Protección de la red eléctrica con métodos de simulación de circuitos

En diciembre de 2015, piratas informáticos rusos supuestamente atacaron la red eléctrica de Ucrania, interrumpiendo el flujo de electricidad de casi un cuarto de millón de ucranianos. Luego, en diciembre de 2016, aproximadamente un año después del primer ataque, los piratas informáticos atacaron de nuevo. Pero esta vez, su objetivo fue una estación de transmisión eléctrica en Kiev, la capital de Ucrania. Cada ciberataque no duró más de seis horas, pero los expertos en seguridad aún estaban alarmados: los piratas informáticos acababan de demostrar su capacidad para infiltrarse en la red y alterar drásticamente el flujo de la sociedad.

 

Los estadounidenses empezaron a preocuparse. Si los piratas informáticos pudieran atacar a Ucrania, ¿qué les impediría atacar a otros países de Europa occidental o incluso a Estados Unidos? Largos ataques a la red eléctrica, o incluso simple fuerza fallas en la red, significarían falta de electricidad, agua caliente, gas para el transporte, dispositivos electrónicos de comunicación y sistemas de calefacción funcionales, entre otras cosas.

Afortunadamente, Larry Pileggi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad Carnegie Mellon, y sus estudiantes de posgrado han desarrollado un enfoque de simulación, basado en técnicas de circuitos integrados, que podría ayudar a los expertos a modelar y simular la red eléctrica de manera más confiable, protegiéndola así de una posible ciberseguridad. amenazas en el futuro.

Como profesor de ingeniería eléctrica e informática, Pileggi tiene una amplia experiencia trabajando con semiconductores, circuitos integradosy métodos de simulación de circuitos. Pero no fue hasta hace poco que empezó a investigar temas relacionados con el campo del poder.

“Durante la mayor parte de mi carrera, me centré principalmente en la integración circuitos”, dice Pileggi. "Entonces, tuve un pasante de verano que estaba buscando un proyecto, así que decidí considerar comprender por qué los métodos utilizados para simular y modelar circuitos integrados eran aparentemente muy diferentes de los métodos utilizados para simular y modelar la red eléctrica".

Pileggi y sus colegas descubrieron que los métodos utilizados para modelar circuitos integrados eran, de hecho, diferentes de los métodos utilizados para modelar la red eléctrica, por lo que encontraron una manera de simular la red utilizando técnicas derivadas de la comunidad de circuitos integrados. A diferencia de otros enfoques de simulación, que modelan la red eléctrica En términos de flujo de potencia y voltaje, el enfoque de Pileggi se basa en el marco de modelado de circuitos equivalentes, un marco que se centra en calculador energía a partir del flujo de corriente y voltaje.

“Es una distinción pequeña, pero importante”, dice Pileggi. “En el pasado, los investigadores modelaban la red eléctrica representando el flujo de energía directamente y luego analizando el voltaje del flujo de energía. Pudimos idear un método que nos permite simular la red eléctrica en términos de corrientes y tensiones”.

Pero, ¿cómo es posible simular un sistema compuesto por miles o millones de elementos y aún así lograr que converja hacia la solución correcta? Pileggi dice que la respuesta está dentro de la comunidad de circuitos integrados.

"Gracias a los dólares de investigación que se han invertido en el campo de los circuitos integrados durante las últimas décadas, podemos simular los chips que se encuentran en todos nuestros dispositivos electrónicos de una manera muy confiable que proporciona la solución correcta", dijo. dice. “Los sistemas de energía no se han beneficiado de tal robustez o facilidad de simulación, por lo que lo que hicimos fue idear técnicas de simulación de circuitos para el marco del sistema de energía que son análogas a las técnicas de simulación que utilizamos para los circuitos integrados. Ahora podemos simular la red y estar seguros de que obtenemos la respuesta correcta”.

Para obtener la respuesta correcta, Pileggi dice que los investigadores deben tener los medios para simular y modelar la red eléctrica para poder seguir el flujo de energía. Esto les ayudará a garantizar que la red siga funcionando de forma fiable y segura. Estas capacidades también son fundamentales para optimizar el flujo de energía eléctrica de la manera más eficiente y rentable posible.

"El red eléctrica está estructurado para que generemos energía en función de lo que vamos a consumir”, dice Pileggi. “Cuando nos levantamos por la mañana, las empresas de servicios públicos ya han decidido cuánta energía van a necesitar durante el día y de dónde la van a obtener, ya sea de una planta nuclear en Massachusetts o de un parque eólico en Kansas. . Es realmente importante que las empresas de servicios públicos puedan simular y modelar la red para poder realizar ese tipo de planificación”.

La red eléctrica es una de las infraestructuras más críticas de los Estados Unidos, ya que transmite y distribuye energía constantemente a millones de personas en todo el país. Las técnicas de modelado y simulación ayudan a garantizar la eficiencia de nuestra red eléctrica porque nos ayudan a comprender el flujo de energía y cómo las diferentes interrupciones (como un árbol aplastando una línea eléctrica) podrían afectar la funcionalidad general de la red.

Pileggi y sus colegas creen que su método de simulación podría ayudar a proteger la red de interrupciones potencialmente devastadoras, como las amenazas a la ciberseguridad, y al mismo tiempo permitiría incorporar más energía renovable a la red. El equipo de investigación de Pileggi está actualmente financiado por un programa DARPA llamado Sistemas de Detección, Aislamiento y Caracterización Rápida de Ataques (RADICS), un programa que anima a los investigadores a diseñar tecnologías capaces de detectar y responder a ataques a infraestructuras críticas -como la red eléctrica- dentro del Estados Unidos.

"Siempre existe la preocupación de que los piratas informáticos destruyan la red", dice Pileggi. “Con la financiación del programa RADICS, tenemos la oportunidad de desarrollar mejores técnicas de modelado y simulación. Un mejor modelado nos ayudará a representar mejor la red, lo que nos permitirá protegernos mejor contra violaciones de seguridad como los ciberataques”.

Con la red protegida de ataques cibernéticos, los estadounidenses pueden estar tranquilos sabiendo que la energía seguirá fluyendo adecuadamente, transmitiendo electricidad a hogares y empresas, brindando a las familias agua calientey suministrar a los consumidores gas para el transporte.

La investigación de Pileggi, que fue documentada en un trabajo de investigación titulado "Mejora de la robustez del flujo de energía mediante métodos de simulación de circuitos", recibió recientemente el Premio al Trabajo en la Sesión de Mejores Trabajos de Conferencia sobre Planificación, Operación y Mercados de Electricidad de Sistemas de Energía en el Asamblea General de la Sociedad de Energía y Energía IEEE 2017. El artículo fue escrito por Pileggi y sus alumnos, Amritanshu Pandey y Marko Jereminov, junto con su colega Gabriela Hug.