Schutz des Stromnetzes mit Methoden der Schaltungssimulation

Im Dezember 2015 griffen russische Hacker mutmaßlich das Stromnetz der Ukraine an und unterbrachen so den Stromfluss für fast eine Viertelmillion Ukrainer. Dann, im Dezember 2016, etwa ein Jahr nach dem ersten Angriff, schlugen die Hacker erneut zu. Doch dieses Mal zielten sie auf eine Stromübertragungsstation in Kiew, der Hauptstadt der Ukraine. Jeder Cyberangriff dauerte nicht länger als sechs Stunden, doch Sicherheitsexperten waren dennoch alarmiert: Hacker hatten gerade ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, in das Netz einzudringen und den Fluss der Gesellschaft drastisch zu verändern.

 

Die Amerikaner begannen sich Sorgen zu machen. Wenn Hacker die Ukraine ins Visier nehmen könnten, was würde sie dann davon abhalten, andere Länder in Westeuropa oder sogar die Vereinigten Staaten ins Visier zu nehmen? Langwierige Angriffe auf die Stromnetz, oder sogar einfach Leistung Netzausfälle würden unter anderem einen Mangel an Strom, Warmwasser, Gas für den Transport, elektronischen Kommunikationsgeräten und funktionierenden Heizsystemen bedeuten.

Glücklicherweise haben Larry Pileggi, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Carnegie Mellon University, und seine Doktoranden einen Simulationsansatz entwickelt, der auf integrierten Schaltkreistechniken basiert und Experten möglicherweise dabei helfen könnte, das Stromnetz zuverlässiger zu modellieren und zu simulieren und es so vor möglicher Cybersicherheit zu schützen Bedrohungen in der Zukunft.

Als Professor für Elektrotechnik und Computertechnik verfügt Pileggi über umfangreiche Erfahrung in der Arbeit mit Halbleitern, integrierte Schaltkreiseund Schaltungssimulationsmethoden. Doch erst vor Kurzem begann er mit der Erforschung von Themen rund um den Energiebereich.

„Die meiste Zeit meiner Karriere habe ich mich hauptsächlich auf die Integration konzentriert Schaltkreise“, sagt Pileggi. „Dann hatte ich einen Sommerpraktikanten, der nach einem Projekt suchte, also beschloss ich, darüber nachzudenken, zu verstehen, warum die Methoden zur Simulation und Modellierung integrierter Schaltkreise sich scheinbar stark von den Methoden zur Simulation und Modellierung des Stromnetzes unterschieden.“

Pileggi und seine Kollegen entdeckten, dass sich die Methoden zur Modellierung integrierter Schaltkreise tatsächlich von den Methoden zur Modellierung des Stromnetzes unterschieden, und fanden daher einen Weg, das Netz mithilfe von Techniken zu simulieren, die aus der Community der integrierten Schaltkreise stammen. Im Gegensatz zu anderen Simulationsansätzen, die das modellieren Stromnetz In Bezug auf Leistungsfluss und Spannung basiert Pileggis Ansatz auf dem Modellierungsrahmen für Ersatzschaltkreise, einem Rahmenwerk, das sich auf Folgendes konzentriert Berechnen Energie aus dem Fluss von Strom und Spannung.

„Es ist ein kleiner, aber wichtiger Unterschied“, sagt Pileggi. „In der Vergangenheit haben Forscher das Stromnetz modelliert, indem sie den Stromfluss direkt dargestellt und dann die Spannung aus dem Stromfluss analysiert haben. Wir konnten einen Ansatz entwickeln, der es uns ermöglicht, das Stromnetz hinsichtlich Strömen und Spannungen zu simulieren.“

Aber wie ist es möglich, ein System, das aus Tausenden oder Millionen von Elementen besteht, zu simulieren und trotzdem zur richtigen Lösung zu gelangen? Laut Pileggi liegt die Antwort in der Community der integrierten Schaltkreise.

