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스마트그리드에서의 CPS (cyber-physical system) 시뮬레이션 구현을 위한 제반 연구이슈 및 방법론 검토 원문보기

情報保護學會誌 = KIISC review, v.22 no.5, 2012년, pp.62 - 72  

강동주 (한국전기연구원 스마트전력망연구센터) ,  김휘강 (고려대학교 정보보호대학원)

초록
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스마트그리드는 전력시스템과 이를 제어하기 위한 통신 인프라를 중심으로 다양한 시스템이 서로 통합되는 종합적인 플랫폼으로 이해할 수 있다. 기존에 각기 독립적으로 운영되는 시스템과 통신 인프라가 통합되기 시작하면서 다양한 상호작용이 파생되고 그로 인해 잠재적인 보안 측면의 위험성도 커지게 된다. 전통적인 전력시스템은 폐쇄적인 SCADA 네트워크를 기반으로 운영되었기 때문에 최소한의 보안강도가 보장되었지만, 스마트그리드 하에서는 개방형 통신망과 연계되면서, 기존의 사이버 보안 위협들이 전력시스템으로 유입하게 된다. 기존의 IT 시스템과는 달리 전력시스템과 같은 제어시스템은 물리적 작동과 공정이 수반되기 때문에 새로운 위험이 발생하기도 하고 기존의 위험이 증폭되기도 한다. 전력시스템에서는 가용성이 그 무엇보다 중요하기 때문에, 스마트그리드 체제하에서의 다양한 위협요인을 미리 파악하고 이에 대비한 계획을 수립함으로써, 그러한 가용성의 수준을 유지할 필요가 있다. 이를 위해서는 기존의 사이버 위협이 어떠한 경로를 통해 전력시스템에 영향을 미치게 되며 그로 인한 잠재적 위험이 얼마나 되는가를 평가할 필요가 있다. 그러나 스마트그리드는 아직까지 구축중인 미래형 시스템이고 누적된 과거 데이터가 없기 때문에 가상의 하드웨어 기반 테스트베드 내지 소프트웨어 기반의 시뮬레이션 모델을 통해 이를 사전적으로 테스트할 필요가 있다. 또한 스마트그리드는 서로 다른 IT 시스템과 물리적 설비들이 결합되는 복잡한 시스템이라는 측면에서, 잠재적으로 발생 가능한 다양한 위험을 분석하고 평가할 수 있는 모델의 수립이 요구된다. 본고에서는 그러한 CPS 기반 시뮬레이션 모델에 대한 현재의 연구동향을 검토하고, 향후 실질적으로 구현하기 위한 방안을 제안하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본문에서 언급하였듯이, 스마트그리드의 경우에는 과거의 공격사례와 그로 인한 피해에 대한 데이터 확보가 용이하지 않고, 실제 시스템 상에서 테스트를 수행할 수도 없기 때문에, 테스트베드를 구축하여 다양한 시험과 시나리오를 예상해보는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 제반적인 위험 분석을 위해, 기존 보안이론의 기본적 요건(기밀성, 무결성, 가용성)을 기반으로 정량적 위험평가를 위한 프레임워크를 수립하고, CPS 기반의 시뮬레이션 방법을 모듈 기반으로 구현할 수 있는 방법론을 제안하였다.
  • 선행연구를 참고해 볼 때, 과거의 데이터에 의존하여 위험평가에 필요한 수치를 얻는 것은 무의미해보이며, 이러한 맥락에서 테스트베드 및 CPS 시뮬레이터 구축 필요성이 제기된다. 실질적으로 세계 각국에서는 스마트그리드의 보안 위험을 평가하기 위해 CPS 기반의 시뮬레이터를 구축하기 위한 노력을 진행 중에 있으며, IV절에서 이러한 내용에 대한 연구 동향과 개념적인 제안을 소개하고자 한다.
  • 전력시스템에서는 가용성이 가장 중요하기 때문에 사전적인 방어 못지 않게 공격 이후의 완화 및 복구대책이 중요하고, 이는 CPS 측면에서 사이버 보안을 연구해야 하는 중요한 이유이기도 하다. 이러한 맥락에서, 스마트그리드의 CPS를 연구하기 위한 방법론적인 틀을 분석하고 향후 구현 방법을 제안하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사이버-물리시스템란 무엇인가? 사이버-물리시스템(Cyber-Physical System, 이하 CPS)이란 하나의 시스템 상에서 사이버 계층과 물리적 계층이 서로 긴밀하게 조합을 이루어 상호작용하고 있는 시스템을 의미하고 이러한 과정에서 컴퓨팅, 네트워킹, 물리적 공정이 결합하는 개념이다. 여기서의 사이버 계층이란, 전산기반의 시스템, 소프트웨어 계층 통신 네트워크 등을 의미하는데, 산업용 제어시스템 분야에서 통상적으로 이러한 역할을 수행하는 통신 인프라를 SCADA 시스템으로 통칭하고 있다.
스마트그리드는 무엇으로 구성되어있는가? 스마트그리드 보안은 다른 산업분야와는 다른 특성이 있고 이를 제대로 이해할 필요가 있다. 스마트그리드는 전력시스템(power infrastructure)과 정보인프라(information infrastructure)로 구성되어 있는데, 여기서 전력시스템이란 발전, 송전, 배전을 포괄하는 물리적 에너지 생산 및 유통 서비스이고, 정보인프라는 SCADAEMS1)를 중심으로 한 통신제어 시스템을 의미한다[그림 1]1). 스마트그리드에서의 보안 문제는 이러한 2가지 사이의 상호작용을 이해하는 것이 가장 중요하다고 할수 있다.
전력시장 시뮬레이터에서 시간 구간에 따라 존재하는 개념은 무엇인가? 전력계통은 단일 시스템으로는 매우 거대한 시스템이고, 그로인해 시뮬레이션 목적에 따라 다양한 용도의 툴들이 개발되었다. 전력계통에는 시뮬레이션 시간구간에 따라 과도안정도와 정태안정도 개념이 존재하는데, 과도안정도란 시스템에 외란이 가해진 후 1~2초 이내의 과도특성을 분석하는 것이고, 정태안정도란 특정 이벤트 발생시(발전기나 송전선로의 탈락 등), 과도특성이 안정화된 이후의 정태적인 시스템 특성의 변화를 보는 것이다. 이러한 2가지 관점의 시뮬레이션은 별개의 툴로 수행되어야 하는데, 전력시스템에 대한 동특성과 정태적 특성을 동시에 모델링하고 연산하는 것은 현재의 PC 사양으로는 감당하기 힘든 연산상의 과부하를 초래하기 때문이다.
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참고문헌 (9)

