Resilience of the Electric Grid through Trustable IoT-Coordinated Assets (Extended version)

📄 arXiv: 2406.14861v4 📥 PDF

作者: Vineet J. Nair, Venkatesh Venkataramanan, Priyank Srivastava, Partha S. Sarker, Anurag Srivastava, Laurentiu D. Marinovici, Jun Zha, Christopher Irwin, Prateek Mittal, John Williams, Jayant Kumar, H. Vincent Poor, Anuradha M. Annaswamy

分类: eess.SY, cs.ET

发布日期: 2024-06-21 (更新: 2025-01-30)

备注: Accepted to the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2025. Extended version with supplementary information included

💡 一句话要点

提出基于可信IoT协调资产的电网弹性增强框架，应对网络攻击。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 智能电网 网络安全 分布式能源 物联网 弹性 本地电力市场 态势感知

📋 核心要点

  1. 传统电网数字化转型引入了网络安全风险，分布式能源的接入增加了潜在攻击面，威胁电网稳定。
  2. 论文提出基于本地电力市场的可信IoT设备协调框架，通过态势感知和可信评估，实现对分布式能源的有效管理。
  3. 通过协同仿真、硬件在环验证和实用模拟器，验证了该框架在缓解网络攻击、增强电网弹性方面的有效性。

📝 摘要（中文）

电力系统已从物理系统发展为包含数字设备的赛博物理系统，这些设备执行测量、控制、通信、计算和驱动等功能。分布式能源（DER）的日益普及，包括可再生能源发电、灵活负载和储能，为提高效率和可持续性提供了绝佳机会。然而，它们也可能引入新的漏洞，如网络攻击，这可能对确保电网弹性构成重大挑战。本文提出了一个框架，通过适当协调的资产（包括物联网（IoT）设备网络）来实现电网弹性。提出了一个本地电力市场来识别可信资产并进行协调。该市场实现了对本地可用DER的态势感知（SA），使其能够注入电力或减少消耗，并对DER的可信度和承诺进行监控。通过这种SA，我们证明了可以使用本地可信资源来缓解各种网络攻击，而不会给主电网带来压力。通过高保真协同仿真平台、实时硬件在环验证和实用程序友好的模拟器进行了多次演示。

🔬 方法详解

问题定义：电力系统面临日益严峻的网络安全威胁，特别是随着分布式能源（DER）的广泛接入，攻击者可以利用DER的漏洞对电网造成破坏。现有方法缺乏对DER可信度的有效评估和协调机制，难以在遭受攻击时快速恢复电网的正常运行。

核心思路：论文的核心思路是通过构建一个本地电力市场，对接入电网的DER进行可信度评估和管理。该市场能够实现对本地可用DER的态势感知，并根据其可信度进行协调，从而在遭受网络攻击时，利用可信的本地资源来维持电网的稳定运行。

技术框架：该框架主要包含以下几个模块：1) 本地电力市场：负责DER的注册、可信度评估和资源协调；2) 态势感知模块：负责监控本地DER的运行状态和网络安全状况；3) 攻击检测与响应模块：负责检测网络攻击，并根据攻击类型和影响范围，协调可信DER进行响应；4) 仿真验证平台：用于评估框架的性能和有效性。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个基于本地电力市场的可信DER协调框架，该框架能够实现对DER可信度的动态评估和管理，并根据可信度进行资源协调，从而在遭受网络攻击时，能够快速利用可信的本地资源来恢复电网的正常运行。与现有方法相比，该框架更加注重DER的可信度和安全性，能够有效应对日益严峻的网络安全威胁。

关键设计：论文中涉及的关键设计包括：1) DER可信度评估指标的设计，例如，可以考虑DER的设备安全等级、通信安全等级、历史运行记录等因素；2) 本地电力市场的交易机制设计，例如，可以采用基于拍卖的交易机制，根据DER的可信度和报价进行资源分配；3) 攻击检测与响应策略的设计，例如，可以根据攻击类型和影响范围，制定不同的响应策略，协调可信DER进行功率注入或负载削减。

📊 实验亮点

论文通过高保真协同仿真平台、实时硬件在环验证和实用程序友好的模拟器进行了多次演示，验证了所提出的框架在缓解网络攻击、增强电网弹性方面的有效性。具体性能数据未知，但实验结果表明，该框架能够利用本地可信资源有效缓解各种网络攻击，而不会给主电网带来压力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于智能电网、微电网等领域，提高电力系统的网络安全性和弹性。通过构建可信的分布式能源网络，能够有效应对各种网络攻击，保障电力系统的稳定运行，促进可再生能源的利用，实现能源的可持续发展。该框架还可扩展到其他关键基础设施领域，如水务系统、天然气系统等。

📄 摘要（原文）

The electricity grid has evolved from a physical system to a cyber-physical system with digital devices that perform measurement, control, communication, computation, and actuation. The increased penetration of distributed energy resources (DERs) including renewable generation, flexible loads, and storage provides extraordinary opportunities for improvements in efficiency and sustainability. However, they can introduce new vulnerabilities in the form of cyberattacks, which can cause significant challenges in ensuring grid resilience. We propose a framework in this paper for achieving grid resilience through suitably coordinated assets including a network of Internet of Things (IoT) devices. A local electricity market is proposed to identify trustable assets and carry out this coordination. Situational Awareness (SA) of locally available DERs with the ability to inject power or reduce consumption is enabled by the market, together with a monitoring procedure for their trustability and commitment. With this SA, we show that a variety of cyberattacks can be mitigated using local trustable resources without stressing the bulk grid. Multiple demonstrations are carried out using a high-fidelity co-simulation platform, real-time hardware-in-the-loop validation, and a utility-friendly simulator.