マイクログリッドにおけるサイバーフィジカルレジリエンスのテスト

スマートグリッドシステムの未来を守る

小規模な電力網であるマイクログリッドは、独立して、またはメイングリッドと連携して運用できます。
ただし、このケーススタディで示されているように、オンライン接続には重大なセキュリティ上の脆弱性が伴います。
マイクログリッドは、太陽光パネル、風力タービン、バッテリーなどの分散型エネルギーリソース (DER) を管理するために、通信および制御システムを一元的に利用しています。
残念ながら、これらのシステムもサイバー攻撃の影響を受けやすく、マイクログリッドの機能とパフォーマンスが危険にさらされています。
国際エネルギー機関の最近のレポートによると、2020年から2022年にかけて、世界中で毎週の公益事業に対するサイバー攻撃の平均件数が2倍以上に増加し、昨年は毎週1,101件の攻撃が記録されました。
偽のデータインジェクション、サービス拒否、悪意のある制御コマンドなどのサイバー脅威は、時には国家が支援するデータテロリズムも含め、深刻なリスクをもたらします。
その結果、停電、機器の損傷、周波数と電圧の不安定性などが生じます。
これらのミニネットワークは日常業務に不可欠な役割を果たしているため、専用の警戒型ソフトウェアなどの強化されたセキュリティ対策が必須となっています。
したがって、マイクログリッドへのサイバー攻撃のシミュレーションは、そのような攻撃の潜在的な影響を理解し、検出および緩和戦略を開発またはテストする上で極めて重要になります。
最も重要なのは、シミュレーションにより、実際の電力システムに影響を与えることなく、さまざまなシナリオと攻撃ベクトルを評価するための安全で費用対効果の高い手段が提供されることです。
この目的のために、ハードウェアインザループ（HIL）、デジタルリアルタイムシミュレータ、サイバーフィジカルエミュレータなどの技術を採用したさまざまなシミュレーションツールとテストベッドが考案されています。
これらのツールは、マイクログリッドの物理層とサイバー層をモデル化できるため、さまざまなサイバー攻撃とマイクログリッド運用への影響をシミュレーションできます。
このケースでは、HIL 開発プロセスとプラットフォームを使用して、サイバー攻撃の対象となるマイクログリッド コントローラーの設計について詳しく調べます。
このケース スタディでは、潜在的なサイバー脅威に対してマイクログリッド コントローラーを強化する複雑なプロセスを明らかにし、スマート グリッド システムの全体的な回復力の向上に貢献します。

チームの紹介

課題

マイクログリッド コントローラが攻撃を受ける

HIL 開発イニシアチブに携わる研究グループは、20 年にわたる電力システム シミュレーションの専門知識を活用し、 最近、リアルタイム HIL シミュレーションを可能にするために研究所のコア施設がアップグレードされました。
多様な研究に不可欠な HIL 施設は、リレー保護システムに重点を置いており、IEC 61850 ベースのシステム テスト用の保護、自動化、通信 (PAC) 機器の独自のセットアップを備えています。
研究所には、インバータ ベースの DER 制御に関する詳細な研究のためのパワー エレクトロニクス施設もあります。
さらに、高電圧研究所では、誘電体絶縁破壊、部分放電調査、インパルス テストなどの重要なテストを実施しています。

フィンランドのヴァーサにある画期的なセキュリティ ラボは、北ヨーロッパで初めての施設として、OPAL-RT の HYPERSIM 電力システム シミュレーション プラットフォームと Keysight の EXata CPS ネットワーク シミュレーション プラットフォームの使用を先導しています。
脆弱性とサイバー防御に対するサイバー攻撃のシミュレーション ライブラリを備えた EXata CPS は、重要な通信ネットワークの回復力を効果的に分析およびテストするために使用されます。
EXata CPS などのツールを使用すると、顧客は管理しやすいラボ環境で特定の環境を視覚化し、さまざまな「what if」シナリオを迅速に評価して、サイバー攻撃を受けた場合にシステムに与える影響を判断できます。

この研究を推進するパートナー

構成

高度なラボ環境では、IEC 61850 ベースの保護システムの教育、テスト、トレーニング専用の独自のマルチベンダー環境を確立しています。
IEC 61850 規格は極めて重要な役割を果たし、さまざまなベンダーのデバイスとカスタム設計された軽量のインテリジェント電子デバイス (IED) のシームレスな統合を促進します。

