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On the Control of Microgrids Against Cyber-Attacks: A Review of Methods and Applications
Nowadays, the use of renewable generations, energy storage systems (ESSs) and microgrids (MGs) has been developed due to better controllability of distributed energy resources (DERs) as well as their cost-effective and emission-aware operation. The development of MGs as well as the use of hierarchical control has led to data transmission in the communication platform. As a result, the expansion of communication infrastructure has made MGs as cyber-physical systems (CPSs) vulnerable to cyber-attacks (CAs). Accordingly, prevention, detection and isolation of CAs during proper control of MGs is essential. In this paper, a comprehensive review on the control strategies of microgrids against CAs and its defense mechanisms has been done. The general structure of the paper is as follows: firstly, MGs operational conditions, i.e., the secure or insecure mode of the physical and cyber layers are investigated and the appropriate control to return to a safer mode are presented. Then, the common MGs communication system is described which is generally used for multi-agent systems (MASs). Also, classification of CAs in MGs has been reviewed. Afterwards, a comprehensive survey of available researches in the field of prevention, detection and isolation of CA and MG control against CA are summarized. Finally, future trends in this context are clarified
Resilience Enhancement Strategies for Modern Power Systems
The frequency of extreme events (e.g., hurricanes, earthquakes, and floods) and man-made attacks (cyber and physical attacks) has increased dramatically in recent years. These events have severely impacted power systems ranging from long outage times to major equipment (e.g., substations, transmission lines, and power plants) destructions. Also, the massive integration of information and communication technology to power systems has evolved the power systems into what is known as cyber-physical power systems (CPPSs). Although advanced technologies in the cyber layer improve the operation and control of power systems, they introduce additional vulnerabilities to power system performance. This has motivated studying power system resilience evaluation and enhancements methods. Power system resilience can be defined as ``The ability of a system to prepare for, absorb, adapt to, and recover from disruptive events''. Assessing resilience enhancement strategies requires further and deeper investigation because of several reasons. First, enhancing the operational and planning resilience is a mathematically involved problem accompanied with many challenges related to modeling and computation methods. The complexities of the problem increases in CPPSs due to the large number and diverse behavior of system components. Second, a few studies have given attention to the stochastic behavior of extreme events and their accompanied impacts on the system resilience level yielding less realistic modeling and higher resilience level. Also, the correlation between both cyber and physical layers within the context of resilience enhancement require leveraging sophisticated modeling approaches which is still under investigation. Besides, the role of distributed energy resources in planning-based and operational-based resilience enhancements require further investigation. This calls for developing enhancement strategies to improve resilience of power grids against extreme events. This dissertation is divided into four parts as follows. Part I: Proactive strategies: utilizing the available system assets to prepare the power system prior to the occurrence of an extreme event to maintain an acceptable resilience level during a severe event. Various system generation and transmission constraints as well as the spatiotemporal behavior of extreme events should be properly modeled for a feasible proactive enhancement plan. In this part, two proactive strategies are proposed against weather-related extreme events and cyber-induced failure events. First, a generation redispatch strategy is formulated to reduce the amount of load curtailments in transmission systems against hurricanes and wildfires. Also, a defensive islanding strategy is studied to isolate vulnerable system components to cyber failures in distribution systems. Part II: Corrective strategies: remedial actions during an extreme event for improved performance. The negative impacts of extreme weather events can be mitigated, reduced, or even eliminated through corrective strategies. However, the high stochastic nature of resilience-based problem induces further complexities in modeling and providing feasible solutions. In this part, reinforcement learning approaches are leveraged to develop a control-based environment for improved resilience. Three corrective strategies are studied including distribution network reconfiguration, allocating and sizing of distributed energy resources, and dispatching reactive shunt compensators. Part III: Restorative strategies: retain the power service to curtailed loads in a fast and efficient means after a diverse event. In this part, a resilience enhancement strategy is formulated based on dispatching distributed generators for minimal load curtailments and improved restorative behavior. Part IV: Uncertainty quantification: Impacts of uncertainties on modeling and solution accuracy. Though there exist several sources of stochasticity in power systems, this part focuses on random behavior of extreme weather events and the associated impacts on system component failures. First, an assessment framework is studied to evaluate the impacts of ice storms on transmission systems and an evaluation method is developed to quantify the hurricane uncertainties for improved resilience. Additionally, the role of unavailable renewable energy resources on improved system resilience during extreme hurricane events is studied. The methodologies and results provided in this dissertation can be useful for system operators, utilities, and regulators towards enhancing resilience of CPPSs against weather-related and cyber-related extreme events. The work presented in this dissertation also provides potential pathways to leverage existing system assets and resources integrated with recent advanced computational technologies to achieve resilient CPPSs
