الأمن السيبراني والتحكم بمولدات الطاقة الإلكترونية

أهمية الأمن السيبراني في التحكم بمولدات الطاقة الإلكترونية

من أهم الأهداف التكنولوجية العالمية في هذا القرن تحقيق أنظمة طاقة كهربائية محايدة الكربون، لذلك لن يقلل هذا من التلوث وآثار الاحتباس الحراري فحسب؛ بل سيقلل أيضاً من الاعتماد المجتمعي العام على الإمداد غير الآمن بالوقود الأحفوري، كما يُنظر إلى الاعتماد على نطاق واسع لمصادر الطاقة المتجددة (RES) مثل الرياح والخلايا الكهروضوئية (PV) وأنظمة تخزين الطاقة (ESSs) وأنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) على أنها مبادرات حاسمة للوصول إلى هذا الهدف.

كما تلعب محولات مصدر الجهد المرتبطة بالشبكة (VSCs) دوراً رئيسياً في هذا السيناريو، ونظراً لأنها تعمل كأكثر واجهات تحويل الطاقة شيوعاً بين هذه التقنيات وشبكة الطاقة الكهربائية، ومن الجدير بالذكر أيضاً أن (VSCs)، بحيث تمكن من تكوين شبكات صغيرة ذكية (MGs)، والتي يُنظر إليها على أنها كيانات تجميع وسيطة يمكنها إما العمل في الوضع المستقل أو تسهيل التكامل على نطاق واسع لموارد الطاقة الموزعة في الشبكة المرتبطة بالشبكة.

ومع ذلك ومع زيادة عدد (VSCs) في شبكات الطاقة المتجددة؛ فإنه يصبح تأثيرها على أداء هذه الشبكات أكثر وضوحاً أيضاً مع تحديث الشبكة الذي يتم تنفيذه بسرعة، كما يتم دمج العديد من (VSCs) في شبكة المرافق الحالية لتقديم خدمات داعمة للشبكة الكهربائية.

علاوة على ذلك، ومع الراحة المتزايدة باستمرار لقدرات التحكم عن بعد باستخدام تقنيات اتصالات المعلومات (ICT)، تحسنت مرونة التشغيل وقوة التحكم في (VSCs) بشكل كبير، مما أدى تكامل هذه المرافق في الواقع إلى محنة وأدى إلى إيجاد مقايضة مباشرة بين الكفاءة والموثوقية والأمن لشبكة أكبر مترابطة من (VSCs).

لكن في الواقع؛ فإن مثل هذه المراقبة واسعة النطاق باستخدام التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (SCADA) تجعلها شديدة التأثر بالتدخلات الخبيثة، علاوة على ذلك يلعب عامل الموثوقية الذي ينطوي عليه التكامل العميق لطبقات الاتصال لتحقيق التنسيق دوراً حيوياً في المخاوف الأمنية الجديدة، كما قد تؤدي مثل هذه التهديدات التي تتراوح من السرقات والهجمات الإلكترونية إلى إيقاف تشغيل النظام وفشل متتالي وإلحاق أضرار بأحمال المستهلك وعملية سوق الطاقة المهددة بالانقراض.

المعمارية السيبرانية الفيزيائية لمحولات الطاقة الإلكترونية

يوضح الشكل التالي (1) الهندسة المعمارية النموذجية لنظام تحويل مصدر الجهد المتصل بشبكة تيار متردد فردي، كما وتتكون سلسلة تحويل الطاقة الإجمالية من عدة مراحل، أي مرحلة الإدخال ومرحلة محول الطاقة من جانب الإدخال والتيار المستمر، كما أن مرحلة الجهد الكهربائي ومرحلة(VSC) المرتبطة بالشبكة ومرحلة شبكة التيار المتردد ومرحلة الإنترنت.

حيث أن هذا النوع من الهندسة الإلكترونية للطاقة هو الأكثر شيوعاً للتفاعل مع (RES) مثل الرياح و (PV)  (ESS) والبنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية مع شبكة الطاقة الكهربائية، كما بهدف تحسين مرونة وقوة الشبكات الذكية، لذلك من المتوقع أن يتم ربط أنظمة (VSC) الفردية في المستقبل القريب ببعضها البعض من خلال روابط الاتصال في شبكة ذكية فريدة من نوعها على الإنترنت والفيزيائية، بحيث يتم وصف مراحل التحكم المذكورة أعلاه بإيجاز في ما يلي.

المرحلة المادية (الفيزيائية): توجد مصادر وأحواض طاقة الإدخال النموذجية في أقصى الجانب الأيسر من الشكل السابق، بحيث يمكن لبعض الوحدات في مرحلة الإدخال مثل الشبكة أو (ESS)، وذلك إما حقن أو امتصاص الطاقة الكهربائية، كذلك يتم تنظيم تبادل الطاقة بين جانب الإدخال ومرحلة التيار المستمر الوسيطة بواسطة محولات جانب الإدخال.