„Dank der Forschungsgelder, die in den letzten Jahrzehnten in den Bereich der integrierten Schaltkreise gesteckt wurden, sind wir in der Lage, die Chips, die in all unseren elektronischen Geräten stecken, auf sehr zuverlässige Weise zu simulieren und so die richtige Lösung zu liefern“, sagt er sagt. „Stromversorgungssysteme haben nicht von einer solchen Robustheit oder einfachen Simulation profitiert, daher haben wir Schaltungssimulationstechniken für das Stromversorgungssystem-Framework entwickelt, die den Simulationstechniken ähneln, die wir für integrierte Schaltkreise verwenden. Jetzt können wir das Raster simulieren und sicher sein, dass wir die richtige Antwort erhalten.“

Um die richtige Antwort zu erhalten, müssen Forscher laut Pileggi über die Möglichkeit verfügen, das Stromnetz zu simulieren und zu modellieren, damit sie den Stromfluss verfolgen können. Dadurch können sie sicherstellen, dass das Netz weiterhin zuverlässig und sicher funktioniert. Solche Fähigkeiten sind auch entscheidend, um den Stromfluss so effizient und kosteneffektiv wie möglich zu optimieren.

"Der Stromnetz ist so strukturiert, dass wir Strom auf der Grundlage dessen erzeugen, was wir verbrauchen“, sagt Pileggi. „Wenn wir morgens aufwachen, haben die Energieversorger bereits entschieden, wie viel Strom sie für den Tag benötigen und woher sie ihn beziehen – ob es sich um ein Atomkraftwerk in Massachusetts oder einen Windpark in Kansas handelt . Es ist wirklich wichtig, dass Versorgungsunternehmen das Netz simulieren und modellieren können, damit sie diese Art von Planung durchführen können.“

Das Stromnetz ist eine der kritischsten Infrastrukturen in den Vereinigten Staaten und überträgt und verteilt ständig Strom an Millionen von Menschen im ganzen Land. Modellierungs- und Simulationstechniken tragen dazu bei, die Effizienz unseres Stromnetzes sicherzustellen, da sie uns helfen, den Stromfluss zu verstehen und zu verstehen, wie sich verschiedene Störungen (z. B. ein Baum, der eine Stromleitung zerquetscht) auf die Gesamtfunktionalität des Netzes auswirken können.

Pileggi und seine Kollegen glauben, dass ihre Simulationsmethode dazu beitragen könnte, das Netz vor potenziell lähmenden Störungen wie Cybersicherheitsbedrohungen zu schützen und gleichzeitig die Einspeisung von mehr erneuerbarer Energie in das Netz zu ermöglichen. Pileggis Forschungsteam wird derzeit durch ein DARPA-Programm namens Rapid Attack Detection, Isolation and Characterization Systems (RADICS) finanziert, ein Programm, das Forscher dazu ermutigt, Technologien zu entwickeln, die in der Lage sind, Angriffe auf kritische Infrastrukturen – wie das Stromnetz – innerhalb der USA zu erkennen und darauf zu reagieren Vereinigte Staaten.

„Es besteht immer die Sorge, dass Hacker das Netz lahmlegen könnten“, sagt Pileggi. „Mit der Finanzierung durch das RADICS-Programm haben wir die Möglichkeit, bessere Modellierungs- und Simulationstechniken zu entwickeln. Eine bessere Modellierung wird uns helfen, das Netz besser darzustellen, wodurch wir uns besser vor Sicherheitsverletzungen wie Cyberangriffen schützen können.“

Da das Netz vor Cyberangriffen geschützt ist, können sich die Amerikaner darauf verlassen, dass der Strom weiterhin ordnungsgemäß fließt, Haushalte und Unternehmen mit Strom versorgt und Familien versorgt heißes Wasserund die Versorgung der Verbraucher mit Gas für den Transport.

Pileggis Forschung, die in einem Forschungspapier mit dem Titel „Improving Power Flow Robustness via Circuit Simulation Methods“ dokumentiert wurde, wurde kürzlich mit dem Prize Paper Award in der Sitzung „Best Conference Papers on Power System Planning, Operation, and Electricity Markets“ ausgezeichnet Generalversammlung der IEEE Power and Energy Society 2017. Der Artikel wurde von Pileggi und seinen Schülern Amritanshu Pandey und Marko Jereminov zusammen mit seiner Kollegin Gabriela Hug verfasst.