حماية شبكة الكهرباء بطرق محاكاة الدوائر

وفي ديسمبر/كانون الأول 2015، زُعم أن قراصنة روس قاموا باختراق شبكة الكهرباء في أوكرانيا، مما أدى إلى تعطيل تدفق الكهرباء لنحو ربع مليون أوكراني. ثم، في ديسمبر 2016، بعد مرور عام تقريبًا على الهجوم الأول، قام المتسللون بالهجوم مرة أخرى. لكن هذه المرة استهدفوا محطة نقل الكهرباء في العاصمة الأوكرانية كييف. لم يستمر كل هجوم إلكتروني أكثر من ست ساعات، لكن خبراء الأمن ظلوا منزعجين: لقد أثبت المتسللون للتو قدرتهم على التسلل إلى الشبكة وتغيير تدفق المجتمع بشكل جذري.

 

بدأ الأمريكيون يشعرون بالقلق. إذا تمكن القراصنة من استهداف أوكرانيا، فما الذي قد يمنعهم من استهداف دول أخرى في أوروبا الغربية أو حتى الولايات المتحدة؟ هجمات طويلة على شبكة الكهرباء، أو حتى بسيطة قوة ويعني فشل الشبكة نقص الكهرباء والماء الساخن والغاز اللازم للنقل وأجهزة الاتصالات الإلكترونية وأنظمة التدفئة الوظيفية، من بين أمور أخرى.

لحسن الحظ، قام لاري بيليجي، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات بجامعة كارنيجي ميلون، وطلابه في الدراسات العليا بتطوير نهج محاكاة - يعتمد على تقنيات الدوائر المتكاملة - والذي يمكن أن يساعد الخبراء في تصميم ومحاكاة شبكة الطاقة بشكل أكثر موثوقية، وبالتالي حمايتها من الأمن السيبراني المحتمل. التهديدات في المستقبل.

بصفته أستاذًا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر، يتمتع بيليجي بخبرة واسعة في العمل مع أشباه الموصلات، دوائر متكاملةوطرق محاكاة الدوائر. ولكن لم يبدأ حتى وقت قريب في البحث عن موضوعات تتعلق بمجال الطاقة.

"في معظم مسيرتي المهنية، ركزت بشكل أساسي على التكامل الدوائر"، يقول بيليجي. "بعد ذلك، كان لدي متدرب صيفي كان يبحث عن مشروع، لذلك قررت أن أفكر في فهم سبب اختلاف الأساليب المستخدمة لمحاكاة ونمذجة الدوائر المتكاملة تمامًا عن الأساليب المستخدمة لمحاكاة ونمذجة شبكة الطاقة الكهربائية."

اكتشف بيليجي وزملاؤه أن الأساليب المستخدمة لنمذجة الدوائر المتكاملة كانت في الواقع مختلفة عن الأساليب المستخدمة لنمذجة شبكة الطاقة، لذلك وجدوا طريقة لمحاكاة الشبكة باستخدام تقنيات مستمدة من مجتمع الدوائر المتكاملة. على عكس أساليب المحاكاة الأخرى، التي نموذجا الشبكة الكهربائية فيما يتعلق بتدفق الطاقة والجهد، يعتمد نهج بيليجي على إطار عمل نمذجة الدوائر المكافئة، وهو إطار يركز على حساب الطاقة من تدفق التيار والجهد.

يقول بيليجي: "إنه تمييز بسيط، لكنه مهم". "في الماضي، قام الباحثون بتصميم نموذج لشبكة الطاقة من خلال تمثيل تدفق الطاقة مباشرة ومن ثم تحليل الجهد الناتج عن تدفق الطاقة. لقد تمكنا من التوصل إلى نهج يمكننا من محاكاة شبكة الطاقة الكهربائية من حيث التيارات والفولتية.

ولكن كيف يمكن محاكاة نظام يتكون من آلاف أو ملايين العناصر مع الاستمرار في التقارب مع الحل الصحيح؟ يقول بيليجي إن الإجابة تكمن في مجتمع الدوائر المتكاملة.

