Análisis del impacto de ataques MaDIoT en dos modelos de sistemas eléctricos. [Póster]

An´ alisis del Impacto de Ataques MaDIoT en Dos Modelos de Sistemas El´ ectricos. N´ estor Rodr´ ıguez-P´ erez Instituto de Investigaci´ on Tecnol´ ogica, Universidad Pontificia de Comillas nestor[email protected] Javier Matanza Instituto de Investigaci´ on Tecnol´ ogica, Universidad Pontificia de Comillas Madrid, Espa˜ na Lukas Sigrist Instituto de Investigaci´ on Tecnol´ ogica, Universidad Pontificia de Comillas Madrid, Espa˜ na Jose Luis Rueda Torres Delft University of Technology, Delft, Pa´ ıses Bajos Gregorio L´ opez L´ opez Instituto de Investigaci´ on Tecnol´ ogica, Universidad Pontificia de Comillas Resumen—Este art´ ıculo compara el impacto que los ataques MaDIoT (Manipulaci´ on de Demanda a trav´ es de IoT) podr´ ıan tener en sistemas el´ ectricos con diferentes caracter´ ısticas, como el sistema IEEE-39 (Nueva Inglaterra) y el sistema PST- 16 (modelo europeo simplificado), asumiendo que el atacante no tiene conocimientos avanzados de la red. Los resultados muestran diferencias significativas en la probabilidad de ´ exito de un ataque, siendo mucho mayor para el sistema IEEE-39. Sin embargo, una alta probabilidad de ´ exito no necesariamente significa un alto impacto. Este art´ ıculo muestra que la respuesta de los modelos a los ataques MaDIoT de mayor impacto es muy diferente, ya que inicialmente afecta principalmente a los ´ angulos de rotor en el PST-16, y la frecuencia el´ ectrica en el IEEE-39. Index Terms—MaDIoT, sistemas el´ ectricos, estabilidad, ciberataque Tipo de contribuci´ on: Investigaci´ on ya publicada (l´ ımite 2 p´ aginas): C¸ onfronting the Threat: Analysis of the Impact of MaDIoT Attacks in Two Power System Models”[1] I. INTRODUCCI´ ON Con la creciente penetraci´ on de dispositivos de Internet de las Cosas (IoT), los ciberataques pueden no solo dirigirse a los sistemas de Supervisi´ on, Control y Adquisici´ on de Datos (SCADA) de los sistemas el´ ectricos [2], sino hacia los dispositivos IoT, que generalmente tienen niveles m´ as bajos de seguridad [3]. Cuando se comprometen masivamente, podr´ ıan utilizarse para reducir los m´ argenes de seguridad del sistema el´ ectrico, reducir repentinamente la demanda, o provocar un un apag´ on [4]. En el art´ ıculo publicado [1] que se resume se estudia y compara el impacto de los ataques MaDIoT que aumentan la demanda en sistemas el´ ectricos de diferentes caracter´ ısticas (Nueva Inglaterra y modelo Europeo simplificado) utilizando DIgSILENT PowerFactory. II. METODOLOG´ IA Los sistemas el´ ectricos considerados son el IEEE-39 (Nueva Inglaterra), ampliamente utilizado en estudios acad´ emicos, y el PST-16 [5], que constituye una simplificaci´ on del sistema el´ ectrico europeo con tres zonas (A, B y C, que representan el norte, centro, y sur de Europa, respectivamente). Para el estudio, se incluyeron las siguientes protecciones en ambos modelos: protecciones de sub-frecuencia (sistema de deslastre de cargas), de sobrefrecuencia (desconexi´ on de generadores), sobretensi´ on y subtensi´ on. La configuraci´ on de estas protecciones, as´ ı como los modelos de ataque y adversario, se encuentran detallados en el art´ ıculo original [1]. El prop´ osito del art´ ıculo no es evaluar si los ataques MaDIoT son factibles t´ ecnicamente, sino su impacto en los sistemas el´ ectricos asumiendo que un atacante ha tenido ´ exito en su ataque a los dispositivos involucrados (1 bot = 3kW). Los escenarios considerados se muestran en la Tabla I. Tabla I ESCENARIOS CONSIDERADOS PARA LOS MODELOS IEEE-39 YPST-16. Escenario Modelo ´ Area Tama˜ no botnet # Nodos atacados US39 IEEE 39 - [50 k, 500 k] 3 EU-A PST-16 A [50 k, 500 k] 3EU-B B EU-C C III. RESULTADOS La Figura 1 muestra el ratio de ´ exito (en base a la actuaci´ on de protecciones) de los ataques MaDIoT simulados. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Botnet size (in thousands) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Success ratio US39 EU-A EU-B EU-C Figura 1. Ratio de ´ exito de los distintos escenarios seg´ un el tama˜ no del botnet. Para el escenario US39, todos los ataques simulados de m´ as de 150k bots tuvieron ´ exito. De hecho, la diferencia entre 150k y 200k es significativa, pasando del 10 % de probabilidad de ´ exito al 100 %. La consideraci´ on de un ataque como exitoso si activa al menos una protecci´ on explica esta diferencia. Por otro lado, en el PST-16, los ataques MaDIoT comienzan a ser exitosos en los escenarios EU-A y EU-C para botnets de m´ as de 200k bots y, para el escenario EU-B, para botnets de m´ as de 400k. Mientras que EU-A y EU-C terminan teniendo una proporci´ on de ´ exito similar (≈30 %) para el botnet de JNIC 2024 ISBN:978-84-09-62140-8 508 500k, el m´ aximo ratio de ´ exito para el escenario EU-B es significativamente menor (≈10 %). Aunque IEEE-39 y PST-16 presentan distintos ratios de ´ exito en los ataques MaDIoT, el