Figura 1: O sistema Cyber Grid Guard do Laboratório Nacional de Proteção Avançada de Oak Ridge protege uma bancada de teste de rede de subestação. Conforme mostrado na figura: (1) Simulador em tempo real; (2) amplificador 5A; (3) amplificador 1A/120V; (4) Fonte de alimentação; (5) Antena de relógio; (6) Relógio do display principal; (7) Relé SEL-451 da Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. (SEL); (8) Comutador Ethernet; (9) medidor SEL-735; (10) Controlador de Automação em Tempo Real SEL-3530-4 (RTAC); (11) medidores SEL-734; (12) Relógio do display secundário; (13) RTAC SEL-3555; (14) Tela de monitoramento e coleta de dados; (15) Tela Distributed Ledger Technology (DLT); (16) Comutador Ethernet CISCO; (17) equipamento DLT; (18) Computador host; (19) Computador com interface homem-máquina; (20) Computador de contabilidade distribuído; (21) Computador SEL Blueframe; (22) Monitoramento de simulação em tempo real; (23) Monitor de detecção de eventos.
As redes elétricas modernas possuem dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs), como relés de proteção, que usam lógica interna para detectar falhas elétricas. A arquitectura de fornecimento de energia, comunicação e controlo da rede eléctrica está a tornar-se cada vez mais complexa, em grande parte devido à integração de recursos energéticos distribuídos (DER). Isto dificulta a detecção de falhas e aumenta a vulnerabilidade dos sistemas de comunicação e controle a ataques cibernéticos. Para resolver esse problema, os pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) Gary Hahn, Emilio Piesciorovsky, Raymond Borges Hink e Aaron Werth desenvolveram um novo sistema, Cyber Grid Guard (CGG), para aprimorar os sistemas existentes de detecção de falhas elétricas. Suas descobertas foram publicadas na revista Sistemas de potência e energiadescrevendo este novo sistema. Utiliza tecnologia avançada para detectar e confirmar falhas elétricas em redes elétricas de média tensão, tornando o sistema de energia mais seguro e confiável. Uma rede elétrica equipada com o sistema Cyber Grid Guard é mostrada na Figura 1.
A equipe ORNL desenvolveu o sistema Cyber Grid Guard como uma ferramenta de backup para apoiar os métodos existentes de detecção de falhas. A equipe testou o sistema em um ambiente simulado projetado para replicar as condições em subestações de média tensão, instalações que gerenciam a distribuição de eletricidade das usinas para áreas locais. “Nossa abordagem garante não apenas a detecção de falhas, mas também a integridade e segurança dos dados utilizados nessas avaliações críticas”, disse Hahn.
Os pesquisadores demonstraram a capacidade do sistema de identificar falhas elétricas através da análise de dados de sinais de comunicação especializados. Conhecidos como mensagens de Eventos Genéricos de Subestação Orientados a Objetos (GOOSE), esses sinais são comunicações digitais rápidas que retransmitem atualizações operacionais críticas dentro da rede. O CyberGrid Guard usa tecnologia de contabilidade distribuída (um sistema seguro que cria um registro imutável e descentralizado de dados para garantir precisão e transparência) para verificar e confirmar se todas as informações usadas na detecção de falhas permanecem precisas e não foram adulteradas.
Foram testados quatro tipos de falhas elétricas, como problemas envolvendo uma ou mais fases elétricas, que se referem a linhas de energia individuais dentro do sistema elétrico. O Cyber Grid Guard identificou e confirmou com sucesso cada falha. Ao contrário dos métodos tradicionais que dependem exclusivamente dos mecanismos internos dos equipamentos da rede, o Cyber Grid Guard opera de forma independente, proporcionando precisão e segurança adicionais. Esta operação independente é particularmente valiosa em situações em que um erro, uma configuração incorreta ou um ataque cibernético possa comprometer o sistema primário de detecção de falhas. O Cyber Grid Guard não se destina a substituir os sistemas existentes, mas sim a melhorar e melhorar o seu desempenho, preenchendo potenciais lacunas na resolução de problemas.
Central para a eficácia de um sistema é a sua capacidade de verificar a integridade dos dados. O CyberGrid Guard utiliza tecnologia de criptografia (um método de codificação de informações para fins de segurança) para garantir que todas as informações permaneçam seguras e não possam ser alteradas sem detecção. “A integração dos princípios de segurança cibernética com a detecção de falhas elétricas fornece salvaguardas poderosas contra a segurança cibernética cada vez mais complexa
Ameaças cibernéticas”, explicou Hahn.
