Decision-Dependent Adversarial Planning for Cyber-Resilient Solar-Rich Power Grids
本文介绍了一种决策依赖型对抗贝叶斯优化（DD-ABO）框架，该框架通过整合全年模拟和针对特定候选方案的攻击评估来优化太阳能与电池储能规划，并证明了通过策略性地实现部署结构的多元化，可以在不需要大量额外资本投入的情况下，显著增强针对最坏情况攻击的网络韧性。
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现代电网正在经历一场悄无声息的变革。几十年来，电力一直沿单一方向流动：从大型集中式发电厂流向家庭和企业。如今，这种流动正在发生变化。屋顶太阳能电池板和大型太阳能电站正在产生全球日益增长份额的电力，使电网变成了一个由数百万个小型发电机组成的庞大分布式网络。这种转变对于实现更清洁的未来至关重要，但也带来了一种新型的脆弱性。随着这些太阳能系统变得更加数字化并接入互联网以管理其输出，它们也变得容易受到攻击者的攻击。正如一栋拥有更多门窗的房子为入侵者提供了更多进入途径一样，一个充满联网太阳能电池板的电网也为网络威胁提供了更多的切入点。工程师面临的挑战不再仅仅是建造足够的电力，而是设计一个能够抵御数字攻击而不至于崩溃的系统。
浙江大学和布里斯托大学的研究人员通过改变我们规划未来的方式来解决这一问题。他们没有将网络攻击视为建成系统后发生的随机事件，而是提出了一个不同的问题：如果我们构建系统的方式本身就决定了它被攻击的难易程度，情况会怎样？他们的研究表明，在规划阶段所做的选择——谁供应设备、设备放在哪里以及如何连接——既可能招致灾难，也可能创造出一种天然的防御。通过模拟一年的电力运行情况，并将虚拟攻击者与不同的电网设计进行对抗，他们发现韧性不仅仅在于增加更多的备用电池或更强大的防火墙。它关乎系统的架构本身。
该团队专注于一种富含太阳能的特定类型电网，这种设置产生了一种被称为“鸭子曲线”的独特每日节奏。在一天之中阳光最充足的中午，太阳能电池板产生的电力非常多，以至于对传统发电厂的电力需求大幅下降。但随着傍나太阳西下，太阳能输出逐渐减弱，而人们回到家中并开启灯具和电器，导致需求出现陡峭且突然的激增。这个过渡期是电网压力最大的时期。研究人员发现，这同时也是网络攻击最危险的时期。在他们的模拟中，最具破坏性的攻击并非随机发生；它们始终瞄准那个系统恢复灵活性最低的关键傍晚时段。
为了找到保护电网的最佳方法，研究人员开发了一种新的规划工具，其作用类似于规划者与攻击者之间的策略博弈。在这场游戏中，规划者决定在哪里安装太阳能电池板和蓄电池，使用哪些供应商的设备，以及如何连接它们。随后，攻击者则试图寻找该特定设计中的最薄弱环节，以造成最大的破坏。至关重要的是，攻击者的选择取决于规划者的决策。如果规划者将来自同一制造商的所有太阳能电池板集中在一个区域，攻击者只需攻破那一个供应商即可瘫痪很大一部分电网。如果规划者将电池板分散在不同区域并使用来自多个不同制造商的设备，攻击者面临的任务就会变得困难得多。
研究显示，最具韧性的设计是从这一过程中自然产生的。最好的计划并不依赖于单纯购买更多设备或在维护上投入更多资金。相反，它们依赖于多样性。最安全的配置将太阳能资源分散在不同的地理区域，并使用来自各种供应商的混合设备。这种方法意味着，如果攻击者破坏了系统的某一部分，破坏会被控制在局部，且不会轻易扩散到整个网络。这是一种内置于电网布局本身的结构性免疫。
当研究人员将他们的新方法与传统的规划方法进行比较时，差异非常显著。传统方法忽略了设计与网络风险之间的联系，产生的规划方案具有高度的脆弱性。在模拟中，新方法将最坏情况下的网络攻击潜在破坏力降低了80.2%，并将无法供应的电量减少了85.0%。值得注意的是，这种大规模的安全提升并没有带来显著的成本增加。年度投资和维护费用与传统计划几乎持平。唯一的代价是在正常、非攻击状态下运行电网的成本略有增加，研究人员认为，为了获得的安全性，这个代价是非常值得的。
这些发现挑战了工程学领域的一个普遍假设：即安全是事后添加的东西，就像门上的锁一样。这项研究表明，对于富含太阳能的电网而言，安全性是系统构建方式的一个基本属性。通过在资产放置位置和采购对象方面做出明智的选择，规划者可以创造出一个本质上更难被攻破的电网。这项工作表明，随着世界继续向可再生能源转型，通往安全未来的路径不在于建造更大的堡垒，而在于设计出更聪明、更多样化的网络，以抵御那些必然出现的破坏尝试。
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