"بسبب الأموال البحثية التي تم ضخها في مجال الدوائر المتكاملة على مدى العقود العديدة الماضية، أصبحنا قادرين على محاكاة الرقائق الموجودة في جميع أدواتنا الإلكترونية بطريقة موثوقة للغاية توفر الحل الصحيح". يقول. "لم تستفد أنظمة الطاقة من هذه القوة أو سهولة المحاكاة، لذلك ما فعلناه هو التوصل إلى تقنيات محاكاة الدوائر لإطار نظام الطاقة التي تشبه تقنيات المحاكاة التي نستخدمها للدوائر المتكاملة. الآن، يمكننا محاكاة الشبكة والتأكد من أننا حصلنا على الإجابة الصحيحة.

للحصول على الإجابة الصحيحة، يقول بيليجي إنه يجب أن يمتلك الباحثون الوسائل اللازمة لمحاكاة شبكة الطاقة ونمذجةها حتى يتمكنوا من تتبع تدفق الطاقة. سيساعدهم ذلك على ضمان استمرار الشبكة في العمل بشكل موثوق وآمن. تعتبر هذه القدرات أيضًا ضرورية لتحسين تدفق الطاقة الكهربائية بأكثر الطرق كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.

"ال شبكة الطاقة الكهربائية يقول بيليجي: "لقد تم تصميمه بحيث نولد الطاقة بناءً على ما سنستهلكه". "عندما نستيقظ في الصباح، تكون المرافق قد قررت بالفعل مقدار الطاقة التي ستحتاجها لهذا اليوم ومن أين ستحصل عليها - سواء كانت محطة نووية في ماساتشوستس أو مزرعة رياح في كانساس . من المهم حقًا أن تتمكن المرافق من محاكاة الشبكة وتصميمها حتى تتمكن من القيام بهذا النوع من التخطيط.

تعد شبكة الطاقة واحدة من أهم البنى التحتية في الولايات المتحدة، حيث تقوم باستمرار بنقل وتوزيع الطاقة لملايين الأشخاص في جميع أنحاء البلاد. تساعد تقنيات النمذجة والمحاكاة على ضمان كفاءة شبكة الطاقة لدينا لأنها تساعدنا على فهم تدفق الطاقة وكيف يمكن أن تؤثر الاضطرابات المختلفة (مثل سحق شجرة لخط كهرباء) على الوظيفة العامة للشبكة.

يعتقد بيليجي وزملاؤه أن طريقة المحاكاة الخاصة بهم يمكن أن تساعد في حماية الشبكة من الاضطرابات المحتملة مثل تهديدات الأمن السيبراني، مع تمكين أيضًا من جلب المزيد من الطاقة المتجددة إلى الشبكة. يتم تمويل فريق بحث بيليجي حاليًا من خلال برنامج DARPA المسمى أنظمة الكشف عن الهجمات السريعة وعزلها وتوصيفها (RADICS)، وهو برنامج يشجع الباحثين على تصميم تقنيات قادرة على اكتشاف الهجمات على البنية التحتية الحيوية والرد عليها - مثل شبكة الكهرباء - داخل الولايات المتحدة.

يقول بيليجي: "هناك دائمًا قلق بشأن قيام المتسللين بإسقاط الشبكة". "بتمويل من برنامج RADICS، لدينا الفرصة لتطوير تقنيات أفضل للنمذجة والمحاكاة. ستساعدنا النمذجة الأفضل على تمثيل الشبكة بشكل أفضل، مما سيسمح لنا بحماية أفضل ضد الخروقات الأمنية مثل الهجمات الإلكترونية.

ومع حماية الشبكة من الهجمات السيبرانية، يمكن للأميركيين أن يشعروا بالارتياح عندما يعلمون أن الطاقة ستستمر في التدفق بشكل صحيح، ونقل الكهرباء إلى المنازل والشركات، وتزويد الأسر الماء الساخنوتزويد المستهلكين بالغاز لوسائل النقل.

حصل بحث بيليجي، والذي تم توثيقه في ورقة بحثية بعنوان "تحسين متانة تدفق الطاقة عبر طرق محاكاة الدوائر"، مؤخرًا على جائزة ورقة الجائزة في أفضل جلسة أوراق مؤتمر حول تخطيط أنظمة الطاقة وتشغيلها وأسواق الكهرباء في مؤتمر الاجتماع العام لجمعية الطاقة والطاقة IEEE لعام 2017. كتب هذه الورقة بيليجي وطلابه أمريتانشو باندي وماركو جيرمينوف، إلى جانب زميلته غابرييلا هوغ.