ماذا لو وقع هجوم إلكتروني أو كارثة طبيعية تهدد شبكة الكهرباء؟

أظهرت دراسة جديدة أن هناك الكثير من الإمكانات غير المستغلة في منازلنا ومركباتنا والتي يمكن تسخيرها لتعزيز شبكات الطاقة المحلية وجعلها أكثر قدرة على الصمود في مواجهة الانقطاعات غير المتوقعة.

يقول مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إنه في حالة وقوع هجوم إلكتروني أو كارثة طبيعية، يمكن لشبكة احتياطية من الأجهزة اللامركزية – مثل الألواح الشمسية السكنية، والبطاريات، والمركبات الكهربائية، ومضخات الحرارة، وسخانات المياه – استعادة الكهرباء أو تخفيف الضغط على الشبكة.

مثل هذه الأجهزة هي موارد “على حافة الشبكة” توجد بالقرب من المستهلك وليس بالقرب من محطات الطاقة المركزية أو محطات التحويل أو خطوط النقل.

يمكن للأجهزة على حافة الشبكة توليد أو تخزين أو ضبط استهلاكها للطاقة بشكل مستقل.

في دراستهم، يوضح فريق البحث كيف يمكن الاستعانة بمثل هذه الأجهزة ذات يوم إما لضخ الطاقة إلى الشبكة، أو إعادة توازنها عن طريق تقليل أو تأخير استخدامها للطاقة.

” سوق كهرباء محلية “

في ورقة بحثية ظهرت هذا الأسبوع في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، قدم المهندسون مخططًا تفصيليًا لكيفية تمكين الأجهزة المتصلة بالشبكة من تعزيز شبكة الطاقة من خلال ” سوق كهرباء محلية “.

يمكن لأصحاب الأجهزة المتصلة بالشبكة الاشتراك في سوق إقليمية وإقراض أجهزتهم لتكون جزءًا من شبكة صغيرة أو شبكة محلية من موارد الطاقة عند الطلب.

وفي حالة تعرض شبكة الكهرباء الرئيسية للخطر، سيتم تفعيل خوارزمية طورها الباحثون لكل سوق كهرباء محلي، لتحديد الأجهزة الموثوقة في الشبكة بسرعة.

وبعد ذلك، تعمل الخوارزمية على تحديد مجموعة الأجهزة الجديرة بالثقة والتي من شأنها أن تخفف من انقطاع التيار الكهربائي على نحو أكثر فعالية، إما عن طريق ضخ الطاقة إلى الشبكة أو تقليل الطاقة التي تستهلكها، بمقدار تحسبه الخوارزمية وتبلغ به المشتركين المعنيين.

ومن الممكن بعد ذلك تعويض المشتركين من خلال السوق، اعتمادًا على مشاركتهم.

وقد أوضح الفريق هذا الإطار الجديد من خلال عدد من سيناريوهات الهجوم على الشبكة، حيث نظروا في حالات الفشل على مستويات مختلفة من شبكة الطاقة، من مصادر مختلفة مثل الهجوم الإلكتروني أو الكوارث الطبيعية. وبتطبيق الخوارزمية الخاصة بهم، أظهروا أن شبكات مختلفة من الأجهزة المتصلة بالشبكة كانت قادرة على حل الهجمات المختلفة.

وتوضح النتائج، أن الأجهزة المتصلة بالشبكة مثل الألواح الشمسية على الأسطح، وشواحن السيارات الكهربائية، والبطاريات، وأجهزة ضبط الحرارة الذكية (لأجهزة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء أو مضخات الحرارة) يمكن الاستفادة منها لتحقيق الاستقرار في شبكة الطاقة في حالة وقوع هجوم.

تسخير غسالات الصحون الذكية والألواح الشمسية، والمركبات الكهربائية

يقول أنو أناسوامي، الباحث العلمي في قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمشارك في تأليف الدراسة: “يمكن لكل هذه الأجهزة الصغيرة، أن تلعب دورها في ضبط استهلاكها، وإذا تمكنا من تسخير غسالات الصحون الذكية، والألواح الشمسية، والمركبات الكهربائية، ووضع جهودنا المشتركة في خدمة هذه الغاية، فيمكننا أن نمتلك شبكة مرنة حقًا”.

ويضم فريق الباحثين المشاركين في الدراسة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا المؤلف الرئيسي فينيت ناير وجون ويليامز، إلى جانب زملاء من مؤسسات متعددة بما في ذلك المعهد الهندي للتكنولوجيا، والمختبر الوطني للطاقة المتجددة، وأماكن أخرى.

تعزيز الطاقة

وتعد دراسة الفريق امتدادًا لعملهم الأوسع في نظرية التحكم التكيفي وتصميم أنظمة للتكيف تلقائيًا مع الظروف المتغيرة.

ويستكشف أناسوامي، الذي يقود مختبر التحكم التكيفي النشط في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، طرقًا لتعزيز موثوقية مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية.

يقول أناسوامي: “تتمتع هذه الطاقات المتجددة بتوقيع زمني قوي، حيث نعلم على وجه اليقين أن الشمس ستغرب كل يوم، وبالتالي فإن الطاقة الشمسية سوف تختفي. فكيف نعوض هذا النقص؟”

توصل الباحثون إلى أن الإجابة قد تكمن في العديد من الأجهزة المتصلة بالشبكة والتي يقوم المستهلكون بشكل متزايد بتثبيتها في منازلهم.

