IEMI Vulnerability Analysis for Different Smart Grid-enabled Devices

The smart grid concept aims to improve power systems’ robustness, efficiency, and reliability. The transition from conventional power grids to smart grids has been achieved mainly by integrating Smart Electronic Devices (SEDs) and advanced automatic control and communication systems. On the one hand, electronic devices have been integrated to make the system more decentralised from the national electrical grid. On the other hand, from the point of view of protection and control equipment, there is a growing tendency to replace arrays of analog devices with single digital units that perform multiple functions in a more integrated and efficient way. Despite the perceived benefits of such modernisation, security issues have arisen with substantial concern as electronic devices can be susceptible to Intentional Electromagnetic Interference (IEMI) [2]. The number of IEMI sources has grown significantly in recent decades. In 2014, 76 different types were reported, in which 21 sources were conducted, and 55 were irradiated. From a technical perspective, they can present different features, including band type, average / centre frequency, peak voltage (for conducted sources), or peak field (for irradiated sources) [4]. These sources also differ in technology level, associated cost, and mobility in approaching the target system. Therefore, they can be characterized by the easiness of occurrence in a given scenario and the increased probability of successful attacks on a target system. Under this perspective, a self-built jammer built with off-the-shelf components is more likely to be employed by an offender than a High-Power Electromagnetic (HPEM) source. On the other hand, despite being less probable on account of higher technological level, cost and mobility, a HPEM source may have a higher success rate to affect the target system than the self-built jammer. Coupled with this, based on the different characteristics of the IEMI sources, the electronic devices may present distinct effects, which may trigger severe impacts on a smart grid at a higher level [8]. Therefore, this study compares the IEMI vulnerability of three devices used in smart grid applications. The first device is a Wi-Fi-based smart home meter. It can read voltage and current signals of consumer units and remotely display real power, reactive power, and power factor. These measurements can be used in-house or transmitted to a Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system from Distribution System Operators (DSOs). The second device is a Power Line Communication (PLC) unit, which enables data to be carried over conductors intended primarily for electrical power transmission. This technology is used in buildings to reduce the communication network’s material and installation costs and provide flexibility and faster data communication. The final device considered is a digital protection relay designed to trip circuit breakers when faults are detected. The latest digital relay units feature many protection functionalities, including overload and under-voltage/over-voltage protection, temperature monitoring, fault location, self-reclosure, among others. The three devices are subjected to self-built low-power jamming signals. As an extension, the protection relay is also subjected to a narrowband High Power Electromagnetic (HPEM) source

Charakterisierung eines Referenztestaufbaus für die HPEM-Normenentwicklung

Mutwillige elektromagnetische Störversuche mit Quellen hoher Leistung finden außerhalb des gesetzlichen Schutzrahmens für Emission und Immission statt und stellen Versuche zur normativen Eingrenzung vor Herausforderungen. So ist neben diversen Signalformen auch ein mehrere Größenordnungen umfassender Dynamikbereich zu berücksichtigen, unter üblicherweise limitierten Ressourcen für die Gerätequalifizierung. Beginnend im militärischen Bereich entstanden in der Vergangenheit Normenvorschriften im Bereich der High Power Electromagnetics (HPEM) [1, 4]. Seit einigen Jahren werden ergänzend auch im zivilen Bereich Regelwerke erarbeitet, die die mutwillige elektromagnetische Störung (engl. Intentional Electromagnetic Interference, IEMI) zur Grundlage haben [2, 3]. Bei deren Weiterentwicklung kommen unter anderem Alternativen zu etablierten Testumgebungen wie TEM-Wellenleiter und Modenverwirbelungskammer ins Spiel, was die Frage nach dem Transfer von Ergebnissen zwischen verschiedenen Testumgebungen aufwirft. Zudem könnten aus anderen Normentexten detaillierte Gestaltungsvorschriften für HPEM-Testaufbauten adaptiert werden. Bei der Analyse von Testverfahren ist eine Bilanzierung aller Einflussfaktoren auf das Messergebnis erforderlich. Bei Empfindlichkeitstest ist insbesondere die Beschaffenheit des Prüflings eine maßgebliche Größe, zudem beeinflussen neben Positionierung und Orientierung auch sein Betriebszustand sowie sein Vorbelastung das Verhalten. An dieser Stelle setzt die Idee eines generischen Referenztestaufbaus an. Eine solche Eigenentwicklung soll sich für die Erhebung von Empfindlichkeitsprofilen im Rahmen von HPEM-Tests eignen, also möglichst reproduzierbar bei vielen Frequenzen und jeweils den gleichen Schwellfeldstärken Fehlerbilder zeigen. Dabei sollten Direkt- und Kabelkopplung sowie eine Kombination aus binären und abgestuften Effekten für eine phänomenologisch breit aufgestellte Systemreaktion zum Tragen kommen, mit der umfängliche Vergleiche zwischen Umgebungen und Laboren möglich werden

