La seguridad de la red eléctrica se refiere a las actividades que las empresas de servicios públicos, los reguladores y otras partes interesadas desempeñan para asegurar la red eléctrica nacional. La red eléctrica estadounidense está experimentando uno de los mayores cambios en su historia, que es el paso a la tecnología de red inteligente. La red inteligente permite a los clientes y proveedores de energía administrar y generar electricidad de manera más eficiente. Al igual que otras tecnologías nuevas, la red inteligente también presenta nuevas preocupaciones sobre la seguridad. [1]
Los propietarios y operadores de servicios públicos (ya sean propiedad de inversionistas, municipales o cooperativas) generalmente son responsables de implementar mejoras del sistema con respecto a la ciberseguridad. Los ejecutivos de la industria de servicios públicos están comenzando a reconocer el impacto comercial de la ciberseguridad. [2]
La industria de servicios eléctricos en los EE. UU. Lidera una serie de iniciativas para ayudar a proteger la red eléctrica nacional de las amenazas. La industria se asocia con el gobierno federal, particularmente el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , la Corporación de Fiabilidad Eléctrica de América del Norte y las agencias federales de inteligencia y de aplicación de la ley. [3]
Las redes eléctricas pueden ser objetivos de actividades militares o terroristas. Cuando los líderes militares estadounidenses crearon su primer plan de guerra aérea contra el Eje en 1941, la red eléctrica de Alemania estaba en la parte superior de la lista de objetivos.
Descripción general del problema [ editar ]
La red eléctrica norteamericana es un sistema altamente conectado. La modernización continua de la red se conoce generalmente como la " red inteligente ". La confiabilidad y la eficiencia son dos impulsores clave del desarrollo de la red inteligente. Otro ejemplo es la capacidad del sistema eléctrico para incorporar fuentes de energía renovables como la energía eólica y la energía geotérmica. Una de las cuestiones clave para la seguridad de la red eléctrica es que estas mejoras y modernizaciones continuas han creado más riesgos para el sistema. Como ejemplo, un riesgo proviene específicamente de la integración de las comunicaciones digitales y la infraestructura informática con la infraestructura física existente de la red eléctrica. [5]
Según la revista académica IEEE Security & Privacy Magazine , "La red inteligente ... utiliza redes inteligentes de transmisión y distribución para suministrar electricidad. Este enfoque tiene como objetivo mejorar la confiabilidad, seguridad y eficiencia del sistema eléctrico a través de la comunicación bidireccional de los datos de consumo. y optimización dinámica de las operaciones, mantenimiento y planificación del sistema eléctrico ". [5]
Supervisión del gobierno [ editar ]
En los Estados Unidos, la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) está a cargo de los estándares de seguridad cibernética para el sistema de energía a granel. El sistema incluye sistemas necesarios para operar la red interconectada. [4]
Los servicios públicos propiedad de los inversores operan bajo una autoridad diferente, las comisiones estatales de servicios públicos. Esto queda fuera de la jurisdicción de FERC. [4]
Ciberseguridad [ editar ]
A partir de 2018, se están produciendo dos evoluciones en el sector económico del poder. Estas evoluciones podrían dificultar que las empresas de servicios públicos se defiendan de una amenaza cibernética. Primero, los hackers se han vuelto más sofisticados en sus intentos de interrumpir las redes eléctricas. "Los ataques están más dirigidos, incluidos los esfuerzos de phishing dirigido a individuos, y están cambiando de las redes corporativas para incluir sistemas de control industrial". [6] Segundo, la red se está distribuyendo y conectando cada vez más. El creciente mundo de " Internet de las cosas " podría hacer que cada dispositivo sea una vulnerabilidad potencial. [6]
Riesgo de ataque terrorista [ editar ]
A partir de 2006, más de 200,000 millas de líneas de transmisión de 230 kV o más existían en los Estados Unidos. El principal problema es que es imposible proteger todo el sistema de los ataques terroristas. Sin embargo, el escenario de tal ataque terrorista sería mínimo porque solo interrumpiría una pequeña porción de la red general. Por ejemplo, un ataque que destruye una torre de transmisión regional solo tendría un impacto temporal. El moderno sistema de red eléctrica es capaz de restaurar equipos dañados por desastres naturales como tornados, huracanes, tormentas de hielo y terremotos en un período de tiempo generalmente corto. Esto se debe a la resistencia de la red nacional a tales eventos. "Sería difícil incluso para un gran grupo de terroristas bien organizado causar el daño físico de un tornado de pequeña a moderada escala.[7]
En 2016, miembros de la organización rusa de hackers "Grizzly Steppe" se infiltraron en el sistema informático de una empresa de servicios públicos de Vermont, Burlington Electric , exponiendo la vulnerabilidad de la red eléctrica de la nación a los ataques. Sin embargo, los piratas informáticos no interrumpieron la red eléctrica del estado. Burlington Electric descubrió código de malware en un sistema informático que no estaba conectado a la red. [8]
