Protéger le réseau électrique avec des méthodes de simulation de circuits

En décembre 2015, des pirates informatiques russes auraient attaqué le réseau électrique ukrainien, perturbant ainsi le flux d'électricité pour près d'un quart de million d'Ukrainiens. Puis, en décembre 2016, environ un an après la première attaque, les pirates ont de nouveau frappé. Mais cette fois, ils ont ciblé une centrale électrique à Kiev, la capitale de l’Ukraine. Chaque cyberattaque ne durait pas plus de six heures, mais les experts en sécurité restaient alarmés : les hackers venaient de démontrer leur capacité à infiltrer le réseau et à modifier drastiquement les flux de la société.

 

Les Américains ont commencé à s'inquiéter. Si les pirates informatiques pouvaient cibler l’Ukraine, qu’est-ce qui les empêcherait de cibler d’autres pays d’Europe occidentale ou même les États-Unis ? De longues attaques contre réseau électrique, ou même simple pouvoir des pannes de réseau signifieraient, entre autres, un manque d’électricité, d’eau chaude, de gaz pour les transports, d’appareils de communication électroniques et de systèmes de chauffage fonctionnels.

Heureusement, Larry Pileggi, professeur de génie électrique et informatique à l'Université Carnegie Mellon, et ses étudiants diplômés ont développé une approche de simulation – basée sur des techniques de circuits intégrés – qui pourrait potentiellement aider les experts à modéliser et simuler le réseau électrique de manière plus fiable, le protégeant ainsi d'une éventuelle cybersécurité. menaces dans le futur.

En tant que professeur de génie électrique et informatique, Pileggi possède une vaste expérience du travail avec les semi-conducteurs, circuits intégréset les méthodes de simulation de circuits. Mais ce n'est que récemment qu'il a commencé à faire des recherches sur des sujets liés au domaine du pouvoir.

« Pendant la majeure partie de ma carrière, je me suis principalement concentré sur les circuits», déclare Pileggi. «Ensuite, j'ai eu un stagiaire d'été qui cherchait un projet, j'ai donc décidé d'envisager de comprendre pourquoi les méthodes utilisées pour simuler et modéliser les circuits intégrés étaient apparemment très différentes des méthodes utilisées pour simuler et modéliser le réseau électrique.»

Pileggi et ses collègues ont découvert que les méthodes utilisées pour modéliser les circuits intégrés étaient en fait différentes de celles utilisées pour modéliser le réseau électrique. Ils ont donc trouvé un moyen de simuler le réseau en utilisant des techniques dérivées de la communauté des circuits intégrés. Contrairement à d'autres approches de simulation, qui modélisent le grille éléctrique en termes de flux de puissance et de tension, l'approche de Pileggi est fondée sur le cadre de modélisation de circuits équivalent, un cadre qui se concentre sur calculateur puissance à partir du flux de courant et de tension.

« C'est une petite distinction, mais elle est importante », déclare Pileggi. « Dans le passé, les chercheurs modélisaient le réseau électrique en représentant directement le flux d’énergie, puis en analysant la tension issue du flux d’énergie. Nous avons pu proposer une approche qui nous permet de simuler le réseau électrique en termes de courants et de tensions.

Mais comment est-il possible de simuler un système composé de milliers ou de millions d’éléments tout en le faisant converger vers la bonne solution ? Pileggi affirme que la réponse réside dans la communauté des circuits intégrés.

"Grâce aux investissements de recherche investis dans le domaine des circuits intégrés au cours des dernières décennies, nous sommes en mesure de simuler les puces présentes dans tous nos gadgets électroniques de manière très fiable, ce qui fournit la bonne solution", a-t-il déclaré. dit. « Les systèmes électriques n'ont pas bénéficié d'une telle robustesse ou d'une telle facilité de simulation. Nous avons donc mis au point des techniques de simulation de circuits pour le cadre du système électrique qui sont analogues aux techniques de simulation que nous utilisons pour les circuits intégrés. Désormais, nous pouvons simuler la grille et être assurés d’obtenir la bonne réponse.

Pour obtenir la bonne réponse, Pileggi affirme que les chercheurs doivent disposer des moyens de simuler et de modéliser le réseau électrique afin de pouvoir suivre le flux d'énergie. Cela les aidera à garantir que le réseau continue de fonctionner de manière fiable et sécurisée. De telles capacités sont également essentielles pour optimiser le flux d’énergie électrique de la manière la plus efficace et la plus rentable possible.

"Le réseau électrique est structuré de manière à ce que nous produisions de l'électricité en fonction de ce que nous allons consommer », explique Pileggi. "Quand nous nous réveillons le matin, les services publics ont déjà décidé de la quantité d'énergie dont ils auront besoin pour la journée et d'où ils vont l'obtenir, qu'il s'agisse d'une centrale nucléaire dans le Massachusetts ou d'un parc éolien au Kansas. . Il est vraiment important que les services publics puissent simuler et modéliser le réseau afin de pouvoir effectuer ce type de planification.

Le réseau électrique est l’une des infrastructures les plus critiques aux États-Unis, transmettant et distribuant constamment de l’électricité à des millions de personnes à travers le pays. Les techniques de modélisation et de simulation contribuent à garantir l'efficacité de notre réseau électrique, car elles nous aident à comprendre le flux d'énergie et comment différentes perturbations (comme un arbre écrasant une ligne électrique) peuvent affecter la fonctionnalité globale du réseau.

Pileggi et ses collègues pensent que leur méthode de simulation pourrait aider à protéger le réseau contre des perturbations potentiellement paralysantes telles que les menaces de cybersécurité, tout en permettant également d'introduire davantage d'énergie renouvelable dans le réseau. L'équipe de recherche de Pileggi est actuellement financée par un programme DARPA appelé Rapid Attack Detection, Isolation and Characterization Systems (RADICS), un programme qui encourage les chercheurs à concevoir des technologies capables de détecter et de répondre aux attaques sur les infrastructures critiques – telles que le réseau électrique – au sein du États-Unis.

« On craint toujours que les pirates informatiques fassent tomber le réseau », explique Pileggi. « Grâce au financement du programme RADICS, nous avons la possibilité de développer de meilleures techniques de modélisation et de simulation. Une meilleure modélisation nous aidera à mieux représenter le réseau, ce qui nous permettra de mieux nous protéger contre les failles de sécurité comme les cyberattaques.

Le réseau étant protégé contre les cyberattaques, les Américains peuvent être tranquilles en sachant que l'électricité continuera à circuler correctement, transmettant l'électricité aux foyers et aux entreprises, fournissant ainsi aux familles eau chaude, et fournir aux consommateurs du gaz pour le transport.

Les recherches de Pileggi, qui ont été documentées dans un document de recherche intitulé « Amélioration de la robustesse du flux de puissance via des méthodes de simulation de circuits », ont récemment reçu le prix du document lors de la session des meilleurs documents de conférence sur la planification, l'exploitation et les marchés de l'électricité du système électrique au Assemblée générale de l'IEEE Power and Energy Society 2017. L'article a été rédigé par Pileggi et ses étudiants, Amritanshu Pandey et Marko Jereminov, ainsi que par sa collègue Gabriela Hug.