A hybrid framework for the cyber resilience enhancement of frequency control in smart grids
Authors: Συρμακέσης Ανδρέας-Δωρόθεος 
Published: September 2024

Τα σύγχρονα συστήματα ενέργειας υποβάλλονται σε συνεχή ψηφιοποίηση για πιο αξιόπιστη, ασφαλή και φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία. Ωστόσο, αυτή η εξέλιξη εκθέτει τα ηλεκτρικά δίκτυα σε μια ευρεία γκάμα ψηφιακών απειλών, καθιστώντας τα ευάλωτα σε κυβερνοεπιθέσεις. Αυτές οι κακόβουλες δραστηριότητες επηρεάζουν κυρίως τα συστήματα παρακολούθησης και ελέγχου των έξυπνων ενεργειακών υποδομών. Ένας από τους πιο θεμελιώδεις αυτοματισμούς των ενεργειακών συστημάτων είναι ο έλεγχος φορτίου-συχνότητας (LFC), που είναι υπεύθυνος για τη διατήρηση του ισοζυγίου ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό σύστημα, προσαρμόζοντας απομακρυσμένα την παραγωγή των ελεγχόμενων γεννητριών. Η κρισιμότητα του LFC τον καθιστά πρωταρχικό στόχο για τους επιτιθέμενους. Εμπνευσμένη από αυτή την απειλή, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα νέο πλαίσιο επιπέδων προστασίας που ανιχνεύουν, εντοπίζουν, εκτιμούν και μετριάζουν τον αντίκτυπο των κυβερνοεπιθέσεων εναντίον του LFC. Για κάθε επίπεδο, σχεδιάζεται τόσο μία προσέγγιση βασισμένη σε μοντέλα όσο και μία προσέγγιση βασισμένη σε δεδομένα, διαμορφώνοντας έτσι ένα υβριδικό πλαίσιο που αυξάνει την κυβερνοανθεκτικότητα του LFC. Τα κριτήρια για την επιλογή της κατάλληλης μεθοδολογίας σε κάθε επίπεδο καθορίζονται σύμφωνα με τις προδιαγραφές του συστήματος. Το μέρος του προτεινόμενου υβριδικού πλαισίου που βασίζεται σε μοντέλα χρησιμοποιεί κυρίως έναν ειδικό τύπο μαθηματικών συστημάτων γνωστών ως παρατηρητές κατάστασης. Οι σχετικές μεθοδολογίες ανίχνευσης και εντοπισμού χρησιμοποιούν καινοτόμα ζεύγη παρατηρητών ολίσθησης (SMOs) και παρατηρητών Luenberger για την ταυτοποίηση κυβερνοεπιθέσεων εναντίον του LFC. Το κύριο πλεονέκτημα αυτών των μεθοδολογιών είναι η ικανότητά τους να διακρίνουν τις κυβερνοεπιθέσεις από άλλους τύπους εξωτερικών διαταραχών. Σχετικά με τα κατώφλια ανίχνευσης επιθέσεων, έχει επιλεγεί ένας προσαρμοστικός σχεδιασμός για την ελαχιστοποίηση των ψευδών συναγερμών. Μετά τον καθορισμό των σημάτων LFC που έχουν αλλοιωθεί, πραγματοποιείται η προτεινόμενη τεχνική εκτίμησης επίθεσης. Αυτή η μέθοδος προσεγγίζει τα χαρακτηριστικά των ταυτοποιημένων κυβερνοεπιθέσεων χρησιμοποιώντας έναν καινούργιο συνδυασμό SMO και παρατηρητών αγνώστου εισόδου. Στη συνέχεια, οι εκτιμώμενες επιθέσεις τροφοδοτούνται στον προτεινόμενο ανθεκτικό-σε-επιθέσεις έλεγχο για την εξουδετέρωση των επιπτώσεων των κακόβουλων δραστηριοτήτων στο εξεταζόμενο σύστημα. