물리 기반 사이버보안으로 미국 전력망 강화

노후화된 미국 전력망을 21세기 전력 수요에 맞게 현대화하려면, 거대하고 복잡한 네트워크를 '스마트' 기술로 업데이트하여 자동화, 연결성, 재생 에너지 자원을 활용해 전기를 더 안정적이고 효율적으로 공급해야 합니다.

더 스마트하고 연결된 전력망은 이상 기후 같은 위협에 대한 복원력을 높일 수 있지만, 전력망의 규모와 복잡성이 커짐에 따라 사이버 공격에 대한 취약성도 증가합니다. 점점 더 디지털화되는 전력망은 국가 전력 공급을 방해하려는 악의적 행위자에게 수많은 진입점을 만들 수 있습니다.

전력을 생성, 송전, 배전하는 거대하고 상호 연결된 전국 규모의 네트워크인 미국 전력망 보호는 국가 안보에 필수적입니다.

하지만 전력망이 더 복잡해지고 해커가 더 정교해짐에 따라 전통적인 IT 방식의 사이버보안으로는 더 이상 충분하지 않다고, 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 과학자들은 말합니다. 이들은 전력망을 사이버 공격에 더 강건하게 만들기 위해 노력하고 있습니다.

"전통적인 유틸리티 네트워크가 공공 네트워크로부터 물리적으로 격리되어 있었기 때문에, 대부분의 위협에 대해 IT 접근 방식이 충분했습니다."라고 아르곤의 계산 엔지니어 Bo Chen은 말합니다. "오늘날의 유틸리티 네트워크는 새로운 기술이 통합되면서 더 많은 취약점을 만듭니다. 많은 정교한 공격은 자신을 숨길 수 있어 IT 접근 방식으로는 탐지할 수 없습니다."

아르곤의 계산 과학자 Hyekyung(Clarisse) Kim과 함께 전력망을 안전하게 지키기 위한 새로운 안전장치가 필요하다고 Chen은 말합니다. 이들은 IT 경계망을 뚫고 들어온 공격을 방어하는 보안 계층을 추가하는 물리학, 규칙 기반 사이버보안 접근법을 개발했습니다.

"물리학 기반 방법은 데이터 무결성을 검증하고 악의적 신호와 명령이 존재하는 상황에서도 시스템 안정성을 유지할 수 있는 매력적인 솔루션을 제공합니다."라고 Kim은 설명합니다.

Chen과 Kim은 최근 글로벌 선도 기술 기업인 Hitachi ABB Power Grids의 엔지니어들이 새로운 보안 계층과 의사결정 프레임워크를 추가하여 사이버 위협을 정확히 파악하고 차단함으로써 공격이 발생하더라도 전력망이 계속 운영되도록 도왔습니다. 이들의 연구는 IEEE Transactions on Power Systems 저널에 게재되었습니다.

아르곤 팀의 연구는 DOE 사이버보안, 에너지 안보, 비상 대응 사무국(CESER)을 위해 Hitachi ABB Power Grids가 관리하는 더 광범위한 프로젝트의 일환으로, 고압 직류(HVDC) 송전선로 보안을 위한 것입니다.

HVDC 시스템을 사이버 공격으로부터 보호

미국 전력망은 약 70만 회로 마일의 선로로 구성되며, 주로 교류(AC)로 전력을 공급합니다. 그러나 전력망이 현대화됨에 따라 HVDC 시스템은 AC 송전의 보조 수단이라는 본래 목적을 넘어 효율적이고 유연한 에너지 전송 시스템으로 부상하고 있습니다.

HVDC 시스템은 매우 긴 거리에 대량의 전기를 낮은 전기 손실로 보낼 수 있는 능력 외에도, 풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지를 전력망에 더 쉽게 통합하고 네트워크 성능을 개선할 수 있습니다.

시스템 안정성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 HVDC 시스템을 사이버 공격으로부터 보호하는 것은 매우 중요하다고 Chen은 강조합니다. 예를 들어 사이버 공격은 전력 시스템의 한 부분 또는 몇 부분의 고장이 다른 부분의 고장을 유발하여 잠재적으로 대규모 정전이나 완전 블랙아웃을 초래하는 '연쇄 고장'을 일으킬 수 있습니다.

"HVDC 변전소에 대한 원격 및 로컬 액세스 포인트가 증가하면서 다양한 HVDC 애플리케이션이 크게 용이해졌지만, 이러한 액세스 포인트는 내부와 외부의 악의적 공격자가 잠재적으로 활용할 수 있는 공격 표면을 크게 확대합니다."라고 Chen은 말합니다.

많은 HVDC 애플리케이션은 광역 모니터링, 보호, 제어(WAMPAC) 플랫폼을 통해 수집된 실시간 데이터에 의존합니다. 이 플랫폼은 HVDC 시스템 전력 출력을 분석하고 원격 제어하는 데 사용됩니다. 유익하지만 WAMPAC 플랫폼은 해커에게 문을 열 수 있습니다.