كما تقوم هذه المحولات بمعالجة تبادل الطاقة بين مرحلة الإدخال ومرحلة جهد التيار المستمر، وعلاوة على ذلك تعمل مرحلة التيار المستمر كمخزن طاقة بين المدخلات ومرحلة التيار المتردد، بحيث يمكن أن تعمل أيضاً بشكل مستقل عن مرحلة التيار المتردد، على سبيل المثال وكشبكة صغيرة للتيار المستمر لدمج المصادر من مرحلة الإدخال في الشبكة، بحيث تعمل (VSC) المرتبطة بالشبكة كواجهة بين مرحلة (dc-link) وشبكة الطاقة الكهربائية المتناوبة.

المرحلة السيبرانية: نفترض أن الشبكة الذكية ككل تتكون من العديد من (VSCs)، وهي الموصوفة في القسم السابق، حيث أنها جنباً إلى جنب مع المولدات المتزامنة التقليدية، كما ينظمون الشبكة بشكل مشترك ويطلق على كل من هذه الوحدات اسم وكيل لجزء مثالي من الشبكة الذكية مع (VSCs) المترابطة.

كذلك تربط شبكة اتصالات المستشعرات ووحدات التحكم التي تتعايش في الشبكة الذكية، بحيث يتواصل كل وكيل بطريقتين:

• إلى وحدة تحكم مركزية.

• فيما بينها بطريقة موزعة.

أيضاً يقدم الشكل التالي (2) وصفاً تصويرياً لكل من الهياكل السيبرانية، حيث تمثل الخطوط المنقطة تدفق المعلومات، ونظراً لأن أهداف التحكم معرضة بشدة لنقطة فشل واحدة في شبكة مركزية، كما هو موضح في الشكل (2-a)؛ فإن فلسفة التحكم الموزعة، وفي الشكل (2-b)، كما تُستخدم بشكل بارز في إلكترونيات الطاقة- الأنظمة الفيزيائية السيبرانية القائمة على تعزيز الموثوقية وقابلية التوسع.

كل وكيل لديه وحدة تحكم موزعة تعالج البيانات من الوكلاء المحليين والجوار، وكذلك من المواقع البعيدة الأخرى. بحيث يتم الحصول على هذه البيانات عادةً عن طريق وحدات قياس الطور (PMUs)، والتي تتكون من أطوار ذات جهد ديناميكي، كما يمكن تحقيق الاتصال بين وحدات إدارة المشروع ووحدات التحكم المحلية بطريقة مركزية، حيث يتم جمع القياسات من جميع الوكلاء بشكل مركزي للمعالجة واتخاذ القرار.

وعادةً ما يتم استخدام أبرز طريقة للتنسيق بين الوكلاء في نظام (SCADA)، ولتخفيف المراقبة في شبكات الشبكة الذكية، خاصةً إذا كان عدد الوكلاء مرتفعاً؛ فإن هذا النهج لا يتطلب موارد اتصال كبيرة فحسب؛ بل يكون أيضاً عرضة للهجمات السيبرانية المحتملة، كما يشير الخيار الآخر الذي يشار إليه عموماً باسم التحكم اللامركزي إلى مخطط يتم فيه استخدام القياسات المحلية فقط.

بينما يتم تجنب البنية التحتية للاتصالات تماماً هنا؛ فإن القدرة على التحكم محدودة، وكما هو موضح أعلاه يقدم نموذج التحكم الموزع المرونة، حيث يتم توزيع الموارد الحسابية بشكل موحد عبر النظام لتحقيق التنسيق، وبالتالي يمكن استخدام قنوات الاتصال ذات النطاق الترددي المنخفض لتحقيق نفس الوظيفة.

وعلى الرغم من أنه يوفر معياراً واضحاً لتقييم محاولات التسلل؛ إلا أنه لا يمكن ضمان التعرض للهجمات السيبرانية بالضرورة للهجمات المنسقة، كما يمكن تفسير ذلك بسبب عدم كفاية المعلومات الموجودة في كل عقدة، والتي لا تعمل كمعلومات عالمية كافية للكشف عن الهجمات الإلكترونية.

وبالنظر إلى طبقة التحكم، يقدم الشكل التالي (3) نظرة عامة موجزة عن وظائف التحكم في (VSCs)، وهي المرتبطة بالشبكة وفقًا لمقاييسها الزمنية، كما ويمكن أيضاً ملاحظة أن بعض حلقات التحكم في الشكل (3) موصوفة بجوار بعضها البعض، مما يشير إلى أنهما يتم تشغيلهما في وقت واحد (على سبيل المثال التخميد النشط والتحكم في التيار المتردد والتحكم في جهد وصلة التيار المستمر والمزامنة.