تقييم موثوقية التشغيل لأنظمة القدرة الكهربائية والاعتبارات السيبرانية

أهمية تقييم موثوقية التشغيل لأنظمة القدرة الكهربائية في الجانب السيبراني

أدى التطور السريع لتقنيات إنترنت الأشياء إلى تفاعل معقد بين الأنظمة السيبرانية والأنظمة الفيزيائية، بحيث تقف الشبكات الذكية كتطبيق نموذجي لتقنيات إنترنت الأشياء، حيث خلقت تقنيات المعلومات المتقدمة ارتباطاً قوياً بين أنظمة الطاقة السيبرانية وأنظمة الطاقة المادية، وبفضل الاستخدام السريع لتقنيات المعلومات والاتصالات المتقدمة؛ فإنه يمكن تجميع موارد جانب الطلب مثل مكيفات الهواء والمركبات الكهربائية لتوفير سعة احتياطية لتعزيز تشغيل أنظمة الطاقة باستخدام طاقة الرياح.

وعادةً ما يتم تجميع (DSRs) كمجمعين لتنسيق استجاباتهم وإبرام عقود ثنائية أو تقديم عطاءات في أسواق الطاقة، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يوفر الحمل المتقطع قدرات احتياطية لشبكات الطاقة من خلال عقود ثنائية مع تعويض اقتصادي معقول للعملاء أو عملاء استجابة الطلب في سوق الطاقة الكهربائية.

ومع ذلك، قد تؤدي أعطال الأنظمة الإلكترونية بسبب الهجمات الإلكترونية وزمن انتقال الاتصال، وذلك إلى فقدان القدرة على التحكم في (DSRs) وحتى أنظمة الطاقة بأكملها، على سبيل المثال أدى الهجوم السيبراني الذي وقع على العديد من شركات توزيع الطاقة إلى انقطاع التيار الكهربائي عن شبكات الكهرباء الأوكرانية في عام (2015)م، والذي كان أول انقطاع في الكهرباء ناتج عن هجوم إلكتروني.

وفي الوقت نفسه؛ فإن خصائص التقلب والتقطع للاختراق العالي لطاقة الرياح وكذلك السلوك العشوائي لـ (DSRs)، بحيث تزيد من ضغوط التشغيل لأنظمة الطاقة الكهربائية، لذلك من الضروري أن يتم فحص موثوقية متغيرة بمرور الوقت لأنظمة الطاقة مع طاقة الرياح و (DSRs) بدقة وتقييم كمي.

لذلك تم تكريس الجهود البحثية لتقييم موثوقية أنظمة الطاقة ذات الأعطال السيبرانية، بحيث تم وصف الهجمات الإلكترونية في أنظمة إدارة طاقة مزارع الرياح على أنها نموذج رسم بياني للهجوم (Bayesian)، ومعدل وتم اعتماد طريقة المحاكاة لتحليل موثوقية نظام الطاقة، بحيث تم اقتراح تقييم مصداقية الروابط السيبرانية في أنظمة التوزيع الفيزيائي السيبراني النشط، كما وتم تقييم موثوقية النظام باستخدام تقنيات المحاكاة.

كذلك تم استخدام طريقة المحاكاة المتسلسلة لتحليل تأثيرات الأنظمة السيبرانية على الشبكات الصغيرة دون النظر إلى الهجمات الإلكترونية، وذلك على الرغم من مرونة طرق المحاكاة لتقييم موثوقية الأنظمة ذات ظروف التشغيل المعقدة؛ إلا أنه يتم تقديم نتائج غير دقيقة فقط في هذه الأعمال، وبالتالي تم اقتراح طريقة تحليلية لتقييم موثوقية التشغيل الدقيقة لأنظمة الطاقة مع مراعاة الأعطال السيبرانية.

نموذج السعة الاحتياطية مع الأخذ في الاعتبار الأعطال السيبرانية

لدمج التحكم في (DSRs)، عادةً ما يتم اعتماد بنية تحتية إلكترونية نموذجية مع إطار تحكم لامركزي هرمي كما هو معروض في الشكل التالي (1)، وبالنسبة لهيكل التحكم؛ فإنه يتم تضمين مركز تحكم ووحدات تحكم محلية متعددة (عدد من Qi) في قطاعات تحميل مختلفة.

وبالنسبة للأنظمة الإلكترونية في جانب الطلب، تتكون استراتيجية التحكم المطورة من طبقتين لاتخاذ القرار بما في ذلك طبقات الإشراف والجهاز في الشكل (1)، وخلال فترة التحكم يكون مركز التحكم في الطبقة الإشرافية مسؤولاً عن إرسال إشارات التحكم إلى وحدات التحكم المحلية الموزعة من أجل استجابة (DSRs)، وبعد ذلك تستقبل (DSRs) في قطاعات التحميل المختلفة في طبقة الجهاز هذه الإشارات من وحدات التحكم المحلية.

