Cybersecurity Risk Analysis of Electric Vehicles Connected to the Power System. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdulrahman_202390530_Ms_thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

برز الأمن السيبراني بوصفه مصدر قلق رئيسياً في أنظمة القدرة الكهربائية المتكاملة مع المركبات الكهربائية، وذلك لأن البنية التحتية الحديثة للشحن تعتمد على شبكات واسعة للاتصال والتحكم. وعلى الرغم من أن المركبات الكهربائية يمكن أن توفر مرونة قيّمة من خلال الشحن الذكي والتشغيل من المركبة إلى الشبكة، فإن مسارات الاتصال نفسها التي تمكّن هذه الخدمات تُدخل أيضاً ثغرات سيبرانية--فيزيائية. تبحث هذه الأطروحة في مخاطر الأمن السيبراني المرتبطة بالمركبات الكهربائية المتصلة بنظام القدرة الكهربائية، مع التركيز بوجه خاص على استقرارية التردد والتحكم في تردد الحمل في الشبكات المترابطة. يطور هذا العمل إطاراً سيبرانياً--فيزيائياً لتحليل كيفية تأثير الهجمات التمثيلية على طبقة الاتصال في أنظمة القدرة المتكاملة مع المركبات الكهربائية، وكيف يمكن تحسين المرونة من خلال التخفيف المنسق. أولاً، يُستخدم نموذج للتحكم في تردد الحمل مكوّن من منطقتين مع مشاركة المركبات الكهربائية العامة والسكنية لدراسة تأثير هجمات حقن البيانات الخاطئة، وحجب الخدمة، والتأخير الزمني. وتُظهر النتائج أن حقن البيانات الخاطئة يسبب أكبر انحرافات في التردد وأبطأها استقراراً، في حين أن حجب الخدمة يزيل دعم المركبات الكهربائية ويؤدي إلى عابرات حادة، أما هجمات التأخير الزمني فتُحدث سلوكاً تذبذبياً مستمراً. ثانياً، يُقترح إطار للتحكم في تردد الحمل مقاوم سيبرانياً، حيث تقوم طبقة إشرافية قائمة على شبكات الذاكرة طويلة قصيرة الأمد باكتشاف المناطق المتعرضة للهجوم وتحديد مواقعها، ويتم استبدال الإشارات المخترقة بتقديرات آمنة، كما توفر أساطيل المركبات الكهربائية في المناطق السليمة دعماً منسقاً عابراً للمناطق من المركبة إلى الشبكة مع مراعاة قيود حالة الشحن. وقد تم التحقق من الإطار المقترح على كل من نظام مكوّن من منطقتين ونظام معدل قائم على شبكة IEEE ذات 39 حافلة ومكوّن من ثلاث مناطق. وفي النظام الأكبر، يقلل التخفيف المقترح جذر متوسط مربع خطأ التردد من 01508.0 إلى 01023.0 في المنطقة الأولى، ومن 02383.0 إلى 01539.0 في المنطقة الثانية مقارنة بحالة الهجوم غير المخففة. وبوجه عام، تُظهر الأطروحة أن الجمع بين اكتشاف الهجمات، واستعادة الإشارات، والدعم المنسق من المركبات الكهربائية يمكن أن يحسن بدرجة كبيرة مرونة أنظمة القدرة المتكاملة مع المركبات الكهربائية في ظل الهجمات السيبرانية.

English Abstract

The area of cybersecurity has become important in power systems that have in-tegrated electric vehicles (EVs), because the communication and control system of modern charging stations is highly developed. While EVs are an asset to the sys-tem due to their capacity for flexible operation via smart charging and vehicle-to-grid (V2G) technology, the communication capabilities that underpin such technologies pose threats in terms of cyber-physical security. This study explores the cybersecu-rity threat associated with integrating EVs into the power system with a focus on frequency regulation. The work develops a cyber–physical framework to analyze how representative communication-layer attacks affect EV-integrated power systems and how resilience can be improved through coordinated mitigation. First, a two-area load frequency control model with public and residential EV participation is used to study the im-pact of false data injection, denial-of-service, and time-delay attacks. The results show that false data injection causes the largest and slowest-to-settle frequency deviations, denial-of-service removes EV support and creates sharp transients, and time-delay attacks introduce persistent oscillatory behavior. Second, a cyber-resilient load fre-quency control framework is proposed in which an LSTM-based supervisory layer detects and localizes attacked areas, compromised signals are replaced by safe esti-mates, and healthy-area EV fleets provide coordinated cross-area V2G support subject to state-of-charge constraints. The proposed framework is validated on both a two-area system and a modified IEEE 39-bus three-area system. In the larger system, the proposed mitigation reduces the frequency root mean square error from 0.01508 to 0.01023 in Area 1 and from 0.02383 to 0.01539 in Area 2 relative to the unmitigated attack case. Overall, the thesis demonstrates that combining attack detection, sig-nal recovery, and coordinated EV support can significantly improve the resilience of EV-integrated power systems under cyberattacks.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Mohammed Al-muhaini,
Thesis Committee Members:	Fahad Al Ismail, Muhammad Suhail Shaik,
Depositing User:	ABDULRAHMAN MAHMOUD
Date Deposited:	10 Jun 2026 06:01
Last Modified:	10 Jun 2026 06:01
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144510