Bảo vệ lưới điện bằng phương pháp mô phỏng mạch điện

Vào tháng 12 năm 2015, tin tặc Nga được cho là đã tấn công mạng lưới điện của Ukraine, làm gián đoạn nguồn điện của gần 1/4 triệu người Ukraine. Sau đó, vào tháng 12 năm 2016, khoảng một năm sau cuộc tấn công đầu tiên, tin tặc lại tấn công. Nhưng lần này, chúng nhắm vào một trạm truyền tải điện ở Kiev, thủ đô của Ukraine. Mỗi cuộc tấn công mạng kéo dài không quá sáu giờ, nhưng các chuyên gia bảo mật vẫn cảnh giác: tin tặc vừa chứng tỏ khả năng xâm nhập vào mạng lưới và làm thay đổi mạnh mẽ dòng chảy xã hội.

 

Người Mỹ bắt đầu lo lắng. Nếu tin tặc có thể nhắm mục tiêu vào Ukraine, thì điều gì sẽ ngăn chúng nhắm mục tiêu vào các quốc gia khác ở Tây Âu hoặc thậm chí là Hoa Kỳ? Các cuộc tấn công kéo dài vào mạng lưới điện, hoặc thậm chí đơn giản quyền lực sự cố lưới điện có nghĩa là thiếu điện, nước nóng, khí đốt để vận chuyển, thiết bị liên lạc điện tử và hệ thống sưởi chức năng, cùng nhiều thứ khác.

May mắn thay, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Máy tính của Đại học Carnegie Mellon, Larry Pileggi, và các sinh viên tốt nghiệp của ông đã phát triển một phương pháp mô phỏng – dựa trên các kỹ thuật mạch tích hợp – có khả năng giúp các chuyên gia lập mô hình và mô phỏng lưới điện một cách đáng tin cậy hơn, từ đó bảo vệ nó khỏi các mối đe dọa an ninh mạng có thể xảy ra. những mối đe dọa trong tương lai.

Là giáo sư kỹ thuật điện và máy tính, Pileggi có nhiều kinh nghiệm làm việc với chất bán dẫn, mạch tích hợpvà các phương pháp mô phỏng mạch. Nhưng phải đến gần đây anh mới bắt đầu nghiên cứu các chủ đề liên quan đến lĩnh vực năng lượng.

“Trong phần lớn sự nghiệp của mình, tôi chủ yếu tập trung vào tích hợp Chu trình,” Pileggi nói. “Sau đó, tôi có một thực tập sinh mùa hè đang tìm kiếm một dự án, vì vậy tôi quyết định tìm hiểu lý do tại sao các phương pháp được sử dụng để mô phỏng và lập mô hình mạch tích hợp dường như rất khác với các phương pháp được sử dụng để mô phỏng và lập mô hình lưới điện.”

Pileggi và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng các phương pháp được sử dụng để mô hình hóa mạch tích hợp trên thực tế khác với các phương pháp được sử dụng để mô hình hóa lưới điện, vì vậy họ đã tìm ra cách mô phỏng lưới điện bằng cách sử dụng các kỹ thuật bắt nguồn từ cộng đồng mạch tích hợp. Không giống như các phương pháp mô phỏng khác, mô hình hóa lưới điện về dòng điện và điện áp, cách tiếp cận của Pileggi được xây dựng trên khung mô hình mạch tương đương, một khung tập trung vào tính toán năng lượng từ dòng điện và điện áp.

Pileggi nói: “Đó là một sự khác biệt nhỏ nhưng lại là một điểm khác biệt quan trọng. “Trước đây, các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa lưới điện bằng cách biểu diễn trực tiếp dòng điện và sau đó phân tích điện áp từ dòng điện. Chúng tôi đã có thể đưa ra một phương pháp cho phép chúng tôi mô phỏng lưới điện về dòng điện và điện áp.”

Nhưng làm thế nào có thể mô phỏng một hệ thống bao gồm hàng nghìn hoặc hàng triệu phần tử mà vẫn hội tụ được giải pháp phù hợp? Pileggi cho biết câu trả lời nằm trong cộng đồng mạch tích hợp.