  1. Frances Cleveland, International Standards for the Smart Grid - Power System Functions, Interoperability, and Information Models, Xanthus Consulting International. 

  2. Electricity Market Complex Adaptive System (EMCAS) - Model Introduction, Argonne National Laboratory, Decision and Information Science Division, Center for Energy, Environmental, and Economic Systems Analysis, 2008. 

  3. Dong-Joo Kang, Jong-Joo Lee, Seog-Joo Kim, Jong-Hyuk Park, Analysis on cyber threats to SCADA systems, Transmission & Distribution Conference & Exposition: Asia and Pacific, 2009. 

  4. S.Massoud Amin, Cyber and Critical Infrastructure Security: Toward Smarter and More Secure Power and Energy Infrastructures, Canada- U.S. Workshop on Smart Grid Technologies, 2010. 

  5. Matias Negrete-Pincetic, Felipe Yoshida and George Gross, Towards Quantifying the Impacts of Cyber Attacks in the Competitive Electricity Market Environment. 

  6. David Kuipers and Mark Fabro, Control Systems Cyber Security: Defense in Depth Strategies, Idaho National Lab, 2006. 

  7. Deepa Kundar, Xianyong Feng, Shan Liu, Takis Zourntos, Karen L. Butler-Purry, Towards a Framework for Cyber Attack Impact Analysis of the Electric Smart Grid, 1st IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010. 

  8. Jianli Pan, A Survey of Network Simulation Tools: Current Status and Future Developments, http://www.cse.wustl.edu/-jain/cse567-08/ftp/simt ools.pdf. 

  9. Dong-Joo Kang, Dong-Kyun Kang, and Balho H. Kim, Visualization Issues of Mass Data for Efficient HMI Design on Control System in Electric Power Industry - Visualization in Computerized Operation & Simulation Tools, International Association of Societies of Design Research Conference Seoul, 2009. 

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