معايير السيارات الكهربائية والشبكة
"في المستقبل، يجب أن تصبح المرافق مثل قادة الأوركسترا"
تقول فرانسيس كليفلاند، أحد كبار خبراء IEC في مجال الأمن السيبراني والربط البيني لموارد الطاقة الموزعة (DERs) بالشبكةه-تقنيةحول أحدث معايير ربط المركبات الكهربائية بشبكة الكهرباء وكيفية الحفاظ عليها آمنة.
تمهد اللجنة الكهروتقنية الدولية الطريق للمعايير الخاصة بالمركبات الكهربائية المستخدمة كوحدات DER للشبكة، مما يعني أن المركبات الكهربائية يمكنها شحن الكهرباء من الشبكة ولكن أيضًا تفريغ الطاقة إليها عند الحاجة. هل هناك أي معايير جديدة في هذا المجال؟
لقد تم إحراز الكثير من التقدم، بعضه داخل اللجنة الكهرتقنية الدولية وبعضه خارج اللجنة الكهرتقنية الدولية. من أهم إنجازات IEC هو نشر المواصفة IEC 63584 في عام 2024، استنادًا إلى بروتوكول مهم، وهو بروتوكول نقطة الشحن المفتوحة أو OCPP. في الماضي، كانت OCPP تقدم الدعم فقط لشحن المركبات الكهربائية. ومع ذلك، واستجابة لمتطلبات إدارة الشبكة لتفريغ المركبات الكهربائية، يوفر البروتوكول الآن اتصالات قابلة للتشغيل البيني بين محطات الشحن (EVSEs) ومشغلي أو مجمعات المرونة المختلفة، وبالتالي قادر على دعم البائعين المختلفين والعديد من المتطلبات التنظيمية المختلفة. يتم تحديث البروتوكول نفسه ليتوافق مع توصيات IEC 63460 التي تم تطويرها في لجنة أنظمة IEC للطاقة الذكية (SyC SE)، والتي تشمل المركبات الكهربائية التي تعمل كوحدات DER عند الشحن وكذلك عند التفريغ إلى المنزل أو الشبكة. تم نشر هذا المعيار للتو. في الإضافات المستقبلية، ستتضمن المواصفة IEC 63584 المزيد من وظائف DER، بما في ذلك الحد من الشحن والتفريغ، والاستجابة بشكل مستقل للتردد والفولتية، وإدارتها تمامًا مثل أي DER آخر.
المعيار الآخر في هذا المجال هو ISO 15118-20، الذي يوسع الاتصالات من EVSE إلى المركبات الكهربائية نفسها، حسب الضرورة. يتم أيضًا تحديث هذا البروتوكول بشكل نشط ليعكس متطلبات المركبات الكهربائية للعمل كوحدات DER.
هل كل هذه المعايير متكاملة أم متنافسة؟
كلهم يعملون على مستويات مختلفة. يتم استخدام معيار ISO 15118-20 للتواصل بين EVSE وEV. يتم استخدام معيار IEC 63584 للتواصل بين المركبات الكهربائية والأنظمة الخارجية، على سبيل المثال مجمعات الكهرباء. يتم استخدام كلاهما جنبًا إلى جنب لتوصيل عمليات تبادل البيانات المطلوبة لتلبية المتطلبات الوظيفية لنظام الطاقة في IEEE 1547.
كيف عملت اللجان الفنية المختلفة معًا في هذا الشأن؟
نشرت IEC TC 57 المواصفة IEC 61850-7-420، التي تحدد نماذج المعلومات الدلالية (أسماء كائنات البيانات ومعانيها) الضرورية لإدارة DERs. يتم استخدام أسماء كائنات البيانات IEC 61850 ومعانيها بواسطة بروتوكولات الاتصال الستة التالية ذات الصلة بـ DER: IEC 61850-7-420، وIEEE 2030.5، وIEEE 1815.2 (DNP3)، وSunSpec Modbus، وOCPP، وISO/IEC 15118-20. وهذا يعني أن المواصفة IEC 61850-7-420 أصبحت بالفعل مصدرًا لأسماء البيانات ومعانيها، وهي الكتلة الذهبية في قلب جميع المعايير التي تتناول تفاعل الشبكة مع DERs.
ولذلك أدرك الخبراء في TC 69، التي تنشر معايير أنظمة نقل الطاقة الكهربائية للمركبات الكهربائية، أن معيار IEC 61850-7-420 كان الأساس المناسب للاتصال بالمركبات الكهربائية المتصلة بالشبكة. لديهم مجموعة عمل مشتركة (JWG11) مع TC 57، والتي تتعامل مع إدارة البنى التحتية لشحن وتفريغ المركبات الكهربائية. تضم مجموعة عمل مشتركة أخرى (JWG15) كلا من TC 57 وTC 120، والتي تقوم بإعداد المعايير لأنظمة تخزين الطاقة. تتناول JWG15 حالات الاستخدام ومتطلبات البيانات بين مشغلي المرونة والمجمعات ومحطات شحن المركبات الكهربائية.