ومع ذلك، قد تعاني الأنظمة السيبرانية من أعطال بما في ذلك الهجمات الإلكترونية وتأخر الاتصالات، وعلى سبيل المثال، قد يتدخل المتسللون إلى مركز التحكم مما يتسبب في فشل كامل للنظام الإلكتروني وفقدان القدرة على التحكم في (DSRs)، وعلاوة على ذلك في حالة حدوث زمن انتقال الاتصال؛ لا تستطيع أجهزة (DSR) استقبال إشارات التحكم على الفور، مما قد يؤدي إلى الاستجابة المتأخرة لـ (DSRs) قد تؤثر هذه الأنواع من الأعطال الإلكترونية بشكل خطير على موثوقية النظام.

وبالنسبة لقطاع الحمل الكهربائي (qi) في التفرع (i)، كما تتكون نماذج الموثوقية للنظام السيبراني من طبقتين من مركز التحكم في الطبقة الإشرافية إلى وحدة التحكم المحلية (qi) ومن وحدة التحكم المحلية (qi) إلى قطاع التحميل في طبقة الجهاز، وفي هذه الدراسة يتم تقديم الهجمات الإلكترونية على أنها نموذج نموذجي ثنائي الحالة.

بمجرد حدوث الهجمات الإلكترونية على نظام إلكتروني، يكون النظام السيبراني في حالة فشل كامل دون أن يعمل الرمز “0”، وفي حالة عدم حدوث هجمات إلكترونية يكون النظام السيبراني في حالة عمل مثالية يُشار إليها بالرمز “1”، لذلك بالنسبة للوقت (t)، تحول (Lz) للهجمات السيبرانية للطبقة الإشرافية من مركز التحكم إلى وحدة التحكم المحلية (qi).

كما ويمكن صياغة طبقة الجهاز من وحدة التحكم المحلية (qi) إلى قطاع التحميل المقابل في المعادلات التالية، كذلك؛ فإن (z) هو متغير معقد يوفر طريقة شاملة لتعداد حالة النظام واستبدال الخوارزمية التوافقية المعقدة.

أسباب عدم الثقة من (Stochastic Charactristics of DSRS)

نظراً لأن (DSRs)؛ فإنه يمكن أن تشارك بنشاط في تشغيل أنظمة الطاقة، وذلك مع مراعاة الميزات العشوائية لـ (DSRs)، وخاصة الخصائص الفيزيائية للأحمال القابلة للمقاطعة، على سبيل المثال النموذج الديناميكي الحراري للأحمال التي يتم التحكم فيها حرارياُ، كما يمكن تصميم السعة الاحتياطية التي توفرها (DSRs) بواسطة متعدد نموذج الدولة.

وكما هو معروض في الشكل التالي (2)؛ فإن النموذج متعدد الحالات للقدرة الاحتياطية المتاحة لـ (DSRs) مع مراعاة الخصائص العشوائية يشكل الخصائص الفيزيائية لـ (DSRs) ومستويات مشاركة العملاء.

نموذج متعدد الحالات لـ (DSRS)

يعتمد المبلغ الفعلي للاحتياطيات من (DSRs) على مقدار الحمولة التي يمكن مقاطعتها ومستوى مشاركة العملاء، وذلك فضلاً عن العمل الجيد للأنظمة السيبرانية في جانب الطلب، وبالنظر إلى تأثيرات الأنظمة السيبرانية، على سبيل المثال حيث يتم النظر في زمن انتقال الاتصال في كلتا الطبقتين؛ فإنه يمكن تحديد الاحتياطيات الفعلية المتاحة من (DSRs) باستخدام عامل التكوين المضاعف (Ωm) في متعدد الحدود التالي.

وأخيراً تقترح هذه الدراسة إطاراً لتقييم الموثوقية يعتمد على تحويل (Lz) لأنظمة الطاقة مع (DSRs) مع مراعاة الأعطال السيبرانية بسبب الهجمات الإلكترونية وزمن انتقال الاتصالات، كما تم اقتراح نماذج متعددة الحالات لأنظمة (DSR) وأنظمة التوليد مع الأخذ في الاعتبار الأعطال السيبرانية، بحيث يتم التحقق من موثوقية النظام من خلال إجراء الإرسال الأمثل لحساب تقليص الحمولة، كما يتم عرض مؤشرات موثوقية التشغيل لأربع حالات في (IEEE RTS) المعدل بشكل كمي، حيث تم تلخيص ثلاث نتائج على النحو التالي:

• من خلال مقارنة النتائج ووقت الحساب للطريقة المقترحة وطريقة المحاكاة، بحيث يتم التحقق من فعالية الطريقة المقترحة بوضوح.

• يمكن أن تعزز السعة الاحتياطية من (DSRs) بالتأكيد موثوقية تشغيل النظام، والتي تتأثر بنسب (DSRs) والنظر في الأعطال الإلكترونية والوقت الفعلي المخصص لـ (DSRs) وظروف النظام الأولية، وفي دراسات الحالة تحسن نظام (EENS) بنسبة تصل إلى (11.33٪) مع زيادة نسب (DSRs)، ونظام (EENS) الذي يعتبر الأعطال الإلكترونية حوالي (18.73) مرة مقارنة بالنظام بدون أعطال إلكترونية.

• يمكن أن يوفر التقييم الكمي المقترح في هذه الدراسة بدلاً من التحليل النوعي قيم موثوقية متغيرة بمرور الوقت لاتخاذ القرار أثناء تشغيل أنظمة الطاقة العملية.