تأمين أنظمة الطاقة الكهربائية ضد الأخطاء الفيزيائية السيبرانية

أهمية مخاطر تأمين أنظمة الطاقة الكهربائية ضد الأخطاء الفيزيائية السيبرانية

يتم التعرف على شبكة الكهرباء في المقام الأول كطبقة نقل مادية للطاقة الكهربائية، ومع ذلك تعتمد أنظمة الطاقة الحديثة بشكل متزايد على الاستشعار والاتصال والحوسبة والتحكم الآلي لتقديم الكفاءة والمرونة والموثوقية المطلوبة منها، لذلك ينبغي فهمها على أنها أنظمة إلكترونية فيزيائية (CPSs)، حيث ينتج السلوك على مستوى النظام عن التفاعل بين العمليات الفيزيائية وتدفق المعلومات وإجراءات التحكم.

كما أن هناك تحدٍ خاص يتمثل في حقيقة أن أنظمة الطاقة هي بنى تحتية بالغة الأهمية، حيث يأتي عدم القدرة على توفير الطاقة للمستخدمين النهائيين بتكلفة عالية جداً، وهذا يجعل دراسة أنماط الفشل في نظام الطاقة الفيزيائية السيبرانية ملحة بشكل خاص، وعلى الرغم من الاعتراف بالحاجة إلى مثل هذا التحليل؛ فإن تطوير نماذج موثوقية رسمية لنظام الطاقة الفيزيائية السيبرانية لا يزال في مرحلة مبكرة.

تعد مخططات حماية النظام (SPSs) والمعروفة أيضاً باسم خطط الإجراءات العلاجية (RASs) أو خطط حماية سلامة النظام (SIPSs)، وهو مرشحاً طبيعياً لدراسة موثوقية (CPS) في سياق محدد جيداً، كما وتم تصميم (SPSs) لاكتشاف ظروف نظام الطاقة غير الطبيعية وبدء إجراءات تصحيحية محددة مسبقاً للتخفيف من تأثيرها.

كما تشمل تدخلات (SPS) التغييرات في الحمل الكهربائي أو التوليد أو طوبولوجيا النظام، وعادة ما يتم تشغيلها عن طريق الكشف عن حالات الطوارئ، وذلك بوساطة البنية التحتية لتكنولوجيا اتصالات المعلومات (ICT)، وبمعنى آخر، تنشأ الأحداث في المجال المادي (بدء الطوارئ)، كما وتعبر المجال السيبراني (منطق التحكم والإشارات) وتعود إلى المجال المادي (التدخلات في نظام الطاقة).

كما ارتبط استخدام (SPS) إلى حد كبير بخطط دفاع الملاذ الأخير، وعلى هذا النحو تساعد (SPS) على حماية نظام الطاقة من الأحداث عالية التأثير منخفضة الاحتمال، بما في ذلك الانقطاعات المتتالية، وبدلاً من ذلك، بحيث يمكن استخدام (SPS) لتحسين مستويات استخدام شبكات الكهرباء، وتخفيف قيود الأمن التشغيلي في المناطق المقيدة بالشبكة الكهربائية.

كما أن المبدأ بسيط، بحيث تتخذ (SPS) إجراءات تصحيحية عند حدوث طوارئ الشبكة لتجنب التحميل الزائد على الدوائر المتبقية، في هذا التطبيق الثاني تساعد (SPS) على تقليل تكاليف إرسال التوليد الكهربائي، على سبيل المثال عندما يتم توصيل كميات كبيرة من الموارد المتجددة عن بُعد بالشبكة، لذلك قد تتطلب قيود الأمان الوقائية تقليصاً مكلفاً للتوليد المتجدد وإرسال المولدات بدافع الجدارة.

بيان المشكلة والتحديات بتأمين أنظمة الطاقة الكهربائية

نحن نأخذ في الاعتبار مشكلة تشغيل النظام الأمثل من منظور المشغل المركزي الذي يرغب في تأمين الشبكة ضد مجموعة من الحالات الطارئة، بحيث يُفترض التسلسل التالي للأحداث، كذلك استجابة لنمط طلب معين وتوافر المولدات الكهربائية، بحيث يتم تحديد إرسال جيل واحتياطي، وعند الرغبة يتم تكوين وتجهيز (SPS) تحدث حالات الطوارئ باحتمالية معينة.

كذلك قد تؤدي حالة الطوارئ إلى استجابة (SPS) أو تنشيط استجابة التردد لموازنة النظام، وفي حالة وجود انتهاكات للقيود المتبقية (الحمل الزائد للتيار المستمر في سياق هذه الدراسة)، كما يؤدي هذا إلى مزيد من إجراءات الحماية الآلية، وعلى سبيل المثال فتح الفروع، مما قد يؤدي إلى فقدان التوريد للعملاء، بحيث لاحظ أن المشغل ليس له حق الرجوع بعد حدوث الطوارئ، كما تحدد تهيئة الإرسال والحماية استجابة النظام للطوارئ بشكل كامل.