Global Systems Science and Energy Systems
In the present globally interconnected world energy is generated, stored, transmitted and consumed and its related waste disposed or recycled- through a complex and dynamic system of systems. A central challenge for Global System Science is to focus on the multiple interactions of different scales of the energy systems: from smart micro-grids to super grids. To what extent can these two approaches coexist? How do these two apparently divergent trends and configuration relate to each other and be managed for a better coordination and efficiency? Global System Science should be able to identify what kinds of factors are most relevant for the global energy systems and to what particular pressures are they more sensitive (e.g. not necessarily prices but perhaps to other variables outside the energy systems). This report present the key points and open issues in emerging energy systems and highlights questions and challenges to global system science applied to energy systems. It is based on the discussions and results of the workshop on "Vision in global system science: energy futures" held in Brussels on 18th and 19th March 2013 and organized by DG Connect in collaboration with Joint Research Centre, Institute for Energy and Transport, Petten.JRC.F.3-Energy securit
Holonic self-sustainable systems for electrical micro grids
The self-sustainability of micro grids is an important challenge in the smart grids field due to the need to balance the fast growing energy consumption, reduce greenhouse gas emissions and increase energy independence by using renewable resources. The use of decentralized paradigms, and particularly multi-agent systems and holonic control, enable to face this challenge by implementing intelligent mechanisms that allow an efficient management of the power flow. In this paper, a holonic based model is introduced, considering load scheduling and forecast mechanisms to improve the micro grids self-sustainability, and consequently reduce the energy cost and the energy dependency from the main utility. The designed holonic based model and strategies were developed by using the agent technology, and particularly the JADE framework, showing important improvements in the self-sustainability of micro grids working in different operating modes.info:eu-repo/semantics/publishedVersio
Recursos geológicos de Trás-os-Montes – Passado, presente e perspetivas futuras
Em consequência da sua evolução ao longo da história da Terra, a região
de Trás-os-Montes e Alto Douro possui uma grande diversidade de recursos
geológicos. Alguns deles foram explorados pelo Homem em diferentes
momentos da sua História. Este livro pretende contribuir para o conhecimento,
valorização e promoção dos recursos geológicos e do património
associado à sua exploração no passado; pois estamos convencidos de que
uma eficiente exploração de alguns destes recursos, juntamente com a valorização
turística do património geológico-mineiro, muito pode contribuir
para dinamizar a economia da região.
A Península Ibérica é constituída por formações rochosas que resultam da
ação dos processos geotectónicos e dos fenómenos atmosféricos ao longo
de mais de 500 milhões de anos (Ma). Neste contexto, Trás-os-Montes
é uma região particularmente privilegiada pois é possível encontrar aqui
a marca de grande parte dos fenómenos geológicos decorridos desde, ou
mesmo antes, do princípio da formação da cadeia montanhosa Hercínica,
ou Varisca, ocorrida na Era paleozoica. Uma dessas marcas é o maciço de
Bragança e Morais, resultante da instalação de mantos de carreamento por
obducção, testemunho da colisão continental então ocorrida. Neste maciço
encontram-se rochas únicas com origem na crosta continental inferior e
no manto, como é o caso dos Granulitos do Tojal dos Pereiros (Bragança)
que, tal como se verá neste livro, poderão ser das rochas mais antigas da
Terra com cerca de 1000 Ma.
Neste livro procura-se fazer uma síntese dos vários depósitos minerais
metálicos e não metálicos assim como das massas rochosas, com interesse
económico, resultantes da sequência dos vários processos geológicos
ocorridos desde o início do ciclo orogénico Hercínico até aos dias de hoje
como, por exemplo, a erosão, o transporte, a sedimentação, o metamorfismo,
o magmatismo e a deformação tectónica.
Outra consequência da evolução geodinâmica são as inúmeras nascentes
de água mineral natural com propriedades sulfúreas, gasocarbónica ou bicarbonadas
sódicas, ligadas a mineralizações em grande profundidade ao
longo das falhas, de orientação NNE-SSW, de Manteigas – Vilariça – Bragança e Penacova – Régua – Vila Real – Verin. O sistema de fraturas resultante
do relaxamento de tensões orogénicas ocorrido na Era Mesozoica,
condicionou também a instalação da rede hidrográfica atual e, juntamente
com o processo erosivo iniciado no Pérmico, são os grandes responsáveis
pelas magníficas paisagens de Trás-os-Montes e Alto Douro.
