Detection of High-stealth False Remote Control Command Injection Attacks on Power Industrial Control Systems

ZHANG Bo; SONG Yufei; ZHENG Haofeng; LIU Xuan; WANG Wenbo

doi:10.7500/AEPS20230423004

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Detection of High-stealth False Remote Control Command Injection Attacks on Power Industrial Control Systems

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Detection of High-stealth False Remote Control Command Injection Attacks on Power Industrial Control Systems
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 17, Pages: 97-108(2024)
- 作者机构：
  
  湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410082
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51777062)
- DOI：10.7500/AEPS20230423004
  CLC：
- Received：23 April 2023，
  
  Revised：2024-01-31，
  
  Published Online：05 August 2024，
  
  Published：10 September 2024
- 稿件说明：
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张博,宋宇飞,郑豪丰等.电力工控系统高隐身虚假遥控指令注入攻击检测[J].电力系统自动化,2024,48(17):97-108.

ZHANG Bo,SONG Yufei,ZHENG Haofeng,et al.Detection of High-stealth False Remote Control Command Injection Attacks on Power Industrial Control Systems[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(17):97-108.
张博,宋宇飞,郑豪丰等.电力工控系统高隐身虚假遥控指令注入攻击检测[J].电力系统自动化,2024,48(17):97-108. DOI： 10.7500/AEPS20230423004.

ZHANG Bo,SONG Yufei,ZHENG Haofeng,et al.Detection of High-stealth False Remote Control Command Injection Attacks on Power Industrial Control Systems[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(17):97-108. DOI： 10.7500/AEPS20230423004.

摘要

随着新型电力系统中信息域与物理域耦合程度的加深和网络攻击技术的快速发展，电力工控系统正面临定制化网络攻击威胁，其中，高隐身虚假遥控指令注入(HFCI)攻击已成为破坏能力最强的网络攻击类型之一。文中提出一种电力工控系统HFCI攻击检测方法。首先，利用优化卷积神经网络模型对IEC 60870-5-104协议业务流量进行浅应用层HFCI检测并过滤异常报文；然后，通过HFCI厂站级指令威胁度评估模块和HFCI系统级指令风险判断模块，对深应用层的HFCI攻击指令进行检测；最后，通过IEEE 30节点仿真系统，验证了所提HFCI攻击检测方法的准确性和泛化能力。

Abstract

With the deepening of the coupling between information domain and physical domain in new power system and the rapid development of cyber attack technology

power industrial control systems are facing the threat of customized cyber attack

among which high-stealth false remote control command injection (HFCI) attacks have become one of the most destructive cyber attack types. This paper presents a HFCI attack detection method for power industrial control system. First

the optimized convolutional neural network model is used to detect HFCI and filter abnormal packets at the shallow application layer for IEC 60870-5-104 protocol business traffic. Then

HFCI attack commands at deep application layer are detected through the factory-level command threat assessment module and the system-level command risk judgment module. Finally

the IEEE 30-bus simulation system verifies the accuracy and generalization ability of the proposed HFCI attack detection method.

关键词

Keywords

references

徐飞阳，薛安成，常乃超，等 . 电力系统自动发电控制网络攻击与防御研究现状与展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 3 ）： 3 - 14 .

XU Feiyang ， XUE Ancheng ， CHANG Naichao ， et al . Research status and prospect of cyber attack and defense on automatic generation control in power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 3 ）： 3 - 14 .

王文博，刘绚，张博，等 . 基于协议特征的电力工控网络流量异常行为检测方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 2 ）： 137 - 145 .

WANG Wenbo ， LIU Xuan ， ZHANG Bo ， et al . Protocol characteristics based detection method for abnormal flow behavior in electric power industrial control network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 2 ）： 137 - 145 .

连祥龙，钱瞳，张银，等 . 基于DeepWalk算法的电力系统错误数据注入网络攻击分类方法［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 3 ）： 166 - 171 .

LIAN Xianglong ， QIAN Tong ， ZHANG Yin ， et al . Cyber attack classification method of false data injection in power system based on DeepWalk algorithm ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 166 - 171 .

杨杰，郭逸豪，郭创新，等 . 考虑模型与数据双重驱动的电力信息物理系统动态安全防护研究综述［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 7 ）： 176 - 187 .

YANG Jie ， GUO Yihao ， GUO Chuangxin ， et al . A review of dynamic security protection on a cyber physical power system considering model and data driving ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 7 ）： 176 - 187 .

PANG Z H ， FAN L Z ， DONG Z ， et al . False data injection attacks against partial sensor measurements of networked control systems ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs ， 2022 ， 69 （ 1 ）： 149 - 153 .

李扬，李智，陈亮，李国庆 . 发电机动态状态估计中的一种虚假数据注入攻击方法［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 7 ）： 1476 - 1488 .