لذلك؛ فإنه يمكن للمشغل أن يختار تأمين النظام بطريقة وقائية عن طريق ضبط إرسال مولد ما قبل الخطأ أو بطريقة تصحيحية، وذلك من خلال الاعتماد على الإجراءات التلقائية اللاحقة للخطأ لإعادة النظام ضمن حدود التشغيل، ومع ذلك بما أن هذه الإجراءات التصحيحية قد تفشل؛ فإنها تكون مصحوبة بخطر حدوث عواقب سلبية، كما أن القرار الأمثل هو المقايضة بين الأمن والربحية على أساس التقييم الكمي للمخاطر.

والجدير بالذكر في العديد من أنظمة العالم الحقيقي، بحيث لا يقوم مشغل النظام بإرسال أصول التوليد بشكل مستقل، ولكنه يعتمد على الأسواق للقيام بذلك، ومع ذلك لا يزال مشغل النظام يقوم بتكوين إعدادات الحماية الكهربائية والتأثير على تخصيص الاحتياطي، كما وقد يقوم بتعديل أوضاع السوق المقترحة بناءً على ما يبرره أمان النظام، وعلاوة على ذلك؛ فإن المعرفة بالحل الأمثل الذي يحصل عليه المشغل المركزي، حتى لو لم يتم تنفيذه دائمًا في الممارسة العملية.

تنفيذ طريقة الأمان الجزئية

في ما يلي، يتم وصف نهجاً إرشادياً لإيجاد حل تقريبي، بحيث يتم استبدال مصطلح الخطر (X)، والذي لا يمكن تقييمه ضمن التحسين الرمزي، وهو بمجموعة إضافية من القيود، بحيث تتنوع هذه القيود لتنتج مجموعة من الحلول المرشحة، كما ويتم اختيار أفضلها عن طريق التعداد والمحاكاة المباشرة، بحيث تتكون الطريقة من ثلاثة أجزاء موصوفة بالتفصيل أدناه وملخصة في الشكل التالي (1).

الاختيار من بين حلول المرشحين: على مستوى عالٍ، يتم تنفيذ التحسين كتعداد عبر مجموعة من “الحلول المرشحة”، وبفرض أن (K = {κ1، κ2،…، κN}) هي مجموعة من الحلول المرشحة [κi≡ (Di، Si)] (سيتم تحديدها أدناه)، ثم يأخذ التحسين الشكل العام.

لكل من الحلول المرشحة، يتم تعداد جميع سيناريوهات نتائج نظام الحماية بشكل مجمل، مما يساهم في احتمالية حدوثها، بحيث يمكن حساب تأثير فصل الأحمال عن طريق المحاكاة أو باستخدام إجراء تحسين مستقل، كما يضمن هذا التحليل التفصيلي اختيار أفضل مرشح من المجموعة (K).

المرشحين والأمن الجزئي: وهكذا يتحول التحدي إلى توليد مجموعة مرشح مناسب (K)، كما ويرد أدناه نهج إرشادي لتوليد مرشحين مناسبين باستخدام صيغة (SCOPF) المعممة، وذلك بدراسة (SPS) غير موثوق به في نظام مظاهرة صغير، كما لوحظ أن تكوين (SPS) الأمثل هو دائماً تكوين يمنع الأحمال الزائدة المتتالية في أحد سيناريوهات النتائج.

وبمعنى آخر، يتم تشغيل النظام بحيث يكون واحداً أو أكثر من المكونات في عتبة التشغيل (مثل الحد الحراري) لمجموعة معينة من وضع طوارئ البدء ووضع فشل (SPS)، وهذا أمر بديهي، بحيث لأن عبور هذه العتبات يرتبط بمزيد من حالات قطع الاتصال وانقطاع اتصال العملاء المحتمل، وفي النموذج المدروس كان الحل الأمثل دائماً واحداً من مجموعة منفصلة من “الحلول المرشحة” التي ترتبط ارتباطاً مباشراً بحالات الطوارئ المحفزة ونتائج (SPS) المرتبطة بها.

توسيع المجموعة التكرارية: يمكن دمج التقنيات الواردة في القسمين السابقين، وفي خوارزمية بحث إرشادية بديهية على النحو التالي، يتم وضع في اعتبارك مجموعة جميع سيناريوهات النتائج المحتملة Q¯، والتي تم الحصول عليها من خلال الجمع بين جميع حالات الطوارئ المحمية (Cp) مع جميع نتائج الحماية الممكنة (O).

كما يمكن إنشاء مجموعات الأمان الجزئية (Qi) لتمثيل جميع المجموعات الفرعية المحتملة لـ Q¯، مما يؤدي إلى مجموعة كاملة من المرشحين للأمان الجزئي {κi}، ومن الناحية النظرية يمكن اختيار أفضل هؤلاء المرشحين من خلال المحاكاة الصريحة والتعداد، ومع ذلك؛ فإن هذا النهج الساذج غير عملي من الناحية العملية، لأن العدد الكامل لسيناريوهات الأمان الجزئي يساوي 2 | Cp | × | O |، مما يجعل من غير المجدي تقييم جميع المرشحين حتى للأنظمة الكبيرة إلى حد ما.