Interval-Observer-Based Attack Detection and HOCBF-Safe Control for Markov-Jump Microgrids

لم تعد شبكات الطاقة الحديثة مجرد مجموعة من الأسلاك والمولدات؛ بل هي أنظمة سيبرانية-فيزيائية معقدة حيث يرتبط التدفق الفيزيائي للكهرباء ارتباطاً وثيقاً بشبكات الاتصالات الرقمية. هذا التكامل يسمح بإدارة أذكى للطاقة، ولكنه يفتح الباب أيضاً أمام أنواع جديدة من التهديدات. فعندما تنتقل الشبكة الصغيرة (microgrid) —وهي نسخة محلية من الشبكة يمكنها العمل بشكل مستقل— بين أوضاع تشغيل مختلفة، مثل الاتصال بالشبكة الرئيسية أو العمل بمفردها باستخدام الطاقة المتجددة، يتغير سلوكها بسرعة وبشكل غير متوقع. هذه التغييرات، مقترنة بالضجيج المستمر للمستشعرات وإمكانية وقوع هجمات سيبرانية خبيثة تقوم بحقن بيانات كاذبة، تجعل من الصعب للغاية معرفة ما يحدث بالضبط داخل النظام في أي لحظة معينة. وإذا لم يتمكن النظام من تتبع حالته بدقة، فلن يتمكن من ضمان بقاء المتغيرات الحرجة، مثل التردد الكهربائي، ضمن الحدود الآمنة، مما قد يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي أو تلف المعدات.

في دراسة حديثة، تصدى باحثون في جامعة أمير كبير للتكنولوجيا لهذا التحدي عبر تطوير إطار عمل جديد مصمم للحفاظ على سلامة الشبكات الصغيرة غير المستقرة والمعرضة للهجمات المحتملة. ويتضمن جوهر عملهم فكرتين رئيسيتين تعملان جنباً إلى جنب: طريقة لتقدير حالة النظام بحدود مضمونة، ومرشح سلامة يعمل كحارس أخير لمنع النظام من الدخول في منطقة خطرة. وبدلاً من محاولة تحديد الحالة المتقلبة والدقيقة للشبكة، وهو أمر مستحيل غالباً بسبب التغيرات الخفية والضجيج، صمم الباحثون "مراقباً فتراتياً" (interval observer). فكر في هذا ليس كمجرد تخمين واحد، بل كصندوق يتقلص ويتوسع، وهو مضمون رياضياً لاحتواء الحالة الحقيقية للنظام، بغض النظر عن كيفية تبديل الشبكة لأوضاعها أو مقدار الضجيج الذي يتدخل. وإذا حاول مهاجم سيبراني حقن بيانات كاذبة، فإن هذا الصندوق سيفشل في النهاية في احتواء القياسات، مما يؤدي إلى إطلاق إنذار فوري.

اختبر الباحثون نهجهم على محاكاة رقمية لشبكة صغيرة تنتقل بين ثلاثة أنظمة تشغيل مختلفة: التشغيل القياسي المتصل بالشبكة، ونمط التشغيل مع نفاذ عالٍ للطاقة المتجددة، ونمط الجزيرة ذو الحمل الثقيل. وقاموا ببرمجة النظام للتبديل بين هذه الحالات عشوائياً، ولكن مع قاعدة تقضي بضرورة البقاء في نمط واحد لمدة ثلاث خطوات على الأقل قبل التغيير مرة أخرى، لمحاكاة القيود التشغيلية في العالم الحقيقي. كما أدخلوا هجوماً سيبرانياً محدداً حيث تم حقن بيانات كاذبة في حلقة التحكم الخاصة بالنظام لمدة خمسين خطوة زمنية. وأظهرت النتائج أن المراقب الفتراتي نجح في إبقاء الحالة الحقيقية للشبكة محاصرة داخل حدودها العليا والدنيا المحسوبة طوال فترة المحاكاة بأكملها، حتى مع تبديل النظام لأنماطه وبدء الهجوم.

ومن الأهمية بمكان أن النظام اكتشف الهجوم في اللحظة التي دفعت فيها البيانات الكاذبة القياسات خارج الصندوق الآمن والمتوقع. وفي هذه المحاكاة المحددة، انطلق الإنذار فوراً دون أي تأخير، ولم يتم إطلاق أي إنذارات كاذبة خلال مئات الخطوات من التشغيل الطبيعي. هذا الكشف الحتمي يمثل اختلافاً كبيراً عن الطرق القديمة التي تعتمد على الاحتمالات، والتي يمكن أن تخطئ أحياناً في رصد الهجمات الدقيقة أو تطلق إنذارات كاذبة بسبب الضجيج العشوائي. وبمجرد اكتشاف الهجوم، تولى الجزء الثاني من إطار عملهم، وهو مرشح سلامة يعتمد على دوال حاجز التحكم عالية الرتبة، زمام الأمور. يعمل هذا المرشح مثل مكبح ذكي، حيث يعدل مدخلات التحكم بقدر كافٍ لضمان عدم تجاوز التردد الكهربائي للحد الآمن البالغ 0.08 لكل وحدة، حتى أثناء نشاط الهجوم. وقد نجح النظام في إبقاء انحراف التردد عند ذروة قدرها 0.0621 فقط، مما ترك هامش أمان مريحاً.

تثبت هذه الدراسة أنه من الممكن تصميم أنظمة تحكم للشبكات الكهربائية المعقدة والمتغيرة التي لا تحتاج إلى معرفة الوضع التشغيلي الحالي بدقة لتبقى آمنة ومحمية. فمن خلال استخدام مراقب ثابت ومستقل عن النمط لإنشاء غلاف مضمون من عدم اليقين، أظهر الباحثون أنه يمكنهم اكتشاف الاختراقات الخبيثة بيقين وفرض قواعد سلامة صارمة دون الحاجة إلى حل مشكلات تحديد الهوية المعقدة في الوقت الفعلي. وبينما تم تحقيق هذه النتائج من خلال محاكاة حاسوبية عالية الدقة بدلاً من الاختبارات على أجهزة مادية، فإن البراهين الرياضية الواردة في الورقة البحثية تؤكد أن النظام يظل مستقراً وآمناً تحت الظروف المحددة التي تمت نمذجتها. ويقدم هذا العمل مساراً واعداً لتأمين الجيل القادم من شبكات الطاقة المرنة والغنية بالطاقة المتجددة ضد التحديات المزدوجة المتمثلة في التبديل غير المتوقع والتهديدات السيبرانية المتطورة.