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις εκτίμησης και μετριασμού των κυβερνοεπιθιθέσεων που βασίζονται σε παρατηρητές χρησιμοποιούν τη μέθοδο Η∞ για την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων των εξωτερικών διαταραχών στην απόδοσή τους. Οι τεχνικές του προτεινόμενου υβριδικού πλαισίου που βασίζονται σε δεδομένα εφαρμόζουν προηγμένους αλγόριθμους βαθιάς μάθησης για την ενίσχυση της κυβερνοανθεκτικότητας του LFC. Για τις αντίστοιχες μεθοδολογίες ανίχνευσης και εντοπισμού, εκπαιδεύεται ένας αυτοκωδικοποιητής (autoencoder) σε χρονοσειρές που αντιπροσωπεύουν φυσιολογικές καταστάσεις του LFC. Μετά τη διαδικασία εκπαίδευσης, το μοντέλο μπορεί να αναπαράγει με υψηλή ακρίβεια τα δεδομένα εισόδου που αντιστοιχούν σε κανονική λειτουργία, ενώ αποτυγχάνει να πετύχει τον ίδιο στόχο κατά τη διάρκεια μιας κυβερνοεπίθεσης. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τον αυτοκωδικοποιητή κατάλληλο δείκτη εντοπισμού κυβερνοεπιθέσεων. Στη συνέχεια, ένα βαθύ νευρωνικό δίκτυο (DNN) χρησιμοποιείται για τις αντίστοιχες προτεινόμενες προσεγγίσεις εκτίμησης και μετριασμού κυβερνοεπιθέσεων που βασίζονται σε δεδομένα. Το DNN εκπαιδεύεται σε δεδομένα που αντικατοπτρίζουν τη φυσιολογική λειτουργία του LFC για την εκτίμηση των υγιών σημάτων ελέγχου μέσω επιλεγμένων μετρήσεων πεδίου. Το εκπαιδευμένο DNN εγκαθίσταται στη συνέχεια στο κέντρο ελέγχου, μαζί με εφεδρικά κανάλια επικοινωνίας που μεταφέρουν τις μετρήσεις αισθητήρων και τα εκτιμώμενα σήματα ρύθμισης. Όταν εντοπίζεται επίθεση στο σύστημα, ο αρχικός έλεγχος απορρίπτεται προσωρινά και αντικαθίσταται από το προτεινόμενο DNN, επιτρέποντας την αδιάλειπτη λειτουργία του LFC ακόμη και υπό κυβερνοεπιθέσεις. Για την αξιολόγηση της απόδοσης των σχεδιασμένων επιπέδων κυβερνοάμυνας, πραγματοποιείται μια σειρά λεπτομερών πειραμάτων. Αρχικά, η αποτελεσματικότητα και η επεκτασιμότητα των προτεινόμενων μεθοδολογιών δοκιμάζονται σε διάφορα πειραματικά σενάρια αυξανόμενης πολυπλοκότητας. Για τη μοντελοποίηση του LFC σε αυτά τα σενάρια έχουν ληφθεί υπόψη αρκετά πρακτικά χαρακτηριστικά, όπως μη γραμμικότητες, γραμμές διασύνδεσης υψηλής τάσης (HVDC), γραμμές διασύνδεσης ελέγχου φάσης θυρίστορ (TCPS), διαταραχές λόγω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (RES) κ.λπ., για την προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος σε πιο πραγματικές συνθήκες. Η απόδοση των προτεινόμενων μεθοδολογιών σε ρεαλιστικά περιβάλλοντα διερευνάται περαιτέρω μέσω τεχνικών λογισμικού/υλικού-σε-βρόχο (SITL/HITL). Στη συνέχεια, η ανθεκτικότητα των παρουσιαζόμενων προσεγγίσεων έναντι διαφόρων αβεβαιοτήτων του συστήματος, όπως αστοχίες στους υπολογισμούς των παραμέτρων του συστήματος, θορυβώδεις συνθήκες, χρονοκαθυστερήσεις κ.λπ., αξιολογείται αριθμητικά. Τέλος, τα προτεινόμενα επίπεδα κυβερνοάμυνας συγκρίνονται με άλλες, σύγχρονες ερευνητικές μεθόδους για να αναδειχθούν η συνεισφορά και οι καινοτομίες της παρούσας διατριβής.