يحدد SyC SE الثغرات في العمل الذي تقوم به هذه المجموعات. إيك 63460"المركبات الكهربائية مثل DER"ويقترح طرق لحلها. كان هذا الجهد الذي بذلته SyC، جنبًا إلى جنب مع عمل العديد من خبراء IEC وISO في مجال المركبات الكهربائية هذا، حاسمًا في تحديث OCPP وISO/IEC 15118-20، وساعد في الاعتراف بأن المركبات الكهربائية هي مجرد مصدر آخر للطاقة المخزنة لدعم الشبكة (وأصحابها!).
ومع النمو الهائل في مبيعات السيارات الكهربائية في عام 2024، هل كانت المرافق حريصة على نشر هذه المعايير لمساعدتها على استيعاب الطلب المتزايد على الكهرباء من المركبات الكهربائية؟
نعم. سأعطيك مثال كاليفورنيا في الولايات المتحدة، التي لديها أكبر عدد من المركبات الكهربائية في هذا البلد. كانت المرافق متوقفة في البداية عن ربط محطات الشحن الأكبر حجمًا لأنها لم تتمكن من استيعاب الزيادة في الطلب دون تحديث الشبكة للتعامل معها. لكن المشرعين في الولاية أصدروا لوائح تدفعهم إلى التحرك. وفجأة، بمجرد إقرار التشريع، تصرفت المرافق بسرعة كبيرة لإفساح المجال لهذه الاستخدامات الجديدة. ومن الطبيعي أن يكون لديهم بعض التحذيرات، ويقومون بإدخال متطلبات تنظيمية تحد من معدل الشحن خلال أوقات الطلب المرتفعة، وتكون صالحة حتى يتم تثبيت ترقيات الشبكة. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للمنازل والشركات الصغيرة، تم تعديل معدلات وقت الاستخدام-لتشجيع المستهلكين على الشحن أثناء وقت انخفاض الطلب، مثل بعد منتصف الليل. والنقطة المهمة هي أن مشهد المعايير الحالي ساعدها على التكيف بسرعة وإفساح المجال أمام هذه الاستخدامات الجديدة. يجب أن يكون لديك اتصالات بين المرافق، والمجمع، والمنزل أو العمل، والأجهزة الموجودة في المنزل والمركبة الكهربائية نفسها، والتي تكون سلسة وآمنة على حد سواء، وهذا ما تتيحه المعايير.
هل يمكنك إخبارنا المزيد عن معايير الأمن السيبراني الصادرة عن اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) للشبكة ووحدات DER؟
نعم. هناك الجهود المستمرة التي يبذلها فريق العمل الخاص بي داخل TC 57 والذي يقوم بتطوير معايير الأمن السيبراني IEC 62351، والتي أسميها معايير "كيفية القيام بذلك". قامت IEC أيضًا بتطوير معايير IEC 62443 التي تخبرك "ما عليك القيام به"، ولكن ليس كيفية القيام بذلك. يتم توسيع معايير IEC 62443 لتشمل متطلبات الأمن السيبراني الأفقية، مما يعني أن مجالات مختلفة مثل الطاقة والمعدات الطبية تقوم بتعديل معايير IEC 62443 الأساسية لتعكس احتياجاتها الأكثر تحديدًا. نحن نعمل على متطلبات الأمن السيبراني للمحطات الفرعية في الوقت الحالي وسنعمل على متطلبات DER- المحددة. يمكن أيضًا استخدام المواصفة IEC 62443-4-2 لاختبار الأمن السيبراني للأجهزة، مثل DERs.
خارج IEC، يوفر IEEE 1547.3 توصيات للأمن السيبراني في DERs، والتي يمكن استخدامها كدليل بواسطة المرافق. بالإضافة إلى ذلك، تعمل UL Solutions، وهي منظمة مقرها الولايات المتحدة-تتعلق بسلامة المنتجات وإصدار الشهادات، على تطوير معيار UL 2941 لاختبار الأمان الإلكتروني لـ DERs.
ما هي التحديات التي يجب معالجتها فيما يتعلق بالأمن السيبراني للمحطات الفرعية ووحدات DER؟
تختلف المحطات الفرعية ووحدات DERs اختلافًا كبيرًا فيما يتعلق بمتطلبات الأمن السيبراني الخاصة بها. يتم التحكم في المحطات الفرعية بنسبة 100% من قبل المرافق، التي تتمتع بالسيطرة الكاملة على التدابير التي ينبغي اتخاذها لحمايتها. على العكس من ذلك، لدى DERs مالكون ومجمعون ومصنعون ومثبتون مختلفون وحتى أدوات مساعدة مختلفة. بالنسبة للأمن السيبراني لـ DER، ستحتاج إلى الحصول على اتفاق بين جميع هذه الكيانات المختلفة حول مستوى الأمان والبروتوكولات التي يجب استخدامها، وهذا النوع من الاتفاق يمكن أن يكون مشكلة كبيرة. يريد مصنعو المركبات الكهربائية أن نبقى خارج عالمهم - ولا يريدون أن تخبرهم المرافق، على سبيل المثال، بما يجب عليهم فعله.