Devido às suas propriedades terapêuticas conferidas pela suas características
naturais de mineralização, algumas águas de origem profunda (Águas
Minerais Naturais) são aproveitadas em termalismo de bem-estar ou terapêutico,
podendo ainda ser, concomitantemente ou não, disponibilizadas
engarrafadas. Neste livro apresenta-se o importante testemunho das práticas
de exploração e gestão das concessões hidrominerais das empresas
VMPS – Águas e Turismo, S.A. e UNICER Aguas, S.A, detentoras das marcas
Pedras Salgadas, Salus Vidago, Melgaço e Vitalis.
Os recursos minerais da região transmontana foram explorados pelo Homem
desde tempos remotos. Como se verá neste livro, existem evidências
da prática da metalurgia desde o VI milénio a.C. São também conhecidos
os vestígios de uma intensa mineração deixados pelos romanos como, por
exemplo, em Três Minas (ouro), Montesinho (ouro) e Moncorvo (ferro).
Contudo, foi sobretudo na época moderna, com destaque para o período
compreendido entre meados do século dezanove e o fim do século vinte,
que a atividade mineira em Trás-os-Montes teve o seu apogeu. São ainda
bem evidentes na nossa paisagem as ruinas dessa indústria que as pessoas
mais velhas recordam com alguma saudade. As minas mudaram a realidade
de muitas comunidades do interior transmontano pois trouxeram desafogo
económico e desenvolvimento social para além de as retirarem do
isolamento ancestral a que estavam votadas.
A progressiva globalização das economias integrou a nossa indústria extrativa,
muito desprotegida, em mercados muito competitivos para os quais
não estava preparada. Em consequência, grande parte das minas portuguesas
pararam a sua atividade entre as décadas de setenta e noventa do século
passado. O encerramento das minas deixou por vezes um legado bastante
negativo com instalações abandonadas, lugares poluídos, comunidades
enfraquecidas pela emigração, infraestruturas degradadas e consequente
contração económica. Felizmente, a maior parte dos passivos ambientais
e de segurança têm sido progressivamente revertidos em consequência das prioridades definidas pela União Europeia (EU). A empresa estatal
EDM (Empresa de Desenvolvimento Mineiro, S.A.) é responsável desde
2001 pelas intervenções ambientais e de segurança nas antigas explorações
mineiras portuguesas. Neste livro dá-se conta da sua atuação em Trás-os-
-Montes, nomeadamente em Jales, onde o ouro foi explorado até à última
década do século passado.
Com este livro pretende-se também fazer uma reflexão sobre a possível valorização
em termos económicos do vastíssimo património mineiro existente
na região. Para tal apresenta-se o testemunho do Museu do Ferro e
da Região de Moncorvo que foi um dos projetos pioneiros no país a fazer a
divulgação da atividade mineira e com isso contribuir diretamente para o
desenvolvimento local através da procura turística. Apresenta-se também
o exemplo do projeto Roteiro das Minas e Pontos de Interesse Mineiro e
Geológico de Portugal que promove turisticamente algum do património
mineiro e geológico do nosso país.
O futuro da indústria extrativa em Trás-os-Montes é imprevisível. A sua
evolução depende muito da conjugação de fatores que dependem da evolução
dos mercados mundiais das matérias-primas e das grandes opções
económica e estratégicas para o nosso país. Nos últimos anos tem-se verificado
algum dinamismo no setor através dos contratos de prospeção e
pesquisa pedidos junto da Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG).
Esta atividade tem refletido o aumento da procura de minérios como o ferro,
o ouro, o volfrâmio ou o lítio. Nalguns casos esta procura poderá resultar
de alguma instabilidade política nos países produtores que condiciona
as necessidades de matéria-prima por parte das grandes economias como
a China. Noutros casos, dever-se-á à importância estratégica que lhes é
atribuída em função dos desenvolvimentos tecnológicos, como é o caso do
lítio na produção de baterias elétricas. Devido ao destaque e ao potencial
atualmente associado a este minério, apresenta-se também neste livro uma
exposição sobre os recursos de lítio existentes na região transmontana.