Posibles soluciones [ editar ]
Hoy, la industria de servicios públicos está avanzando en la seguridad cibernética con una serie de iniciativas. Se están asociando con agencias federales. El objetivo es mejorar la resistencia de todo el sector a las amenazas físicas y cibernéticas. La industria también está trabajando con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , la Corporación de Fiabilidad Eléctrica de América del Norte y las agencias federales de inteligencia y de aplicación de la ley. [9]
En 2017, las compañías eléctricas gastaron 57.200 millones de dólares en seguridad de la red. [10]
En septiembre de 2018, Brien Sheahan, presidente y CEO de la Comisión de Comercio de Illinois y miembro del Comité Asesor de Energía Nuclear del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), y Robert Powelson , ex comisionado de la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC), escribieron en un pieza publicada en Utility Dive que las amenazas cibernéticas al sistema de poder nacional requieren estándares nacionales más fuertes y más colaboración entre los niveles de gobierno. Recientemente en su artículo, el Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. Confirmó que los piratas informáticos rusos atacaron las salas de control de los servicios públicos estadounidenses. El sistema de distribución eléctrica se ha vuelto cada vez más interconectado e interconectado. Los servicios públicos críticos dependen del sistema: suministro de agua, instituciones financieras, hospitales y seguridad pública. Para evitar la interrupción de la red, Sheahan y Powelson recomendaron estándares nacionales y colaboración entre los reguladores de energía federales y estatales. [11]
Algunas empresas de servicios públicos tienen prácticas o equipos específicos de ciberseguridad. Baltimore Gas and Electric realiza simulacros regulares con sus empleados. También comparte información relacionada con amenazas cibernéticas con socios industriales y gubernamentales. Duke Energy formó un equipo corporativo de respuesta a incidentes que se dedica a la seguridad cibernética las 24 horas del día. La unidad trabaja en estrecha colaboración con la administración de emergencias del gobierno y la policía. [4]
Algunos estados tienen procedimientos y prácticas de ciberseguridad: [4]
- Nueva Jersey: las empresas de servicios públicos deben elaborar planes integrales de ciberseguridad.
- Pensilvania: las empresas de servicios públicos deben mantener planes de seguridad física y cibernética, respuesta a emergencias y continuidad comercial. También tienen que reportar ataques cibernéticos severos.
- Texas: la comisión de servicios públicos del estado realiza auditorías de seguridad anuales.
En diciembre de 2018, los senadores estadounidenses Cory Gardner y Michael Bennet presentaron una legislación destinada a mejorar la seguridad de la red en todo el país. Los proyectos de ley crearían un fondo de $ 90 millones que se distribuiría a los estados para desarrollar planes de seguridad energética. La legislación también requeriría que el Departamento de Energía de EE. UU. Identifique cualquier vulnerabilidad a los ataques cibernéticos en la red de energía eléctrica de la nación. [12]
Consejo de Coordinación del Subsector de Electricidad [ editar ]
El Consejo de Coordinación del Subsector de Electricidad (ESCC) es la principal organización de enlace entre el gobierno federal y la industria de la energía eléctrica. Su misión es coordinar los esfuerzos para prepararse y responder a desastres o amenazas a nivel nacional a la infraestructura crítica. El ESCC está compuesto por CEOs de compañías eléctricas y líderes de asociaciones comerciales de todos los segmentos de la industria. Sus contrapartes del gobierno federal incluyen altos funcionarios de la administración de la Casa Blanca, agencias del gabinete relevantes, organismos policiales federales y organizaciones de seguridad nacional.
La energía potencial eléctrica , o energía potencial electrostática , es una energía potencial (medida en julios ) que resulta de fuerzas conservadoras de Coulomb y está asociada con la configuración de un conjunto particular de cargas puntuales dentro de un sistema definido . Un objeto puede tener energía potencial eléctrica en virtud de dos elementos clave: su propia carga eléctrica y su posición relativa con respecto a otros objetos cargados eléctricamente .
El término "energía potencial eléctrica" se usa para describir la energía potencial en sistemas con campos eléctricos de variación temporal , mientras que el término "energía potencial electrostática" se usa para describir la energía potencial en sistemas con campos eléctricos invariantes en el tiempo .
Definición [ editar ]
La energía potencial eléctrica de un sistema de cargas puntuales se define como el trabajo requerido para ensamblar este sistema de cargas acercándolos, como en el sistema desde una distancia infinita.