主な焦点は、マルチエージェント ハードウェア コントローラーの開発と検証にあります。
これは、OPAL-RT シミュレーターを使用したソフトウェア イン ザ ループ (SIL) およびハードウェア イン ザ ループ (HIL) リアルタイム テストを通じて綿密に評価されます。
進行中の研究は、マイクログリッド コントローラー向けに特別に調整された AI 対応アルゴリズムに向けられています。

ラボでは、エネルギー グリッドのダイナミクス、サイバー攻撃、防御戦略、インテリジェント エージェントの相互作用を含むさまざまなテスト シナリオに積極的に取り組んでいます。
この総合的なアプローチにより、通信と物理的なエネルギー グリッド特性の両方を監視することで、電力ネットワークの効率的な運用への影響を評価できます。

彼らの評価の高いベンダーには、ABB、Siemens、Schneider、VAMP、Vacon、Wärtsilä などの業界リーダーが含まれます。

この豊富なハードウェアを活用して、この研究所は画期的な研究の中心拠点として機能し、教育およびトレーニング セッションの貴重なリソースとして機能し、 エネルギー システムのサイバー フィジカル シミュレーション (CPS) の分野で知識を広めています。

サイバー攻撃のシミュレーション

シナリオ 1: 1 秒の遅延

サイバーフィジカルシステムラボ - ロードマップとプロジェクト計画の開発
(2023 年 12 月 31 日 - 2024 年 10 月 30 日)

エネルギー部門におけるサイバーフィジカルシステム (CPS) セキュリティの強化に焦点を当てた、ヴァーサ大学とルーレ工科大学の共同プロジェクトをご覧ください。
Aurora プログラムの下で運営されているこの小規模プロジェクトは、堅牢な CPS セキュリティラボネットワークを構築することで、共通の地域的課題に対処することを目的としています。
国境を越えた協力を通じて、このプロジェクトは両大学の専門知識を活用して革新的なソリューションを開発し、サイバーセキュリティ対策のテストと設計のためのリアルタイムのシミュレーションベースの環境を提供します。

結論

リスクの軽減: マイクログリッド コントローラの動作の徹底的なテスト

マイクログリッド コントローラは、太陽光パネル、風力タービン、バッテリー、ディーゼル発電機など、さまざまな分散型エネルギー リソースからの電力の生成、貯蔵、消費を調整する上で重要な役割を果たします。
これらのコントローラは、変電所機器のデータ交換と制御の標準である IEC 61850 などの通信プロトコルを介して、メイン グリッドや他のマイクログリッドとインターフェイスします。
ただし、マイクログリッド コントローラは、ネットワークとマイクログリッドの両方のセキュリティと信頼性に重​​大な課題とリスクをもたらします。
これらのコントローラの誤動作や障害は、電力供給の深刻な中断、機器の損傷、さらには人命の危険につながる可能性があります。
したがって、マイクログリッド コントローラを導入する前に徹底的にテストし、ネットワークとマイクログリッドを効果的に管理できることを確認することが不可欠です。
テストには、マイクログリッド コントローラ自体の機能とパフォーマンスだけでなく、IEC 61850 またはその他の通信プロトコルを採用している他のデバイスやシステムとの互換性と相互運用性も含まれる必要があります。
テストでは、グリッド接続モードと孤立モード、負荷の変化、障害、潜在的なサイバー攻撃など、さまざまなシナリオと条件を考慮する必要があります。
IEC 61850 などの通信プロトコルを組み込んだマイクログリッド コントローラの包括的なテストにより、さまざまな状況や環境で安全で効率的かつ回復力のある動作が保証されます。
この厳格なテスト アプローチは、ネットワークとマイクログリッドのセキュリティを保護するだけでなく、炭素排出量の削減、エネルギー コストの削減、電力品質と可用性の向上という点でマイクログリッドの利点を最適化します。

Mike Mekkanen
Tero Vartiainen
Vaasa大学　テクノロジー＆イノベーション学部、情報システム科学

株式会社 NEAT

Opal-RT Technologies,Inc.