Para além de terem um impacto direto na economia regional, estas últimas
campanhas de prospeção permitiram também conhecer melhor a diversidade,
a extensão e a génese dos recursos minerais de Trás-os-Montes. Referimos
como exemplo o jazigo de ferro de Moncorvo que, embora tenha já sido
bastante estudado no passado e como tal considerado um dos maiores da Europa, foi novamente objeto de estudo através da aplicação de novas técnicas
de prospeção e de investigação científica de que damos conta neste livro.
A concretização dos objetivos a que este livro se propõe, nomeadamente,
a divulgação, promoção e valorização dos recursos geológicos de vasta
região transmontana, só é possível através do contributo individual dos
vários autores que aceitaram o nosso convite e aos quais estamos muito
gratos. Aproveitamos também para agradecer às suas instituições e empresas
de origem, nomeadamente, à Universidade de Trás-os-Montes e Alto
Douro (UTAD), à Universidade do Minho (UM), à Companhia Portuguesa
do Ferro S.A. (CPF), ao Super Bock Group, ao Projeto Arqueológico da
Região de Moncorvo (PARM), ao Centro de Investigação Transdisciplinar:
Cultura Espaço e Memória (CITCEM), à Direção Regional de Cultura do
Norte (DRCN), à Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) e ao Laboratório
Nacional de Energia e Geologia (LNEG).
Agradecemos igualmente o apoio à publicação dado pelas empresas Super Bock
Group, EDM, Omya, CPF e pela Câmara Municipal de Torre de Moncorvo e
pelo Museu do Ferro & da Região de Moncorvo.
O nosso muito obrigado também aos Geólogos Carlos Rosa, Pedro Santos
e Antunes da Silva e ao Engenheiro José Nunes de Almeida pelos seus empenhos
pessoais na concretização deste projeto.
Por fim, agradecemos ao Atilano Suarez o excelente trabalho de design e
paginação deste livro.
O livro está dividido em duas partes. A primeira, intitulada Diversidade e
Importância dos Recursos Geológicos, apresenta uma síntese dos principais
recursos minerais existentes na região, com destaque para os recursos de
lítio, ferro e águas minerais naturais. A segunda parte intitulada Perspetiva
Histórica e Potencial Turístico do Património Geológico e Mineiro, aborda a
mineração ao longo da História e apresenta alguns contributos para a valorização
do património mineiro e geológico da região.Agradecemos igualmente o apoio à publicação dado pelas empresas Super Bock Group, EDM, Omya, CPF e pela Câmara Municipal de Torre de Moncorvo e pelo Museu do Ferro & da Região de Moncorvoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio
Vulnerability and resilience of cyber-physical power systems: results from an empirical-based study
Power systems are undergoing a profound transformation towards cyber-physical systems. Disruptive changes due to energy system transition and the complexity of the interconnected systems expose the power system to new, unknown and unpredictable risks. To identify the critical points, a vulnerability assessment was conducted, involving experts from power as well as information and communication technologies (ICT) sectors. Weaknesses were identified e.g.,the lack of policy enforcement worsened by the unreadiness of involved actors. The complex dynamics of ICT makes it infeasible to keep a complete inventory of potential stressors to define appropriate preparation and prevention mechanisms. Therefore, we suggest applying a resilience management approach to increase the resilience of the system. It aims at a better ride through failures rather than building higher walls. We conclude that building resilience in cyber-physical power systems is feasible and helps in preparing for the unexpected
Ensuring Cyber-Security in Smart Railway Surveillance with SHIELD
Modern railways feature increasingly complex embedded computing systems for surveillance, that are moving towards fully wireless smart-sensors. Those systems are aimed at monitoring system status from a physical-security viewpoint, in order to detect intrusions and other environmental anomalies. However, the same systems used for physical-security surveillance are vulnerable to cyber-security threats, since they feature distributed hardware and software architectures often interconnected by ‘open networks’, like wireless channels and the Internet. In this paper, we show how the integrated approach to Security, Privacy and Dependability (SPD) in embedded systems provided by the SHIELD framework (developed within the EU funded pSHIELD and nSHIELD research projects) can be applied to railway surveillance systems in order to measure and improve their SPD level. SHIELD implements a layered architecture (node, network, middleware and overlay) and orchestrates SPD mechanisms based on ontology models, appropriate metrics and composability. The results of prototypical application to a real-world demonstrator show the effectiveness of SHIELD and justify its practical applicability in industrial settings
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