- La energía potencial electrostática, U E , de un punto de carga q en la posición r en presencia de un campo eléctrico E se define como el negativo del trabajo W realizado por la fuerza electrostática para llevarlo desde la posición de referencia r ref [nota 1 ] a esa posición r . [1] [2] : §25-1 [nota 2]
,
- donde E es el campo electrostático y d r ' es el vector de desplazamiento en una curva desde la posición de referencia r ref a la posición final r .
La energía potencial electrostática también se puede definir a partir del potencial eléctrico de la siguiente manera:
- La energía potencial electrostática, U E , de un punto de carga q en la posición r en presencia de un potencial eléctrico se define como el producto de la carga y el potencial eléctrico.
,
- dónde es el potencial eléctrico generado por las cargas, que es función de la posición r .
Unidades [ editar ]
La unidad SI de energía potencial eléctrica es el joule (llamado así por el físico inglés James Prescott Joule ). En el sistema CGS, el erg es la unidad de energía, que es igual a 10 −7 J. También se pueden usar electronvoltios , 1 eV = 1.602 × 10 −19 J.
Energía potencial electrostática de carga de un punto [ editar ]
Un punto de carga q en presencia de otro punto de carga Q [ editar ]
La energía potencial electrostática, U E , de una carga puntual q en la posición r en presencia de una carga puntual Q , tomando una separación infinita entre las cargas como la posición de referencia, es:
,
dónde es la constante de Coulomb , r es la distancia entre las cargas puntuales q y Q , y q y Q son las cargas (no los valores absolutos de las cargas, es decir, un electrón tendría un valor negativo de carga cuando se coloca en la fórmula). El siguiente esquema de prueba establece la derivación de la definición de energía potencial eléctrica y la ley de Coulomb a esta fórmula.
esquema de prueba La fuerza electrostática F que actúa sobre una carga q puede escribirse en términos del campo eléctrico E como- ,
Por definición, el cambio en la energía potencial electrostática, U E , de una carga puntual q que se ha movido desde la posición de referencia r ref a la posición r en presencia de un campo eléctrico E es el negativo del trabajo realizado por la fuerza electrostática para llévelo desde la posición de referencia r ref a esa posición r .- .
dónde:- r = posición en el espacio 3d de la carga q , usando coordenadas cartesianas r = ( x , y , z ), tomando la posición de la carga Q en r = (0,0,0), el escalar r = | r | es la norma del vector de posición,
- d s = vector de desplazamiento diferencial a lo largo de una trayectoria C que va de r ref a r ,
- es el trabajo realizado por la fuerza electrostática para llevar la carga desde la posición de referencia r ref a r ,
Por lo general, U E se establece en cero cuando r ref es infinito:asi queCuando el rizo ∇ × E es cero, la integral de línea anterior no depende de la ruta específica C elegida, sino solo de sus puntos finales. Esto sucede en campos eléctricos invariantes en el tiempo. Cuando se habla de energía potencial electrostática, siempre se asumen campos eléctricos invariantes en el tiempo, por lo que, en este caso, el campo eléctrico es conservador y se puede usar la ley de Coulomb.Usando la ley de Coulomb , se sabe que la fuerza electrostática F y el campo eléctrico E creado por una carga puntual discreta Q se dirigen radialmente desde Q . Por la definición del vector de posición r y el desplazamiento del vector s , se deduce que r y s también están dirigidos radialmente desde Q . Entonces, E y d s deben ser paralelas:Usando la ley de Coulomb, el campo eléctrico está dado pory la integral se puede evaluar fácilmente:
Un punto de carga q en presencia de n puntos de carga Q i [ editar ]
La energía potencial electrostática, U E , de una carga puntual q en presencia de n cargas puntuales Q i , tomando una separación infinita entre las cargas como posición de referencia, es:
,
dónde es la constante de Coulomb , r i es la distancia entre las cargas puntuales q y Q i , y q & Q i son los valores con signo de las cargas.
Energía potencial electrostática almacenada en un sistema de cargas puntuales [ editar ]
La energía potencial electrostática U E almacenada en un sistema de N cargas q 1 , q 2 , ..., q N en las posiciones r 1 , r 2 , ..., r N respectivamente, es:
,
|
( 1 )
|
donde, para cada valor de i , Φ ( r i ) es el potencial electrostático debido a todas las cargas puntuales, excepto la de r i , [nota 3] y es igual a:
,
donde r ij es la distancia entre q j y q i .
esquema de prueba La energía potencial electrostática U E almacenada en un sistema de dos cargas es igual a la energía potencial electrostática de una carga en el potencial electrostático generado por la otra. Es decir, si la carga q 1 genera un potencial electrostático Φ 1 , que es una función de la posición r , entoncesHaciendo el mismo cálculo con respecto al otro cargo, obtenemosLa energía potencial electrostática es compartida mutuamente por y , entonces la energía total almacenada esEsto puede generalizarse para decir que la energía potencial electrostática U E almacenada en un sistema de N cargas q 1 , q 2 , ..., q N en las posiciones r 1 , r 2 , ..., r N respectivamente, es:.
