Ανάλυσης της Ασφάλειας του Ηλεκτρικού Δικτύου Έναντι Φυσικών και Κυβερνοφυσικών Επιθέσεων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της ασφάλειας και της ευπάθειας Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας έναντι σκόπιμων φυσικών και κυβερνοφυσικών επιθέσεων. Η μελέτη επικεντρώνεται στον εντοπισμό συνδυασμών στοιχείων του ηλεκτρικού δικτύου των οποίων η ταυτόχρονη απώλεια μπορεί να προκαλέσει σημαντική διαταραχή στη λειτουργία του συστήματος και να οδηγήσει σε αυξημένη μη εξυπηρετούμενη ισχύ. Παράλληλα, εξετάζεται η πρόσθετη επιβάρυνση που μπορεί να προκύψει όταν η φυσική επίθεση συνδυάζεται με κυβερνοεπίθεση ανακατανομής φορτίου, κατά την οποία αλλοιώνονται οι μετρήσεις φορτίου σε επιλεγμένους ζυγούς του συστήματος. Για την αξιολόγηση των φυσικών επιθέσεων εξετάζονται σενάρια ταυτόχρονης αποσύνδεσης δύο στοιχείων του συστήματος, τα οποία μπορεί να είναι μονάδες παραγωγής ή γραμμές μεταφοράς. Για κάθε εξεταζόμενο σενάριο προσδιορίζεται η βέλτιστη λειτουργική απόκριση του συστήματος μετά τη διαταραχή, με βασικό κριτήριο αξιολόγησης τη μη εξυπηρετούμενη ισχύ. Η ανάλυση επεκτείνεται με την ενσωμάτωση επίθεσης ανακατανομής φορτίου, όπου η αλληλεπίδραση μεταξύ επιτιθέμενου και διαχειριστή αναπαρίσταται μέσω διεπίπεδης βελτιστοποίησης. Το πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ισοδύναμο μονοεπίπεδο πρόβλημα μικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (MILP) μέσω των συνθηκών KKT, της γραμμικοποίησης Fortuny-Amat και του θεωρήματος ισχυρής δυϊκότητας. Τα αναπτυγμένα μοντέλα υλοποιούνται σε γλώσσα Python και επιλύονται με τη χρήση του επιλυτή Gurobi. Εφαρμόζονται σε συστήματα διαφορετικού μεγέθους και πολυπλοκότητας και συγκεκριμένα σε σύστημα 3ων ζυγών, στο σύστημα IEEE 24ων ζυγών και στο σύστημα IEEE 118 ζυγών. Για τα συστήματα 3ων και 24ων ζυγών εξετάζονται τόσο οι φυσικές επιθέσεις, όσο και η επίδραση της ανακατανομής φορτίου, ενώ για το σύστημα IEEE 118 ζυγών πραγματοποιείται η ανάλυση των σεναρίων φυσικής επίθεσης. Στην περίπτωση του συστήματος IEEE 24ων ζυγών διερευνάται επιπλέον η επίδραση διαφορετικών περιορισμών της κυβερνοεπίθεσης, μέσω της μεταβολής του αριθμού των ζυγών που μπορούν να επηρεαστούν και του μέγιστου επιτρεπόμενου ποσοστού μεταβολής του φορτίου. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τη σημαντική διαφοροποίηση της επίδρασης των εξεταζόμενων σεναρίων ανάλογα με τον συνδυασμό των στοιχείων που τίθενται εκτός λειτουργίας και επιτρέπουν τον εντοπισμό των πλέον κρίσιμων περιπτώσεων για τη λειτουργία του συστήματος. Επιπλέον, προκύπτει ότι η εισαγωγή επίθεσης ανακατανομής φορτίου μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη μη εξυπηρετούμενη ισχύ σε σχέση με την αντίστοιχη αποκλειστικά φυσική επίθεση, με το μέγεθος της επιβάρυνσης να εξαρτάται τόσο από το εξεταζόμενο σενάριο, όσο και από τους περιορισμούς της κυβερνοεπίθεσης. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας στα τρία συστήματα δοκιμών καταδεικνύει τη δυνατότητά της να χρησιμοποιηθεί για τη συστηματική αξιολόγηση της ευπάθειας ηλεκτρικών δικτύων διαφορετικού μεγέθους και για τον εντοπισμό κρίσιμων συνδυασμών στοιχείων και δυσμενών συνθηκών επίθεσης.