Güç sistemlerinde hizmet engelleme saldırıları ve giriş zaman gecikmelerine karşı hibrit kontrol stratejileri ile kararlılık ve dayanıklılık artırma
Enhancing stability and resilience with hybrid control strategies against denial-of-service attacks and input delays in power systems
Yazar: UMUTCAN YİĞİT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET NACİ METE ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SERHAT OBUZ
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Kumanda Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Güç sistemleri; enerjinin üretimi, iletimi, dağıtımı ve tüketimini daha güvenilir ve verimli hale getirmek amacıyla bilgi-iletişim teknolojileri (BİT) ve yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonu ile sürekli olarak gelişmektedir. Günümüzde akıllı elektrik şebekeleri (AEŞ) daha yenilikçi bir mimariye dönüşmekte, ancak BİT'nin doğasında bulunan güvenlik açıkları sebebiyle avantajlarının yanı sıra güvenlik endişelerini de ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenle güç sistemlerinin kararlılığı ve esnekliği için kontrol stratejilerinin, entegre akıllı teknolojilerdeki gelişmelere paralel olarak iyileştirilmesi ve siber farkındalıklı gürbüz denetleyicilerin tasarlanması gerekmektedir.

Bu çalışmada; büyük bozucu bir arıza sonrası, salınım denklemleri doğrusal olmayan ve parametrik belirsizlikler içeren senkron generatörlerin (SG), geçici kararlılık ve frekans-gerilim regülasyonlarını iyileştirmek için dağıtık enerji depolama sistemlerini (DEDS) yapısında barındıran bir denetleyici çerçevesi tasarımı sunulmuştur. Bu sayede hizmet engelleme (DoS) tarzı siber saldırılar sonrası meydana gelebilen, bilinmeyen zamanla değişen aşırı giriş ve iletişim gecikmeleri ile siber-fiziksel diğer bozucu bileşenlerin etkilerini azaltmak amaçlanmıştır. Daha gerçekçi bir bakış açısının benimsenmesi amacıyla DEDS'lerin maksimum güç çıkış kapasitelerinin sınırlı olduğu varsayılmıştır. Bu varsayım doğrultusunda, doğrusal olmayan kontrol teknikleri kullanılarak, doyuma dayalı bir yaklaşım ile dağıtık hibrit tabanlı gürbüz bir denetleyici tasarlanmıştır. Denetleyicinin çalışma mekanizması, komşu SG'lerden veri akışının belirlenen zaman diliminde veya öngörülen eşik değerinde gerçekleşmediği durumlarda, dağıtık tabanlı denetleyicinin merkezi olmayan (yerel) başka bir denetleyiciye anahtarlama algoritmasıyla geçişi üzerine kurgulanmıştır.

Kararlılığın, tüm kontrol sistemlerinde ilk aranacak gereksinim olmasından dolayı tasarlanan denetleyici çerçevesinin kararlılığını kanıtlamak için Lyapunov tabanlı kararlılık analiz yöntemleri kullanılmıştır. Denetleyici çerçevesinin performansı, öncelikle MATLAB/Simulink ortamında  çevrim dışı yazılımsal benzetim (YB) çalışmaları yapılarak sınanmıştır. Ardından denetleyicinin gerçek güç sistemi uygulamalarında sorunsuz çalışabildiğini göstermek adına, OPAL-RT firmasının OP4510 model numaralı gerçek zamanlı simülatöründe, gerçek zamanlı döngüde yazılımsal benzetim (DYB) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Deneysel benzetim çalışmaları neticesinde elde edilen sonuçlarda, denetleyici çerçevesinin fizibilitesi doğrulanmış ve gerçekçi siber-fiziksel kısıtlar altında denetleyicinin sağlamlığı kanıtlanmıştır.
 
Gelecek yıllarda BİT'nin ve düşük ataletli yenilenebilir enerji kaynaklarının, güç sistemlerine giderek daha da fazla entegre edileceği göz önünde bulundurulursa, bu durumun AEŞ'de belirsizlikleri artıracağı, güvenlik ve kararlılık sorunlarını daha büyük bir sıklıkla karşımıza çıkaracağı aşikardır. İlgili sorunlar düşünüldüğünde, bu tez çalışmasının bilgi güvenliği konusuna; AEŞ'ye otomatik tepki verebilme yetisi kazandırılması ve zafiyet analizi, siber saldırıların savunulması ve etkilerinin önlenmesi konularında değer katacağı düşünülmektedir. Enerji depolama sistemleri alanına ise daha iyi enerji yönetiminin sağlanması ve verimlilik konularında katkı sağlayacağı öngörülmektedir.

Abstract:
Power systems are continuously evolving with the integration of information and communication technologies (ICT) and renewable energy sources to make the generation, transmission, distribution and consumption of energy more reliable and efficient. Nowadays, smart electricity grids (SEGs) are evolving into a more innovative architecture, but the inherent vulnerabilities of ICTs raise security concerns as well as advantages. Therefore, for the stability and resilience of power systems, control strategies need to be improved in parallel with the advances in integrated smart technologies and cyber-aware robust controllers need to be designed.

In this study, we present the design of a controller framework that incorporates distributed energy storage systems (DESS) to improve the transient stability and frequency-voltage regulation of synchronous generators (SGs) with nonlinear swing equations and parametric uncertainties after a major disruptive fault. This is intented to mitigate the effects of unknown time-varying excessive input and communication delays and other cyber-physical disruptive components that can ocur after a Denial-of-Service (DoS) cyber attack. In order to adopt a more realistic perspective, the maximum power output capacities of DESSs are assumed to be limited. Under this assumption, a distributed hybrid-based robust controller is designed using nonlinear control techniques with a saturation-based approach. The controller's operation mechanism is based on the switching of the distributed controller to another decentralized (local) controller with a switching algorithm when the data flow (of communication) from neighboring SGs does not occur within the specified time period or at the specified threshold value.

Since stability is the first requirement of any control system, Lyapunov-based stability analysis methods are used to prove the stability of the designed controller framework. The performance of the controller framework is first tested by performing offline software simulation (SS) studies in MATLAB/Simulink environment. Then, in order to show that the controller can operate smoothly in real power system applications, real-time software-in-the-loop simulation (SILS) studies were carried out in the real-time simulator with model number OP4510 of OPAL-RT. The results of the experimental simulations validate the feasibility of the controller framework and prove the robustness of the controller under realistic cyber-physical constraints. 

Considering that ICT and low-inertia renewable energy sources will be integrated more and more into power systems in the coming years, it is obvious that this will increase the uncertainties in SEG, and security and stability issues will arise more frequently. Given the related issues, this thesis is expected to add value to the subject of information security in the areas of automatic response capability and vulnerability analysis, defense and prevention of cyber-attacks. In the field of energy storage systems, it is expected to contribute to better energy management and efficiency.