ratio de ´ exito puede no equivaler a la magnitud del impacto provocado. La Figura 2 representa la frecuencia (Hz), las tensiones (p.u) y el ´ angulo de rotor relativo de los generadores (con respecto al generador de referencia) en funci´ on del tiempo cuando se compromete un total de 500k bots en el modelo PST-16 (escenario EU-C de mayor impacto). El momento del ataque (t = 1 s) se indica con “*” en el eje x. 0 * 5 10 15 20 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Voltage (p.u) Bus A2 Bus B3 Bus C10 Bus load 34 Bus load 30 Bus load 31 0 * 5 10 15 20 Time (s) -200 -100 0 100 200 Relative rotor angle (degrees) Gen C10G Gen C12G Gen C14G 0 * 5 10 15 20 46 47 48 49 50 51 Frequency (Hz) Bus A2 Bus B3 Bus C10 Bus load 34 Bus load 30 Bus load 31 Figura 2. Frecuencia, tensiones, y ´ angulo de rotor relativo para el ataque de mayor impacto en escenario EU-C Comenzando con la frecuencia, el ataque tiene, al principio, un impacto reducido que es notable durante unos segundos; se observa una ligera oscilaci´ on entre las ´ areas, pero el sistema logra contener las variaciones de frecuencia y aparentemente permanece estable. Sin embargo, para t = 15 s, el ´ area C diverge de las otras dos ´ areas que se explica por una p´ erdida de estabilidad de los ´ angulos de los rotores de la generaci´ on en el sistema. Las tensiones de los buses atacados caen significativamente, justo por encima del l´ ımite para el disparo de las protecciones de subtensi´ on. Sin embargo, debido al aumento en la demanda causado por el ataque, el sistema pierde la estabilidad del ´ angulo del rotor y entra en colapso de tensi´ on. Como consecuencia, debido a la actuaci´ on de las protecciones, el sistema termina con alrededor de 3 GW menos de demanda que antes del ataque (≈20 % de disminuci´ on), lo que supone un impacto mayor que la magnitud del ataque. En cuanto al sistema IEEE-39, la Figura 3 muestra la frecuencia y tensi´ on de un ataque a 500k bots en el sistema. En este caso, el sistema logra mantener todas las tensiones dentro de los l´ ımites, por lo que las ´ unicas protecciones que se disparan son las de subfrecuencia (deslastre de cargas). Estas protecciones desconectan alrededor de 1.1 GW de demanda. Sin embargo, a pesar de esto, la demanda total del 0 * 5 10 15 20 Time (s) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Voltage (p.u) Bus 12 Bus 16 Bus 28 0 * 5 10 15 20 56 57 58 59 60 61 Frequency (Hz) Figura 3. Frecuencia y tensiones cuando se comprometen 500k bots en IEEE- 39 (ataque de mayor impacto). sistema aumenta en 76 MW con respecto a la demanda antes del ataque (≈1.2 % de aumento), por lo que el impacto es proporcional a la magnitud del ataque. IV. CONCLUSIONES Los resultados muestran c´ omo el ratio de ´ exito de los ataques depende del sistema afectado. El sistema IEEE-39 presenta ratios de hasta el 100% de ´ exito, mientras que el m´ aximo obtenido en este estudio para el sistema PST-16 es de alrededor del 30 %. Sin embargo, el an´ alisis de los casos de mayor impacto muestra que ratios de ´ exito m´ as altos no significan un mayor impacto. El sistema PST-16 es m´ as grande y tiene m´ as recursos para afrontar el ataque, pero un ataque de alto impacto como el analizado provocar´ ıa un apag´ on equivalente al 20 % de la demanda inicial, un impacto que es mayor que la magnitud del ataque. En el sistema IEEE-39, el caso de alto impacto analizado solo result´ o en un impacto equivalente a la magnitud del ataque. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue desarrollado en el marco del Proyecto eFORT, proyecto financiado por el programa de Investigaci´ on e Innovaci´ on Horizonte Europa de la Uni´ on Europea bajo el Grant Agreement No. 101075665. REFERENCIAS [1] N. Rodr´ ıguez-P´ erez, J. Matanza Domingo, L. Sigrist, J. L. Rueda Torres, and G. L´ opez L´ opez, “Confronting the threat: Analysis of the impact of madiot attacks in two power system models,” Energies, vol. 16, no. 23, 2023. [2] C. Bruno, L. Guidi, A. Lorite-Espejo, and D. Pestonesi, “Assessing a potential cyberattack on the italian electric system,” IEEE Security & Privacy, vol. 13, no. 5, pp. 42–51, 2015. [3] O. Alrawi, C. Lever, M. Antonakakis, and F. Monrose, “SoK: Security evaluation of home-based IoT deployments,” in 2019 IEEE Symposium on Security and Privacy, 2019, pp. 1362–1380. [4] M. P. Goodridge, A. Zocca, and S. Lakshminarayana, “Analysis of cascading failures due to dynamic load-altering attacks,” in 14th IEEE International Conference on Communications, Control, and Computing Technologies for Smart Grids, 2023. [5] J. L. Rueda, J. C. Cepeda, I. Erlich, A. W. Korai, and F. M. Gonzalez-Longatt, “Probabilistic approach for risk evaluation of oscillatory stability in power systems,” in PowerFactory Applications for Power System Analysis, ser. Power Systems. Springer International Publishing, 2014, pp. 249–266. An´alisis del Impacto de Ataques MaDIoT en Dos Modelos de Sistemas El´ectricos 509