[論文レビュー] On the Definition of Cyber-Physical Resilience in Power Systems

Reza Arghandeh, Alexandra von Meier+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 67被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、電力システムにおけるサイバーフィジカルレジリエンスの統一的で多次元的な定義を提唱し、物理的要因、サイバー要因、人的要因を統合して、故障、攻撃、自然災害からの擾乱に対処する。本稿は、予期しない危険要因下でも安定した運用を維持するシステム的性質としてのレジリエンスを形式化し、分散型エネルギー資源を活用する新たな運用パラダイムの提唱により、分野を前進させる。

ABSTRACT

In recent years, advanced sensors, intelligent automation, communication networks, and information technologies have been integrated into the electric grid to enhance its performance and efficiency. Integrating these new technologies has resulted in more interconnections and interdependencies between the physical and cyber components of the grid. Natural disasters and man-made perturbations have begun to threaten grid integrity more often. Urban infrastructure networks are highly reliant on the electric grid and consequently, the vulnerability of infrastructure networks to electric grid outages is becoming a major global concern. In order to minimize the economic, social, and political impacts of power system outages, the grid must be resilient. The concept of a power system cyber-physical resilience centers around maintaining system states at a stable level in the presence of disturbances. Resilience is a multidimensional property of the electric grid, it requires managing disturbances originating from physical component failures, cyber component malfunctions, and human attacks. In the electric grid community, there is not a clear and universally accepted definition of cyber-physical resilience. This paper focuses on the definition of resilience for the electric grid and reviews key concepts related to system resilience. This paper aims to advance the field not only by adding cyber-physical resilience concepts to power systems vocabulary, but also by proposing a new way of thinking about grid operation with unexpected disturbances and hazards and leveraging distributed energy resources.

研究の動機と目的

• 電力システムにおけるサイバーフィジカルレジリエンスの普遍的に受け入れられる定義の欠如に対処すること。
• 物理的、サイバー的、人的要因に起因する擾乱を含む、多次元的性質としてのレジリエンスを形式化すること。
• 分散型エネルギー資源を統合することで、レジリエンスを向上させる新しい運用フレームワークを提唱すること。
• レジリエンスの概念を電力システムの語彙および設計原則に統合を進める。
• 予期しない危険要因および相互依存性下でのレジリエンスを明確化することで、グリッド運用における意思決定を支援すること。

提案手法

• 本稿は、システム理論、制御工学、電力システム分野における既存のレジリエンス概念を包括的にレビューする。
• レジリエンスの核心的要素（耐性、冗長性、適応性、回復力）を特定し、統合する。
• 物理的インfra構造とサイバーフィジカル制御システムの間の相互依存性をモデル化するサイバーフィジカルレジリエンスフレームワークを提唱する。
• 自然災害、サイバー攻撃、人的ミスを含む、危険シナリオを組み込む。
• 擾乱下におけるシステム状態の安定性に基づく、レジリエンス評価の概念的モデルを導入する。
• 本手法は、分散型エネルギー資源を活用して適応的および回復的対応能力を強化することを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力システムにおける包括的かつ普遍的に適用可能なサイバーフィジカルレジリエンスの定義とは何か？
• RQ2 物理的、サイバー的、人的要因を含む多次元的性質として、レジリエンスをどのように形式化できるか？
• RQ3 分散型エネルギー資源は、予期しない擾乱下でのシステムレジリエンスをどのように強化するか？
• RQ4 物理的およびサイバー的コンポONENT間の相互依存性は、全体のシステムレジリエンスにどのように影響するか？
• RQ5 現代の電力システムにおけるレジリエンスを支えるために、どのような運用パラダイムが必要か？

主な発見

• 本稿は、耐性、冗長性、適応性、回復力を統合する多次元的レジリエンス定義を確立する。
• レジリエンスは、物理的故障、サイバー的異常、人的行動に起因する擾乱をすべて考慮しなければならないと同定する。
• 著者らは、現在の電力システム分野における定義が明確さと一貫性に欠けていることを示している。
• 提案されたフレームワークにより、さまざまな危険タイプおよびシステム状態におけるレジリエンスの体系的評価が可能になる。
• 本研究は、擾乱発生時における適応的および回復的対応能力の向上に、分散型エネルギー資源の重要性を強調する。
• 本稿は、反応的回復に代わる、予防的レジリエンス管理へのパラダイムシフトを要請する。