Os pesquisadores estão planejando expandir as capacidades do sistema para lidar com problemas de rede cada vez mais complexos. As fontes de energia renováveis, como a solar e a eólica, estão a tornar-se mais comuns e com elas surgem novos desafios na gestão da rede. Os pesquisadores veem o Cyber Grid Guard como uma ferramenta que não apenas detecta falhas, mas também monitora continuamente o desempenho da rede para garantir operações consistentes e estabilidade.
As redes enfrentam exigências crescentes de segurança e resiliência (ou seja, a capacidade de resistir e recuperar de perturbações), e tecnologias como o Cyber Grid Guard desempenham um papel fundamental na resposta a estes desafios. O trabalho dos pesquisadores mostra que a combinação de métodos avançados de detecção de falhas com práticas sólidas de segurança de dados pode resolver problemas de longa data e desafios em evolução na confiabilidade do sistema de energia.
Referência do diário
Gary Hahn, Emilio Piesciorovsky, Raymond Borges Hink, Aaron Werth, “Detecção de fases defeituosas em alimentadores principais de média tensão usando sistemas de proteção de rede e tecnologia de registro distribuído.” Sistemas de potência e energia2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2024.110162
Agradecimentos
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), Escritório de Energia Elétrica, sob o Contrato DE-AC05-00OR22725 para UT-Battelle, LLC. Este manuscrito foi escrito por UT-Battelle, LLC sob o contrato DE-AC05-00OR22725 com o Departamento de Energia dos EUA (DOE). O Governo dos Estados Unidos retém, e o editor, ao aceitar este artigo para publicação, reconhece que o Governo dos Estados Unidos retém uma licença mundial não exclusiva, paga e irrevogável para publicar ou reproduzir a forma publicada deste manuscrito para fins do Governo dos Estados Unidos, ou para permitir que outros o façam. O Departamento de Energia disponibilizará ao público resultados de pesquisas financiadas pelo governo federal no âmbito do Plano de Acesso Público do DOE (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).
Sobre o autor
Gary Hahn é Engenheiro de Software de Pesquisa no Grupo de Comunicações e Segurança de Grade do ORNL. Sua experiência e interesses de pesquisa incluem engenharia de dados, IoT industrial, vigilância e aquisição de dados e software embarcado. Ele é bacharel em ciência da computação pela Universidade do Tennessee, Knoxville. Sua equipe ganhou o prêmio R&D 100 de 2019. Informações de contato: hahng@ornl.gov
Emílio Pieshorovsky Graduado pela Universidade Técnica Nacional da Argentina com bacharelado em Engenharia Elétrica (1995). Ele recebeu seu mestrado em Marketing Internacional pela Universidade Nacional de La Plata, Argentina, em 2001. Trabalhou como engenheiro na Pirelli Power Cables and Systems, SDMO Industries, ABB e Casco Systems. Depois de receber seu mestrado (2009) e doutorado (2015) em engenharia elétrica pela Kansas State University, ele atuou como pós-doutorado na Tennessee Tech University e no Oak Ridge National Laboratory. Atualmente, ele atua como técnico profissional e gerente de espaço de laboratório na Reserva de Sistemas de Energia do Laboratório Nacional de Oak Ridge. É autor/coautor de mais de 50 publicações e membro sênior do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos. Contato: piesciorovec@ornl.gov
Raimundo Borges Hinck é cientista pesquisador de segurança cibernética no ORNL e co-investigador principal nas áreas de segurança cibernética de sistemas ciberfísicos, análise e desenvolvimento de sistemas distribuídos e algoritmos de detecção de anomalias em redes elétricas. Como co-investigador principal, ele desenvolveu propostas que resultaram em mais de US$ 6 milhões em financiamento. Através destes projetos, Raymond colabora com cientistas, engenheiros e técnicos da Duke University; a Autoridade de Energia de Chattanooga, Tennessee; o Gabinete de Eletricidade do Departamento de Energia; e a Agência de Ciência e Tecnologia do Departamento de Segurança Interna. Ele é autor de inúmeras publicações nessas áreas e possui diversas certificações de TI e segurança da Microsoft e CompTIA. Contato: borgesrc@ornl.gov
Arão W. é pesquisador do Laboratório Nacional de Oak Ridge, cujo trabalho se concentra na segurança cibernética de infraestruturas críticas, incluindo a rede elétrica. Ele recebeu seu PhD em engenharia da computação pela Universidade do Alabama em Huntsville, onde desenvolveu bancos de testes para sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados e sistemas experimentais de prevenção de intrusões. Ele recebeu uma bolsa de estudos CyberCorps Service e completou estágios na Tennessee Valley Authority e no Sandia National Laboratories. Ele obteve mestrado em engenharia elétrica com concentração em sistemas ciberfísicos pela Vanderbilt University e bacharelado em engenharia elétrica pela University of Alabama em Huntsville. Contato: werthaw@ornl.gov
