การปกป้องโครงข่ายไฟฟ้าด้วยวิธีจำลองวงจร

ในเดือนธันวาคม 2558 แฮกเกอร์ชาวรัสเซียถูกกล่าวหาว่าโจมตีโครงข่ายไฟฟ้าของยูเครน ขัดขวางการจ่ายไฟฟ้าของชาวยูเครนเกือบหนึ่งในสี่ล้าน จากนั้นในเดือนธันวาคม 2559 ประมาณหนึ่งปีหลังจากการโจมตีครั้งแรก แฮกเกอร์ก็โจมตีอีกครั้ง แต่คราวนี้ พวกเขามุ่งเป้าไปที่สถานีส่งไฟฟ้าในเคียฟ เมืองหลวงของยูเครน การโจมตีทางไซเบอร์แต่ละครั้งกินเวลาไม่เกินหกชั่วโมง แต่ผู้เชี่ยวชาญด้านความปลอดภัยยังคงตื่นตระหนก แฮกเกอร์เพิ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแทรกซึมเข้าไปในกริดและเปลี่ยนแปลงกระแสสังคมอย่างมาก

 

ชาวอเมริกันเริ่มกังวล หากแฮกเกอร์สามารถกำหนดเป้าหมายไปยังยูเครนได้ แล้วอะไรจะหยุดพวกเขาจากการกำหนดเป้าหมายไปยังประเทศอื่น ๆ ในยุโรปตะวันตกหรือแม้แต่สหรัฐอเมริกา? การโจมตีที่ยาวนานบน ตารางไฟฟ้าหรือแม้แต่เรื่องง่ายๆ พลัง ความล้มเหลวของโครงข่ายอาจหมายถึงการขาดแคลนไฟฟ้า น้ำร้อน ก๊าซสำหรับการขนส่ง อุปกรณ์สื่อสารอิเล็กทรอนิกส์ และระบบทำความร้อนตามหน้าที่ เหนือสิ่งอื่นใด

โชคดีที่ศาสตราจารย์วิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัย Carnegie Mellon, Larry Pileggi และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขาได้พัฒนาแนวทางการจำลองโดยใช้เทคนิควงจรรวม ซึ่งอาจช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญสร้างแบบจำลองและจำลองโครงข่ายไฟฟ้าได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้น จึงช่วยปกป้องจากความปลอดภัยทางไซเบอร์ที่อาจเกิดขึ้นได้ ภัยคุกคามในอนาคต

ในฐานะศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ Pileggi มีประสบการณ์มากมายในการทำงานกับเซมิคอนดักเตอร์ วงจรรวมและวิธีการจำลองวงจร แต่ไม่นานมานี้เขาเริ่มค้นคว้าหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับสนามพลัง

“สำหรับอาชีพส่วนใหญ่ของฉัน ฉันมุ่งเน้นไปที่บูรณาการเป็นหลัก วงจร” Pileggi กล่าว “จากนั้น ฉันมีนักศึกษาฝึกงานภาคฤดูร้อนที่กำลังมองหาโครงการ ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจทำความเข้าใจว่าเหตุใดวิธีการที่ใช้ในการจำลองและจำลองวงจรรวมจึงดูแตกต่างอย่างมากจากวิธีการที่ใช้ในการจำลองและจำลองโครงข่ายพลังงานไฟฟ้า”

Pileggi และเพื่อนร่วมงานของเขาค้นพบว่าวิธีการที่ใช้ในการสร้างแบบจำลองวงจรรวมนั้น ที่จริงแล้วแตกต่างจากวิธีการที่ใช้ในการจำลองโครงข่ายไฟฟ้า ดังนั้น พวกเขาจึงพบวิธีจำลองโครงข่ายโดยใช้เทคนิคที่ได้มาจากชุมชนวงจรรวม ต่างจากวิธีการจำลองแบบอื่นๆ ซึ่งใช้โมเดล กริดไฟฟ้า ในแง่ของการไหลของพลังงานและแรงดันไฟฟ้า แนวทางของ Pileggi ตั้งอยู่บนกรอบการสร้างแบบจำลองวงจรสมมูล ซึ่งเป็นกรอบที่เน้นไปที่ กำลังคำนวณ กำลังไฟฟ้าจากการไหลของกระแสและแรงดัน

“มันเป็นความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ แต่ก็เป็นความแตกต่างที่สำคัญ” Pileggi กล่าว “ในอดีต นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองโครงข่ายไฟฟ้าโดยแสดงการไหลของพลังงานโดยตรง จากนั้นจึงวิเคราะห์แรงดันไฟฟ้าจากการไหลของพลังงาน เราสามารถคิดแนวทางที่ช่วยให้เราสามารถจำลองโครงข่ายไฟฟ้าในแง่ของกระแสและแรงดันไฟฟ้าได้”

แต่เป็นไปได้อย่างไรที่จะจำลองระบบที่ประกอบด้วยองค์ประกอบนับพันหรือหลายล้านองค์ประกอบ และยังคงให้ระบบมาบรรจบกันเป็นโซลูชันที่เหมาะสม Pileggi กล่าวว่าคำตอบอยู่ในชุมชนวงจรรวม