المحطات الفرعية هي قطع مهمة من المعدات للشبكة الكهربائية والتي يمكن أن تكون جذابة للمهاجمين بسبب دورها الواضح في توفير الطاقة الكهربائية، وهي بنية تحتية حيوية. ومع ذلك، فإن مهاجمة DER واحد يمكن أن يثير غضب مالكه، ولكن ليس أكثر من ذلك بكثير. فقط إذا أثر الهجوم على العديد من وحدات DER، فإنه قد يرقى إلى مستوى التهديد الخطير. تتمتع معظم المحطات الفرعية بنوع من الأمن المادي: فهي تحتوي على أسوار وبوابات وأقفال وفي بعض الأحيان حتى كاميرات، في حين نادرًا ما تكون وحدات DER محمية ماديًا.
من منظور الاتصالات، تستخدم أنظمة DER الإنترنت، الذي يمكن أن يكون غير آمن، وعادةً ما ينشر المصنعون Modbus، الذي لا يحتوي على أمان، داخل أنظمة DER الخاصة بهم. لذلك، حتى لو تم استخدام بروتوكولات أكثر أمانًا خارجيًا، فإن مواقع DER تكون معرضة للخطر بشكل خاص. أحد مجالات الخلاف بين المرافق والشركات المصنعة لـ DER هو المكان الذي يجب أن يبدأ فيه الأمن ومن المسؤول عن تأمين المعدات - ومن يستجيب لأنواع الهجمات الأمنية. إذن هذه بعض القضايا التي نتعامل معها.
هل يمكنك إتلاف الشبكة عن طريق اختراق DER؟
الخطر يكمن في قناة الاتصال. إذا تم ربط DER بالشبكة من خلال قناة اتصال، وتمر البرامج الضارة عبر قناة الاتصال على طول الطريق إلى DERs الأخرى، إلى المجمع وحتى الأداة المساعدة، وتعطي أوامر التحكم لتشغيل وإيقاف الأنظمة بشكل عشوائي ومتكرر، فسوف يؤدي ذلك إلى إحداث فوضى في الشبكة. إنها واحدة من اهتماماتنا الرئيسية.
ما هي مجالات التركيز الرئيسية لـ TC 57 وSyC SE في المستقبل؟
وعلى المدى القصير، نحتاج إلى التأكد من أن جميع البروتوكولات المختلفة في مجال المركبات الكهربائية تلبي نفس المتطلبات. وعلى المدى الطويل، فإننا نطالب البيئة التنظيمية بتغيير وجهة نظرها بشأن دور المرافق. المرافق مطلوبة لخدمة جميع الأحمال الكهربائية في البيئة التنظيمية الحالية. ولكن في المستقبل، يمكننا أن نرى أنه سيكون هناك المزيد من التوازن بين المستخدمين والأداة المساعدة، مع المزيد من التواصل والتفاهم فيما بينهم. وفي المستقبل، ينبغي للمرافق أن تصبح مثل قادة الأوركسترا، حيث يقوم المستخدمون باستيراد وتصدير الطاقة إلى الشبكة بطريقة مرنة تعتمد على القيود إذا لزم الأمر وعلى الحوافز حيثما أمكن. ستقوم الأداة بإدارة الشبكة كنظام آمن وموثوق عبر الإنترنت. وما زلنا بعيدين عن ذلك. لكننا نفكر بهذه الشروط. ومن المرجح أن يساعدنا الذكاء الاصطناعي جميعا على تحقيق هذه الأهداف.
فرانسيس كليفلاند خريجة الهندسة الكهربائية والفيزياء التطبيقية من جامعة هارفارد وخريجة-الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر من جامعة كاليفورنيا في بيركلي.
قامت بإدارة وتقديم الاستشارات بشأن مشاريع أنظمة معلومات الشبكة الذكية والتحكم في صناعة الطاقة الكهربائية لأكثر من 35 عامًا. ركزت خبرتها في المقام الأول على معايير قابلية التشغيل البيني لمعلومات الشبكة الذكية، وقضايا الأمن السيبراني، ومرونة شبكة الطاقة، ووظائف العاكس الذكي لموارد الطاقة الموزعة (DERs) وتكامل الأنظمة، بما في ذلك DERs، والمركبات الكهربائية -الموصلة، والبنى التحتية المتقدمة للقياس، وأتمتة التوزيع، وأتمتة المحطات الفرعية، وعمليات سوق الطاقة.