GU C J ， JIRUTITIJAROEN P ， MOTANI M . Detecting false data injection attacks in AC state estimation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 6 （ 5 ）： 2476 - 2483 .

HE Y B ， MENDIS G J ， WEI J . Real-time detection of false data injection attacks in smart grid： a deep learning-based intelligent mechanism ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2017 ， 8 （ 5 ）： 2505 - 2516 .

LI Y ， WEI X H ， LI Y Z ， et al . Detection of false data injection attacks in smart grid： a secure federated deep learning approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 6 ）： 4862 - 4872 .

MUSLEH A ， CHEN G ， DONG Z Y ， et al . Online characterization and detection of false data injection attacks in wide-area monitoring systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 2549 - 2562 .

DU M ， WANG L H ， ZHOU Y C . High-stealth false data attacks on overloading multiple lines in power systems ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 2 ）： 1321 - 1324 .

SAXENA N ， XIONG L L ， CHUKWUKA V ， et al . Impact evaluation of malicious control commands in cyber-physical smart grids ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Computing ， 2021 ， 6 （ 2 ）： 208 - 220 .

CHAKRABARTY S ， SIKDAR B . Detection of hidden transformer tap change command attacks in transmission networks ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2020 ， 11 （ 6 ）： 5161 - 5173 .

王坤，苏盛，左剑，等 . 变电站自动化系统扰动同步协同攻击及防护分析［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4452 - 4461 .

WANG Kun ， SU Sheng ， ZUO Jian ， et al . Synchronous disturbance coordinated attack and analysis of defense for substation automation system ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4452 - 4461 .

曹茂森，王蕾报，胡博，等 . 考虑电-气耦合系统连锁故障的多阶段信息物理协同攻击策略［J］. 电力自动化设备， 2019 ， 39 （ 8 ）： 128 - 136 .

CAO Maosen ， WANG Leibao ， HU Bo ， et al . Coordinated cyber-physical multi-stage attack strategy considering cascading failure of integrated electricity-natural gas system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2019 ， 39 （ 8 ）： 128 - 136 .

张博，刘绚，于宗超，等 . 基于人工智能的电力系统网络攻击检测研究综述［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 11 ）： 4413 - 4426 .

ZHANG Bo ， LIU Xuan ， YU Zongchao ， et al . Review on artificial intelligence-based network attack detection in power systems ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 11 ）： 4413 - 4426 .

GUO W ， TONDI B ， BARNI M . An overview of backdoor attacks against deep neural networks and possible defences ［J］. IEEE Open Journal of Signal Processing ， 2022 ， 3 ： 261 - 287 .

常忠蛟，刘云 . 巴西“3·21” 大停电后电网恢复情况分析［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 3 ）： 1078 - 1088 .

CHANG Zhongjiao ， LIU Yun . Analysis on Brazilian power grid restoration after “March 21” blackout ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 3 ）： 1078 - 1088 .

郭庆来，辛蜀骏，王剑辉，等 . 由乌克兰停电事件看信息能源系统综合安全评估［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 5 ）： 145 - 147 .

GUO Qinglai ， XIN Shujun ， WANG Jianhui ， et al . Comprehensive security assessment for a cyber physical energy system： a lesson from Ukraine’s blackout ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 5 ）： 145 - 147 .

CHAKRABARTY S ， SIKDAR B . Unified detection of attacks involving injection of false control commands and measurements in transmission systems of smart grids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 1598 - 1610 .

CHAKRABARTY S ， SIKDAR B . Detection of malicious command injection attacks on phase shifter control in power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 271 - 280 .

胡博，谢开贵，邵常政，等 . 双碳目标下新型电力系统风险评述：特征、指标及评估方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1 - 15 .

HU Bo ， XIE Kaigui ， SHAO Changzheng ， et al . Commentary on risk of new power system under goals of carbon emission peak and carbon neutrality： characteristics， indices and assessment methods ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1 - 15 .

周劼英，张晓，邵立嵩，等 . 新型电力系统网络安全防护挑战与展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 8 ）： 15 - 24 .

ZHOU Jieying ， ZHANG Xiao ， SHAO Lisong ， et al . Challenges and prospects of cyber security protection for new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 8 ）： 15 - 24 .

吴鑫辉，邹雨，郑锐 . 基于模糊综合决策的海军通信资源匹配方法研究［J］. 舰船电子工程， 2021 ， 41 （ 11 ）： 61 - 63 .

WU Xinhui ， ZOU Yu ， ZHENG Rui . Matching method of naval communication resources based on fuzzy synthetic evaluation ［J］. Ship Electronic Engineering ， 2021 ， 41 （ 11 ）： 61 - 63 .

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