HPM-Detektionssystem mit Frequenzbestimmung

In allen Bereichen unserer Gesellschaft hält moderne und komplexe Elektronik Einzug. Mit zunehmender Komplexität und Vernetzung wächst auch das Potential für Bedrohung solcher kritischer Infrastruktur durch Hochleistungsmikrowellen (HPM), die solche Systeme zeitweise stören oder permanent außer Kraft setzen können. In der Vergangenheit wurde am Fraunhofer INT ein HPM-Detektionssystem entwickelt, dass über die Fähigkeiten einfacher Warnempfänger zur einfachen Anzeige von gefährlichen HPM-Ereignissen hinausgeht. In einem nächsten Schritt wurde mit einem vierkanaligen System die Detektion der Richtung eines HPM-Angriffs realisiert. Der Beitrag gliedert sich wie folgt: Vorüberlegungen für die HPM-Detektion (die zu einer analogen Ausführung des Detektors führen); Konzept zur HPM-Amplitudenmessung: Der Frequenzbereich erstreckt sich von 500 MHz bis etwa 4 GHz, die Messdynamik umfasst 60 dB, beginnend bei etwa 10 V/m. Die Schirmung des Demonstrators wurde erfolgreich bis 1 kV/m ausgemessen. Gepulste Signale konnten bis zu einer Kürze von 10 ns gemessen werden; Konzept zur HPM-Frequenzmessung (Prinzipschaltbild des HPM-Frequenzdiskriminators); Realisierung eines HPM-Detektionssystems mit Frequenzbestimmung (hierzu 5 Abb.: Kennlinie des Frequenzdiskriminators; Ausgangsimpuls des Frequenzdiskriminators, HF-Pulslänge = 100 ns; Blockschaltbild des HF-Teils des HPM-Detektors mit Frequenzmessung; Demonstrator des Konzeptes der Frequenzerkennung und einkanaliger Amplitudenmessung; Blockschaltbild des gesamten HPM-Detektors mit Frequenzmessung) sowie Softwarekonzept (Benutzeroberfläche). Das Konzept eines kompakten Gesamtsystems mit integrierter Spannungsversorgung und Signalübertragung per Lichtwellenleiter wurde im Labor, wie auch bei Freifeldmessungen, erfolgreich bestätigt

Anisotropic scattering and quantum magnetoresistivities of a periodically modulated 2D electron gas

We calculate the longitudinal conductivities of a two-dimensional noninteracting electron gas in a uniform magnetic field and a lateral electric or magnetic periodic modulation in one spatial direction, in the quantum regime. We consider the effects of the electron-impurity scattering anisotropy through the vertex corrections on the Kubo formula, which are calculated with the Bethe-Salpeter equation, in the self-consistent Born approximation. We find that due to the scattering anisotropy the band conductivity increases, and the scattering conductivities decrease and become anisotropic. Our results are in qualitative agreement with recent experiments.Comment: 19 pages, 8 figures, Revtex, to appear in Phys. Rev.

State-building, war and violence : evidence from Latin America

In European history, war has played a major role in state‐building and the state monopoly on violence. But war is a very specific form of organized political violence, and it is decreasing on a global scale. Other patterns of armed violence now dominate, ones that seem to undermine state‐building, thus preventing the replication of European experiences. As a consequence, the main focus of the current state‐building debate is on fragility and a lack of violence control inside these states. Evidence from Latin American history shows that the specific patterns of the termination of both war and violence are more important than the specific patterns of their organization. Hence these patterns can be conceptualized as a critical juncture for state‐building. While military victories in war, the subordination of competing armed actors and the prosecution of perpetrators are conducive for state‐building, negotiated settlements, coexistence, and impunity produce instability due to competing patterns of authority, legitimacy, and social cohesion

Absence of commensurability in magnetic antidot arrays with classical chaos

We investigate the low-field magnetotransport properties of a two-dimensional electron gas with a strong magnetic modulation in two directions by means of the classical Kubo theory. The magnetoresistivity shows distinct maxima, which do not correspond to pinned orbits commensurate with the superlattice constant in contrast to electrostatic antidot systems. The features in the magnetoresistivity can be ascribed to the interplay between the chaotic dynamics of the system and regular motion on open trajectories through the superlattice