“เนื่องจากเงินการวิจัยที่หลั่งไหลเข้าสู่วงการวงจรรวมในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา เราจึงสามารถจำลองชิปที่อยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดของเราด้วยวิธีที่เชื่อถือได้อย่างยิ่งซึ่งให้วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้อง” เขา พูดว่า “ระบบไฟฟ้าไม่ได้รับประโยชน์จากความทนทานหรือความง่ายในการจำลอง ดังนั้นสิ่งที่เราทำคือเกิดเทคนิคการจำลองวงจรสำหรับกรอบงานระบบไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกับเทคนิคการจำลองที่เราใช้สำหรับวงจรรวม ตอนนี้เราสามารถจำลองตารางและมั่นใจได้ว่าเราจะได้คำตอบที่ถูกต้อง”

เพื่อให้ได้คำตอบที่ถูกต้อง Pileggi กล่าวว่านักวิจัยต้องมีเครื่องมือในการจำลองและสร้างแบบจำลองโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อให้สามารถติดตามการไหลของพลังงานได้ สิ่งนี้จะช่วยให้พวกเขามั่นใจได้ว่ากริดยังคงทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและปลอดภัย ความสามารถดังกล่าวยังมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการไหลของพลังงานไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพและคุ้มค่าที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

“การ โครงข่ายไฟฟ้า มีโครงสร้างเพื่อให้เราสร้างพลังงานตามสิ่งที่เราจะใช้” Pileggi กล่าว “เมื่อเราตื่นนอนในตอนเช้า หน่วยงานสาธารณูปโภคได้ตัดสินใจแล้วว่าพวกเขาจะต้องใช้ไฟฟ้าเท่าใดในแต่ละวัน และพวกเขาจะมาจากไหน ไม่ว่าจะเป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในแมสซาชูเซตส์หรือฟาร์มกังหันลมในแคนซัส . สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือระบบสาธารณูปโภคสามารถจำลองและสร้างแบบจำลองกริดเพื่อให้สามารถวางแผนแบบนั้นได้”

สายส่งไฟฟ้าเป็นหนึ่งในโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญที่สุดในสหรัฐอเมริกา โดยทำหน้าที่ส่งและกระจายพลังงานให้กับผู้คนหลายล้านคนทั่วประเทศอย่างต่อเนื่อง เทคนิคการสร้างแบบจำลองและการจำลองช่วยให้มั่นใจในประสิทธิภาพของโครงข่ายไฟฟ้าของเรา เนื่องจากช่วยให้เราเข้าใจการไหลของพลังงาน และการหยุดชะงักต่างๆ (เช่น ต้นไม้หักทับสายไฟ) อาจส่งผลต่อการทำงานโดยรวมของโครงข่ายอย่างไร

Pileggi และเพื่อนร่วมงานของเขาเชื่อว่าวิธีการจำลองสามารถช่วยปกป้องกริดจากการหยุดชะงักที่อาจเกิดขึ้น เช่น ภัยคุกคามความปลอดภัยทางไซเบอร์ ขณะเดียวกันก็ช่วยให้พลังงานหมุนเวียนถูกนำเข้ามาในกริดมากขึ้น ปัจจุบันทีมวิจัยของ Pileggi ได้รับทุนจากโปรแกรม DARPA ที่เรียกว่า Rapid Attack Detection, Isolation and Characterization Systems (RADICS) ซึ่งเป็นโปรแกรมที่สนับสนุนให้นักวิจัยออกแบบเทคโนโลยีที่สามารถตรวจจับและตอบสนองต่อการโจมตีโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ เช่น ระบบส่งไฟฟ้า ภายใน สหรัฐ.

“มีความกังวลอยู่เสมอเกี่ยวกับแฮกเกอร์ที่จะทำลายระบบ” Pileggi กล่าว “ด้วยเงินทุนจากโปรแกรม RADICS เรามีโอกาสที่จะพัฒนาเทคนิคการสร้างแบบจำลองและการจำลองที่ดีขึ้น การสร้างแบบจำลองที่ดีขึ้นจะช่วยให้เรานำเสนอกริดได้ดีขึ้น ซึ่งจะช่วยให้เราป้องกันการละเมิดความปลอดภัยเช่นการโจมตีทางไซเบอร์ได้ดีขึ้น”

ด้วยโครงข่ายที่ได้รับการปกป้องจากการโจมตีทางไซเบอร์ ชาวอเมริกันจึงสามารถพักผ่อนได้อย่างสบายใจเมื่อรู้ว่าไฟฟ้าจะยังคงไหลเวียนได้อย่างเหมาะสม โดยจะส่งกระแสไฟฟ้าไปยังบ้านเรือนและธุรกิจต่างๆ เพื่อให้ครอบครัวมี น้ำร้อนและจัดหาก๊าซให้กับผู้บริโภคเพื่อการขนส่ง

งานวิจัยของ Pileggi ซึ่งได้รับการบันทึกไว้ในรายงานการวิจัยหัวข้อ "การปรับปรุงความทนทานของการไหลของพลังงานผ่านวิธีการจำลองวงจร" เมื่อเร็วๆ นี้ ได้รับรางวัล Prize Paper Award ในเซสชันเอกสารการประชุมที่ดีที่สุดด้านการวางแผนระบบไฟฟ้า การดำเนินงาน และตลาดไฟฟ้าที่ การประชุมสามัญสมาคมพลังงานและพลังงาน IEEE ปี 2017. บทความนี้เขียนโดย Pileggi และนักเรียนของเขา Amritanshu Pandey และ Marko Jereminov พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานของเขา Gabriela Hug