Energía almacenada en un sistema de carga de un punto [ editar ]
La energía potencial electrostática de un sistema que contiene solo una carga puntual es cero, ya que no hay otras fuentes de potencial electrostático contra las cuales un agente externo debe trabajar para mover la carga puntual desde el infinito hasta su ubicación final.
Surge una pregunta común sobre la interacción de una carga puntual con su propio potencial electrostático. Dado que esta interacción no actúa para mover la carga puntual en sí misma, no contribuye a la energía almacenada del sistema.
Energía almacenada en un sistema de cargas de dos puntos [ editar ]
Considere llevar una carga puntual, q , a su posición final cerca de una carga puntual, Q 1 . El potencial electrostático Φ ( r ) debido a Q 1 es
Por lo tanto, obtenemos, la energía potencial eléctrica de q en el potencial de Q 1 como
donde r 1 es la separación entre las dos cargas puntuales.
Energía almacenada en un sistema de cargas de tres puntos [ editar ]
La energía potencial electrostática de un sistema de tres cargas no debe confundirse con la energía potencial electrostática de Q 1 debido a dos cargas Q 2 y Q 3 , porque esta última no incluye la energía potencial electrostática del sistema de las dos cargas. Q 2 y Q 3 .
La energía potencial electrostática almacenada en el sistema de tres cargas es:
esquema de prueba Usando la fórmula dada en ( 1 ), la energía potencial electrostática del sistema de las tres cargas será entonces:Dónde es el potencial eléctrico en r 1 creado por las cargas Q 2 y Q 3 ,es el potencial eléctrico en r 2 creado por las cargas Q 1 y Q 3 , yes el potencial eléctrico en r 3 creado por las cargas Q 1 y Q 2 . Los potenciales son:Donde r ab es la distancia entre la carga Q a y Q b .Si agregamos todo:Finalmente, obtenemos que la energía potencial electrostática almacenada en el sistema de tres cargas:
Energía almacenada en una distribución de campo electrostático [ editar ]
La densidad de energía, o energía por unidad de volumen, , del campo electrostático de una distribución de carga continua es:
esquema de prueba Se puede tomar la ecuación para la energía potencial electrostática de una distribución de carga continua y ponerla en términos del campo electrostático .dónde- es el vector de campo eléctrico
- es la densidad de carga total, incluidas las cargas dipolares unidas en un material
- es la permitividad del espacio libre ,
luego,entonces, ahora usando la siguiente identidad de vector de divergenciatenemos
Energía almacenada en elementos electrónicos [ editar ]
Algunos elementos en un circuito pueden convertir energía de una forma a otra. Por ejemplo, una resistencia convierte la energía eléctrica en calor. Esto se conoce como el efecto Joule . Un condensador lo almacena en su campo eléctrico. La energía potencial eléctrica total almacenada en un condensador viene dada por
donde C es la capacitancia , V es la diferencia de potencial eléctrico y Q la carga almacenada en el capacitor.
esquema de prueba Uno puede ensamblar cargas a un condensador en incrementos infinitesimales, , de modo que la cantidad de trabajo realizado para ensamblar cada incremento a su ubicación final se pueda expresar comoEl trabajo total realizado para cargar completamente el condensador de esta manera es entoncesdónde es la carga total en el condensador. Este trabajo se almacena como energía potencial electrostática, por lo tanto,Notablemente, esta expresión solo es válida si , que es válido para sistemas de muchas cargas, como condensadores grandes que tienen electrodos metálicos. Para sistemas de pocas cargas, la naturaleza discreta de la carga es importante. La energía total almacenada en un condensador de pocas cargas esque se obtiene mediante un método de ensamblaje de carga utilizando el incremento de carga física más pequeño dónde es la unidad primaria de carga y dónde es el número total de cargas en el condensador.
La energía potencial electrostática total también puede expresarse en términos del campo eléctrico en la forma
dónde es el desplazamiento del campo eléctrico dentro de un material dieléctrico y la integración se realiza en todo el volumen del dieléctrico.
La energía potencial electrostática total almacenada dentro de un dieléctrico cargado también puede expresarse en términos de una carga de volumen continuo, ,
donde la integración es sobre todo el volumen del dieléctrico.
Estas dos últimas expresiones son válidas solo para los casos en que el incremento de carga más pequeño es cero () como dieléctricos en presencia de electrodos metálicos o dieléctricos que contienen muchas cargas.
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