Cyber risk assessment of cyber-physical system for renewable energy application

Cyber-Physical Power System (CPPS) coordinate the power systems by interconnections via the cyber domain, enabling functionalities of real-time monitoring, dynamic control, and decision support. Specifically to renewable energy generation, advanced control techniques are required to support and enhance controllability and responsiveness of renewable resources – wind and solar – within electric power systems. CPPS also gives rise to the new challenge that the system integrity can be compromised by accidental or intentional cyber breaches, which can lead to impacts on the supply of power, customer satisfaction, economic loss, etc. In this thesis, we propose a simulation-based framework for cyber risk assessment of CPPSs for renewable energy generation, aimed at exploring the effect of cyber threats on the CPPS functionality, and identifying the risk-important elements. A cost-benefit analysis, based on the Mixed Integer Linear Programming (MILP) model, is first performed to prioritize and choose the optimal time of attack, taking into account uncertainties related to the primary renewable resource availability and to the customer demand of power. Then, cyber-attack scenarios, with respect to False Data Injection Attacks (FDIA) to the state estimators of the CPPSs, are generated at attack time preferred. Base on the Value-at-Risk measures of the system important objective functions, critical elements are identified. The proposed framework can be of help in enhancing the risk and resilience management of CPPSs for renewable energy application against induced failures. For demonstration purpose, we apply the proposed framework to IEEE 30-bus test system considering both solar photovoltaic and wind turbine distributed generations. The power grid control process is considered to be compromised by specific FDIA attacks bypassing the bad data detection to cause catastrophic consequences of the system.

Cyber-physical Power System (CPPS) coordinano i sistemi di potenza grazie alla interconnessione con il dominio informatico, abilitando funzionalità come il monitoraggio in tempo reale, il controllo dinamico e supporto decisionale. Specificatamente alla produzione di energia da rinnovabili, avanzate tecniche di controllo sono richieste per supportare e migliorare la controllabilità e la reattività delle risorse rinnovabili - eolico e solare - all'interno di sistemi di potenza elettrica. CPPS fa emergere nuove sfide poichè l'integrità del sistema può essere compromessa da violazioni di sicurezza o errori accidentali, che possono avere un impatto sulla produzione di potenza, soddisfazione dei clienti, perdite economiche, ecc. In questa tesi, proponiamo una procedura di simulazioni per la valutazione del rischio informatico del CPPSs nella produzione di energia rinnovabile, volta a investigare gli effetti dei pericoli informatici sulle funzionalità del CPPS, e identificare gli elementi importanti dal punto di vista del rischio. Un' analisi costi benefici , basata su un modello di Programmazione Linear a variabili intere miste (MILP) , è svolta in primo luogo per prioritizzare e scegliere i migliori tempi di attacco informatico, tenendo in considerazione le incertezze relative alla disponibilità di risorse primarie rinnovabili e le richieste di energia dei clienti. Successivamente sono creati scenari di attacco informatico durante i tempi preferiti calcolati, attraverso attacchi di iniezione di dati falsi (FDIA) nello stimatore di stato del CPPS. Basandoci sulle misure Value-at-Risk delle funzioni di prestazione del sistema, vengono identifica gli elementi critici. Lo schema di lavoro proposto può essere di aiuto nel migliorare la gestione del rischio e della resilienza dei sistemi CPPS nella applicazioni di energia rinnovabile contro guasti indotti. A titolo di esempio, abbiamo applicato il procedimento proposto alla rete di test IEEE 30-bus considerando produzione di energia distribuita sia da solare fotovoltaico sia da turbine eoliche. Viene così simulata la compromissione dei sistemi di controllo dei processi della rete elettrica da specifici FDIA che sorpassano il rilevatore di dati falsi per causare conseguenze catastrofiche sul sistema.