يقول ناير: “هناك الكثير من مصادر الطاقة الموزعة التي تظهر الآن، أقرب إلى العملاء وليس بالقرب من محطات الطاقة الكبيرة، ويرجع ذلك في الأساس إلى الجهود الفردية لإزالة الكربون، لذا، لديك كل هذه الإمكانات على حافة الشبكة، بالتأكيد يجب أن نكون قادرين على استخدامها بشكل جيد”.

وبينما كان الفريق يدرس سبل التعامل مع انخفاض الطاقة الناجم عن التشغيل العادي للمصادر المتجددة، بدأ أيضاً في البحث عن أسباب أخرى لانخفاض الطاقة، مثل الهجمات الإلكترونية.

وتساءل الفريق، في هذه الحالات الخبيثة، عما إذا كانت نفس الأجهزة الموجودة على حافة الشبكة قادرة على التدخل لتثبيت الشبكة بعد هجوم مستهدف غير متوقع، وكيف يمكن تحقيق ذلك.

وضع الهجوم

في عملهم الجديد، طور أناسوامي ونير وزملاؤهما إطار عمل لدمج أجهزة حافة الشبكة، وخاصة أجهزة إنترنت الأشياء (IoT)، بطريقة من شأنها دعم الشبكة الأكبر في حالة وقوع هجوم أو خلل. أجهزة إنترنت الأشياء هي أشياء مادية تحتوي على أجهزة استشعار وبرامج متصلة بالإنترنت.

بالنسبة لإطار عملهم الجديد، المسمى EUREICA (أصول فعالة ومرنة للغاية ومنسقة مع إنترنت الأشياء)، يبدأ الباحثون بالافتراض أنه في يوم من الأيام، ستكون معظم الأجهزة المتصلة بالشبكة أيضًا أجهزة إنترنت الأشياء، مما يتيح للألواح الموجودة على الأسطح، وشواحن السيارات الكهربائية، وأجهزة ضبط الحرارة الذكية الاتصال لاسلكيًا بشبكة أكبر من الأجهزة المستقلة والموزعة على نحو مماثل.

ويتصور الفريق أنه بالنسبة لمنطقة معينة، مثل مجتمع يضم 1000 منزل، يوجد عدد معين من أجهزة إنترنت الأشياء التي يمكن إدراجها في الشبكة المحلية للمنطقة، أو الشبكة الصغيرة.

وسيتم إدارة هذه الشبكة بواسطة مشغل، وسيكون قادرًا على التواصل مع مشغلي الشبكات الصغيرة الأخرى القريبة.

إذا تم اختراق شبكة الطاقة الرئيسية أو مهاجمتها، فسيقوم المشغلون بتشغيل خوارزمية اتخاذ القرار الخاصة بالباحثين لتحديد الأجهزة الجديرة بالثقة داخل الشبكة والتي يمكن أن تساعد في التخفيف من حدة الهجوم.

وقد اختبر الفريق الخوارزمية على عدد من السيناريوهات، مثل الهجوم الإلكتروني الذي يتم فيه اختراق جميع منظمات الحرارة الذكية التي تصنعها شركة معينة لرفع نقاط ضبطها في وقت واحد إلى درجة تغير بشكل كبير حمل الطاقة في المنطقة وتزعزع استقرار الشبكة.

كما نظر الباحثون في الهجمات والأحداث الجوية التي من شأنها إيقاف نقل الطاقة على مستويات وعقد مختلفة في جميع أنحاء شبكة الطاقة .

إعادة استقرار الشبكة بنجاح وتخفيف الهجوم

يوضح ناير “في هجماتنا، نأخذ في الاعتبار فقدان ما بين 5 و40% من الطاقة، ونفترض أن بعض العقد تتعرض للهجوم، وأن بعضها لا يزال متاحًا ولديه بعض موارد إنترنت الأشياء، سواء كانت بطارية بها طاقة متاحة أو سيارة كهربائية أو جهاز تكييف وتدفئة يمكن التحكم فيه”، “لذا، تقرر خوارزميتنا أي من هذه المنازل يمكنها التدخل لتوفير توليد طاقة إضافي لحقنه في الشبكة أو تقليل الطلب عليها لتلبية العجز”.

وفي كل سيناريو اختبروه، وجد الفريق أن الخوارزمية كانت قادرة على إعادة استقرار الشبكة بنجاح وتخفيف الهجوم أو انقطاع التيار الكهربائي. وهم يعترفون بأن إنشاء مثل هذه الشبكة من الأجهزة المتصلة بالشبكة سيتطلب موافقة العملاء وصناع السياسات والمسؤولين المحليين، فضلاً عن الابتكارات مثل محولات الطاقة المتقدمة التي تمكن المركبات الكهربائية من إعادة ضخ الطاقة إلى الشبكة.

يقول أناسوامي: “هذه ليست سوى الخطوة الأولى من بين العديد من الخطوات التي يجب اتخاذها في تتابع سريع لتنفيذ فكرة أسواق الكهرباء المحلية وتوسيع نطاقها. لكننا نعتقد أنها بداية جيدة”.