευές του συστήματος. Στόχος της ανάλυσης των αποκρίσεων σε ήδη εγκατεστημένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι η εκτίμηση της ανθεκτικότητάς τους σε τέτοιου είδους επιθέσεις και η ανάδειξη πιθανών αδυναμιών τους. Ο περιορισμός αυτών των αδυναμιών πρέπει να συμπεριλαμβάνεται στις προσπάθειες εκσυγχρονισμού των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, από τη στιγμή που υπάρχουν υπολογιστικά δίκτυα παγκόσμιας εμβέλειας τα οποία ήδη χρησιμοποιούν οι πάροχοι ηλεκτρικής ενέργειας και οι διαχειριστές των δικτύων μεταφοράς της. Τα συμπεράσματα από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης συνοψίζονται στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο.
Abstract (translated): Subject of this thesis is the simulation of a cyber attack on a power system. At first, a control strategy that could possibly be used by the attacker is developed and, then, the effect of its implementation in the system‘s operation is analyzed, after a hypothetically successful cyber attack on the computer system of a system’s power plant. The considered system consists of two control areas interconnected via a power flow tie line. The first chapter presents the basic structure of the system and introduces its state space mathematical represantation. The second chapter introduces the control law for the power flow through the tie line and the frequency of the two areas implemented to the system and presents the state space model of the controlled system. Each area is responsible for their load changes. In addition, the tie line power flow is regulated regarding safe and economically beneficial system operation. The third chapter introduces the adversary control policy implemented to the system. Hypothetically, the attacker gains control of one or more power generators of one area of the system. Based on polyhedral sets theory, the expanding (adversary) controller is able to affect system’s frequency and tie line power flow. The fourth chapter considers the cyber attack simulation. At first, the frequency – power controller is implemented in area 1 of the system. Afterwards, the contractive controller and system parameters are given. Then, the polyhedral set that guarantees system’s desired behavior is defined. Based in this polyhedral set, the adversary control is implemented in area 2 of the system. Finally, the Matlab code used for the cyber attack simulation is presented. Subject of the next chapter is the system response, depending on the system’s steady state before the attack as well as unknown or unpredictable factors, such as load changes. Sometimes, operator’s and contractive control system’s combined efforts reduce frequency and tie line power flow errors, maintaining system stability. In other cases, generators desynchronization leading to system’s collapse or large deviations of frequency from its nominal set point are considered to have destructive effects for the system and most of its operating devices. The analysis of the response during a simulated cyber attack on already installed power plant systems aims to evaluate their robustness in such attacks and to promote any possible weak points. The limitation of these weaknesses should be a part of modernization and improvement of every already operating power system, since power providers, power grid managers and various power plant devices use worldwide web, an environment where more and more adversaries appear. The results and conclusion of the simulation are summarized in chapter six. (English)
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογιστών (ΜΔΕ)



Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.