Защита электросети с помощью методов моделирования цепей

В декабре 2015 года российские хакеры предположительно взломали энергосистему Украины, нарушив подачу электроэнергии почти четверти миллиона украинцев. Затем, в декабре 2016 года, примерно через год после первой атаки, хакеры нанесли новый удар. Но на этот раз они напали на электропередающую станцию в Киеве, столице Украины. Каждая кибератака длилась не более шести часов, но эксперты по безопасности все равно были встревожены: хакеры только что продемонстрировали свою способность проникать в сеть и радикально менять ход жизни общества.

 

Американцы начали беспокоиться. Если хакеры смогут атаковать Украину, что помешает им атаковать другие страны Западной Европы или даже Соединенные Штаты? Длительные атаки на Энергосистемаили даже просто власть сбои в энергосистеме будут означать, среди прочего, отсутствие электричества, горячей воды, газа для транспорта, электронных устройств связи и функциональных систем отопления.

К счастью, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Карнеги-Меллон Ларри Пиледжи и его аспиранты разработали подход к моделированию, основанный на методах интегральных схем, который потенциально может помочь экспертам более надежно моделировать и моделировать энергосистему, тем самым защищая ее от возможной кибербезопасности. угрозы в будущем.

Будучи профессором электротехники и вычислительной техники, Пиледжи имеет богатый опыт работы с полупроводниками. интегральные схемыи методы схемотехнического моделирования. Но только недавно он начал исследовать темы, связанные с энергетической сферой.

«Большую часть своей карьеры я в основном сосредоточился на интегрированных схемы», — говорит Пиледжи. «Тогда у меня был летний стажер, который искал проект, поэтому я решил подумать о том, чтобы понять, почему методы, используемые для моделирования и моделирования интегральных схем, по-видимому, сильно отличаются от методов, используемых для моделирования и моделирования электроэнергетической сети».

Пиледжи и его коллеги обнаружили, что методы, используемые для моделирования интегральных схем, на самом деле отличаются от методов, используемых для моделирования энергосистемы, поэтому они нашли способ моделировать сеть, используя методы, разработанные сообществом интегральных схем. В отличие от других подходов моделирования, которые моделируют электрическая сеть Что касается потока мощности и напряжения, подход Пиледжи основан на модели эквивалентных схем, структуре, которая фокусируется на расчет мощность от потока тока и напряжения.

«Это небольшое, но важное различие», — говорит Пиледжи. «Раньше исследователи моделировали энергосистему, напрямую представляя поток энергии, а затем анализируя напряжение от потока энергии. Нам удалось разработать подход, который позволяет моделировать электроэнергетическую сеть с точки зрения токов и напряжений».

Но как можно смоделировать систему, состоящую из тысяч или миллионов элементов, и при этом обеспечить ее сходимость к правильному решению? Пиледжи говорит, что ответ находится внутри сообщества интегральных схем.

«Благодаря долларам на исследования, которые были вложены в область интегральных схем за последние несколько десятилетий, мы можем моделировать микросхемы, которые есть во всех наших электронных устройствах, очень надежным способом, что обеспечивает правильное решение», — он говорит. «Энергосистемы не получили преимуществ от такой надежности и простоты моделирования, поэтому мы разработали методы моделирования схем для структуры энергосистемы, аналогичные методам моделирования, которые мы используем для интегральных схем. Теперь мы можем смоделировать сетку и быть уверенными, что получим правильный ответ».

Чтобы получить правильный ответ, говорит Пиледжи, исследователи должны иметь средства для моделирования и моделирования энергосистемы, чтобы они могли отслеживать потоки энергии. Это поможет им обеспечить надежную и безопасную работу сети. Такие возможности также имеют решающее значение для оптимизации потока электроэнергии наиболее эффективным и экономически выгодным способом.

« электроэнергетическая сеть устроена так, что мы генерируем электроэнергию в зависимости от того, что собираемся потреблять», — говорит Пиледжи. «Когда мы просыпаемся утром, коммунальные предприятия уже решили, сколько электроэнергии им понадобится на день и откуда они ее возьмут — будь то атомная электростанция в Массачусетсе или ветряная электростанция в Канзасе. . Очень важно, чтобы коммунальные предприятия могли моделировать и моделировать энергосистему, чтобы они могли осуществлять такое планирование».

Электрическая сеть является одной из наиболее важных инфраструктур в Соединенных Штатах, постоянно передающей и распределяющей электроэнергию среди миллионов людей по всей стране. Методы моделирования и симуляции помогают обеспечить эффективность нашей электросети, поскольку они помогают нам понять поток энергии и то, как различные сбои (например, разрушение линии электропередачи деревом) могут повлиять на общую функциональность сети.

Пиледжи и его коллеги полагают, что их метод моделирования может помочь защитить энергосистему от потенциально серьезных сбоев, таких как угрозы кибербезопасности, а также позволит вводить в сеть больше возобновляемых источников энергии. Исследовательская группа Пиледжи в настоящее время финансируется программой DARPA под названием «Системы быстрого обнаружения, изоляции и определения характеристик» (RADICS). Это программа, которая поощряет исследователей разрабатывать технологии, способные обнаруживать и реагировать на атаки на критическую инфраструктуру, такую как энергосистема, в пределах Соединенные Штаты.

«Всегда существует обеспокоенность по поводу того, что хакеры могут вывести из строя сеть», — говорит Пиледжи. «Благодаря финансированию программы RADICS у нас есть возможность разработать более эффективные методы моделирования и симуляции. Лучшее моделирование поможет нам лучше представить сеть, что позволит нам лучше защититься от нарушений безопасности, таких как кибератаки».

Поскольку сеть защищена от кибератак, американцы могут быть спокойны, зная, что электроэнергия будет продолжать поступать должным образом, передавая электричество в дома и на предприятия, обеспечивая семьи горячая водаи снабжение потребителей газом для транспортировки.

Исследование Пиледжи, которое было задокументировано в исследовательской работе под названием «Повышение устойчивости потоков энергии с помощью методов моделирования цепей», недавно получило награду за лучший доклад на конференции по планированию, эксплуатации и рынкам электроэнергии на конференции «Лучшие доклады на конференции». Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE 2017 г.. Статья была написана Пиледжи и его учениками Амританшу Панди и Марко Джереминовым, а также его коллегой Габриэлой Хуг.