Инженеры Массачусетского технологического института говорят, что в ответ на кибератаку или стихийное бедствие резервная сеть децентрализованных устройств - таких как солнечные панели для жилых помещений, аккумуляторы, электромобили, тепловые насосы и водонагреватели - может восстановить подачу электроэнергии или снять нагрузку с электросети.

Такие устройства представляют собой "сетевые" ресурсы, расположенные вблизи потребителя, а не вблизи центральных электростанций, подстанций или линий электропередачи. Сетевые устройства могут независимо генерировать, сохранять или настраивать потребление энергии. В своем исследовании исследовательская группа показывает, как в один прекрасный день такие устройства могут быть задействованы либо для подачи электроэнергии в сеть, либо для ее перебалансировки путем снижения или отсрочки потребления электроэнергии.

В статье, появившейся на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, инженеры представляют план того, как сетевые устройства могут усилить энергосистему с помощью "местного рынка электроэнергии". Владельцы сетевых устройств могли бы подписаться на региональный рынок и, по сути, одолжить свое устройство, чтобы оно стало частью микросети или локальной сети энергоресурсов по вызову.

В случае, если основная энергосистема будет скомпрометирована, алгоритм, разработанный исследователями, сработает для каждого местного рынка электроэнергии, чтобы быстро определить, какие устройства в сети заслуживают доверия. Затем алгоритм определит комбинацию надежных устройств, которые наиболее эффективно устранят сбои в подаче электроэнергии, либо подавая энергию в сеть, либо уменьшая потребляемую ими мощность на величину, которую алгоритм рассчитает и сообщит соответствующим абонентам. Затем подписчики могли бы получить компенсацию через рынок, в зависимости от их участия.

Команда проиллюстрировала эту новую структуру с помощью ряда сценариев сетевых атак, в которых они рассматривали сбои на разных уровнях энергосистемы из различных источников, таких как кибератака или стихийное бедствие. Применив свой алгоритм, они показали, что различные сети устройств на границе сети способны отражать различные атаки.

Результаты демонстрируют, что сетевые устройства, такие как солнечные панели на крыше, зарядные устройства для электромобилей, аккумуляторы и интеллектуальные термостаты (для устройств ОВКВ или тепловых насосов), могут быть использованы для стабилизации электросети в случае атаки.

"Все эти небольшие устройства могут внести свой небольшой вклад в регулировку потребления энергии", - говорит соавтор исследования Ану Аннасвами, научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. "Если мы сможем использовать наши умные посудомоечные машины, панели на крыше и электромобили и приложим все усилия, мы действительно сможем создать устойчивую сетку".

Соавторами исследования из Массачусетского технологического института являются ведущий автор Вайнет Наир и Джон Уильямс, а также сотрудники из множества учреждений, включая Индийский технологический институт, Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии и другие.

Увеличение мощности

Исследование команды является продолжением их более широкой работы в области теории адаптивного управления и проектирования систем для автоматической адаптации к изменяющимся условиям. Аннасвами, возглавляющая лабораторию активно-адаптивного управления в Массачусетском технологическом институте, исследует способы повышения надежности возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия.

"Эти возобновляемые источники энергии имеют сильную временную привязку, поскольку мы точно знаем, что солнце будет заходить каждый день, а значит, солнечной энергии не хватит", - говорит Аннасвами. "Как вы восполняете этот недостаток?"

Исследователи обнаружили, что ответ может заключаться во множестве сетевых устройств, которые потребители все чаще устанавливают в своих собственных домах.

"Сейчас появляется множество распределенных энергетических ресурсов, которые находятся ближе к потребителю, а не рядом с крупными электростанциями, и это в основном из-за индивидуальных усилий по декарбонизации", - говорит Наир. "Таким образом, у вас есть все эти возможности на краю сетки. Конечно, мы должны быть в состоянии найти им хорошее применение".

Рассматривая способы борьбы с перебоями в подаче энергии из-за нормальной работы возобновляемых источников, команда также начала изучать другие причины перебоев в подаче электроэнергии, такие как кибератаки. В этих случаях злоумышленники задавались вопросом, могут ли те же самые устройства на границе сети вмешаться для стабилизации сети после непредвиденной целенаправленной атаки и каким образом.

Режим атаки

В своей новой работе Аннасвами, Наир и их коллеги разработали структуру для интеграции устройств на границе сети, и в частности, устройств Интернета вещей (IoT), таким образом, чтобы поддерживать более крупную сеть в случае атаки или сбоя. Устройства интернета вещей - это физические объекты, содержащие датчики и программное обеспечение, которые подключаются к Интернету.

Для своей новой платформы, названной EUREICA (Эффективные, сверхустойчивые, скоординированные с IoT активы), исследователи исходят из предположения, что однажды большинство сетевых устройств также станут устройствами Интернета вещей, что позволит панелям на крыше, зарядным устройствам EV и интеллектуальным термостатам подключаться по беспроводной сети к более крупной сети аналогичных устройств. независимые и распределенные устройства.

Команда предполагает, что для данного региона, такого как сообщество из 1000 домов, существует определенное количество устройств Интернета вещей, которые потенциально могут быть подключены к локальной сети региона, или микросети. Такая сеть управлялась бы оператором, который мог бы взаимодействовать с операторами других близлежащих микросетей.

Если основная энергосистема будет скомпрометирована или атакована, операторы запустят алгоритм принятия решений исследователями, чтобы определить надежные устройства в сети, которые могут подключиться, чтобы помочь смягчить атаку.

Команда протестировала алгоритм в ряде сценариев, таких как кибератака, в ходе которой все интеллектуальные термостаты определенного производителя были взломаны, чтобы одновременно повысить их уставки до такой степени, что это резко изменило энергетическую нагрузку региона и дестабилизировало электросеть. Исследователи также рассматривали атаки и погодные явления, которые могли бы прервать передачу энергии на различных уровнях и узлах по всей энергосистеме.

"В наших атаках мы учитываем потерю от 5 до 40 процентов мощности. Мы предполагаем, что некоторые узлы подверглись атаке, а некоторые все еще доступны и обладают некоторыми ресурсами Интернета вещей, будь то аккумулятор с доступной энергией или управляемое устройство EV или HVAC", - объясняет Наир. "Итак, наш алгоритм решает, какие из этих домов могут подключиться, чтобы либо обеспечить дополнительную выработку электроэнергии для подачи в сеть, либо снизить свой спрос, чтобы восполнить дефицит".

В каждом сценарии, который они протестировали, команда обнаружила, что алгоритм способен успешно стабилизировать сеть и смягчить последствия атаки или сбоя питания. Они признают, что для создания такой сети сетевых устройств потребуется поддержка клиентов, политиков и местных чиновников, а также такие инновации, как усовершенствованные инверторы мощности, которые позволяют электромобилям возвращать энергию в сеть.

"Это только первый из многих шагов, которые должны произойти в быстрой последовательности, чтобы идея местных рынков электроэнергии была реализована и расширена", - говорит Аннасвами. "Но мы считаем, что это хорошее начало".

Эта работа была частично поддержана Министерством энергетики США и Энергетической инициативой Массачусетского технологического института.