"위상 측정 장치(PMU)가 서로 다른 위치에 배치되어 있어 데이터 수집과 원격 제어를 지원하는 통신 프레임워크가 있고, 이로 인해 사이버 공격에 취약해집니다."라고 Chen은 설명합니다.

사이버보안에 규칙 기반 접근법을 취하여 Chen과 Kim은 WAMPAC 플랫폼을 통해 수집된 데이터를 물리 법칙을 사용해 검증함으로써 허위 데이터 주입 공격을 탐지하는 알고리즘을 개발했습니다. 이러한 공격에서 적들은 전력 관리 시스템을 속이거나 오도하기 위해 허위 데이터를 주입하여 전력을 방해하려 시도합니다.

전력망 운영자는 매우 높은 해상도로 실시간 전력망 정보를 수집하고 처리하는 거대한 전자 장치 네트워크를 통해 상황 인식을 유지한다고 Kim은 말합니다.

"우리의 탐지 기술은 이러한 장치에서 허위 데이터 주입 공격을 탐지하면서 엄격한 시간-성능 요구 사항을 충족하기 위해 물리 법칙을 사용합니다."라고 Kim은 설명합니다. "작동 방식은 이 장치들로부터 수신된 데이터 간의 내재적 상호 의존성을 기반으로 규칙을 생성하여 예상 값과 일치하는지 또는 허위 데이터 샘플일 수 있는지 판단하는 것입니다."

"우리 도구는 운영자에게 공격 상태를 알리고, 손상된 장치를 식별하며, 공격이 진행 중이더라도 전력망 운영이 중단되지 않도록 올바른 값으로 손상된 데이터를 대체합니다."라고 Kim은 계속합니다.

Chen은 탐지 알고리즘이 실제 시스템의 디지털 복제본, 즉 디지털 트윈과 본질적으로 같다고 말합니다.

"우리는 실제 시스템을 지속적으로 시뮬레이션하고 시스템의 실제 상태를 나타내는 데이터를 제공할 수 있습니다. 우리는 비정상적인 신호나 동작을 식별할 수 있고, 그것이 실제 고장인지 사이버 해킹인지도 구별할 수 있습니다."라고 Chen은 말합니다.

이 알고리즘은 공격 진행 중임을 운영자에게 알리고, 손상된 장치를 식별하고, 추가 분석을 위한 결과를 표시하는 그래픽 사용자 인터페이스를 갖추고 있습니다.

탐지 알고리즘 성공 입증

시뮬레이션 모델 개발 후, 팀은 아르곤에서 다양한 운영 조건 하에서 수많은 케이스를 사용하여 알고리즘을 테스트했습니다. 결과는 알고리즘이 항상 최초의 악의적 공격을 탐지했으며, 손상된 데이터와 손상되지 않은 데이터를 구별하는 데 거의 100% 정확했음을 보여줍니다.

탐지 알고리즘은 노스캐롤라이나의 ABB 미국 기업 연구 센터에서도 테스트되었습니다. 아르곤 기술은 Hitachi ABB의 자체 실시간 디지털 시뮬레이터 테스트 베드에 통합되었습니다. 테스트 베드에서 공격이 시뮬레이션되었고 성공적으로 탐지되었습니다.

최종 시연은 오레곤의 Bonneville Power Administration(BPA)에서 이루어졌으며, 탐지 알고리즘이 BPA 복제 변전소에서 사용되었습니다. 이 성공적인 시연은 HVDC 시스템에 제공될 수 있는 다양한 잠재적 보호 기능을 보여주었습니다.

"이것은 다른 물리적 시스템과 제품에도 사용할 수 있는 범용 규칙 기반 접근법이므로, 기존 시스템에 기능 모듈로 통합되거나 별도 장치로 개발되어 부착될 수 있습니다."라고 알고리즘 연구를 계속하고 있는 Chen은 말합니다.

전력망의 미래

미국 전력망이 진화하고 사이버 위협이 증가하고 정교해짐에 따라, HVDC 변전소 확보는 대용량 전력 시스템의 신뢰할 수 있는 운영, 보호, 제어에 필수적입니다. 미래를 볼 때 변화하는 사이버 환경은 IT 보호만으로는 충분하지 않음을 의미합니다.

"IT 관점에서 네트워크 트래픽을 모니터링하는 수많은 탐지 방법이 존재하지만, 에너지 전달 시스템의 취약성에는 여전히 공백이 존재합니다."라고 Chen은 말합니다. "예를 들어 펌웨어 공격은 IT 부서가 최고의 사이버 보안 관행을 따르더라도 운영 체제와 악성코드 탐지 소프트웨어를 우회할 수 있습니다. 따라서 IT 관점을 넘어 에너지 전달 시스템을 보호하는 것이 필수적입니다."

이 기사는 아르곤 국립연구소 기고 작가 Beth Burmahl이 작성했습니다. 자세한 정보는 이메일(자바스크립트 필요) 또는 여기를 방문해 문의하세요.