“Nhờ số tiền nghiên cứu đã được đổ vào lĩnh vực mạch tích hợp trong nhiều thập kỷ qua, chúng tôi có thể mô phỏng các con chip trong tất cả các thiết bị điện tử của mình theo cách rất đáng tin cậy để cung cấp giải pháp chính xác,” ông nói. nói. “Các hệ thống điện chưa được hưởng lợi từ sự mạnh mẽ hoặc dễ mô phỏng như vậy, vì vậy những gì chúng tôi đã làm là đưa ra các kỹ thuật mô phỏng mạch cho khung hệ thống điện tương tự như các kỹ thuật mô phỏng mà chúng tôi sử dụng cho các mạch tích hợp. Bây giờ, chúng tôi có thể mô phỏng lưới và yên tâm rằng chúng tôi nhận được câu trả lời đúng.”

Để có câu trả lời đúng, Pileggi cho rằng các nhà nghiên cứu phải có phương tiện mô phỏng và lập mô hình lưới điện để họ có thể theo dõi dòng điện. Điều này sẽ giúp họ đảm bảo rằng lưới điện tiếp tục hoạt động đáng tin cậy và an toàn. Những khả năng như vậy cũng rất quan trọng để tối ưu hóa dòng năng lượng điện theo cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất có thể.

"Các lưới điện được cấu trúc để chúng ta tạo ra năng lượng dựa trên những gì chúng ta sẽ tiêu thụ,” Pileggi nói. “Khi chúng tôi thức dậy vào buổi sáng, các công ty điện lực đã quyết định họ sẽ cần bao nhiêu điện trong ngày và họ sẽ lấy điện từ đâu - cho dù đó là nhà máy hạt nhân ở Massachusetts hay trang trại gió ở Kansas. . Điều thực sự quan trọng là các công ty điện lực có thể mô phỏng và lập mô hình lưới điện để họ có thể thực hiện kiểu quy hoạch đó.”

Lưới điện là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất ở Hoa Kỳ, liên tục truyền tải và phân phối điện đến hàng triệu người trên khắp đất nước. Kỹ thuật lập mô hình và mô phỏng giúp đảm bảo hiệu quả của lưới điện vì chúng giúp chúng ta hiểu được dòng điện và các sự cố gián đoạn khác nhau (như cây đè lên đường dây điện) có thể ảnh hưởng đến chức năng tổng thể của lưới điện như thế nào.

Pileggi và các đồng nghiệp của ông tin rằng phương pháp mô phỏng của họ có thể giúp bảo vệ lưới điện khỏi những gián đoạn có thể làm tê liệt như các mối đe dọa an ninh mạng, đồng thời cho phép đưa nhiều năng lượng tái tạo hơn vào lưới điện. Nhóm nghiên cứu của Pileggi hiện được tài trợ bởi chương trình DARPA có tên Hệ thống phát hiện, cách ly và mô tả tấn công nhanh (RADICS), một chương trình khuyến khích các nhà nghiên cứu thiết kế các công nghệ có khả năng phát hiện và ứng phó với các cuộc tấn công vào cơ sở hạ tầng quan trọng - chẳng hạn như lưới điện - trong phạm vi Hoa Kỳ.

Pileggi cho biết: “Luôn luôn có mối lo ngại về việc tin tặc làm hỏng lưới điện”. “Với sự tài trợ từ chương trình RADICS, chúng tôi có cơ hội phát triển các kỹ thuật mô phỏng và mô hình hóa tốt hơn. Mô hình hóa tốt hơn sẽ giúp chúng tôi thể hiện lưới điện tốt hơn, điều này cho phép chúng tôi bảo vệ tốt hơn trước các vi phạm an ninh như tấn công mạng.”

Với lưới điện được bảo vệ khỏi các cuộc tấn công mạng, người Mỹ có thể yên tâm khi biết rằng nguồn điện sẽ tiếp tục được truyền tải bình thường, truyền tải điện đến các hộ gia đình và doanh nghiệp, cung cấp cho các gia đình nước nóngvà cung cấp cho người tiêu dùng khí đốt để vận chuyển.

Nghiên cứu của Pileggi, được ghi lại trong một bài nghiên cứu có tựa đề “Cải thiện tính ổn định của dòng điện thông qua các phương pháp mô phỏng mạch”, gần đây đã nhận được Giải thưởng Báo cáo trong Phiên họp Báo cáo Hội nghị Hay nhất về Quy hoạch, Vận hành và Thị trường Điện tại Đại hội đồng Hiệp hội Năng lượng và Năng lượng IEEE 2017. Bài báo được viết bởi Pileggi và các học trò của ông, Amritanshu Pandey và Marko Jereminov, cùng với đồng nghiệp của ông là Gabriela Hug.