基于智能照明系統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測與控制

虞明標(biāo)

（麗水永道電力建設(shè)有限公司，浙江 麗水 321400）

隨著智能電網(wǎng)和智能城市理念的提出，智能照明系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用[1]。智能照明系統(tǒng)可收集各類環(huán)境參數(shù)，并以輪詢的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，實現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。文章著眼于智能照明系統(tǒng)中的傳感器，研究基于智能照明系統(tǒng)的電網(wǎng)安全監(jiān)測與控制策略，以期為智能照明系統(tǒng)在電網(wǎng)安全監(jiān)控中的應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。

1 智能照明系統(tǒng)概述

1.1 智能照明系統(tǒng)組成

智能照明系統(tǒng)主要由照明裝置、傳感器、通信模塊和控制器4部分組成[2]。照明裝置使用LED作為光源，配合LED驅(qū)動電源可以實現(xiàn)對光線強(qiáng)度的精確調(diào)控。傳感器用于檢測環(huán)境參數(shù)，如光線、溫濕度、圖像等，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。通信模塊負(fù)責(zé)傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)，技術(shù)上可以采用有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)，如Wi-Fi、ZigBee等。控制器是智能照明系統(tǒng)的“大腦”，它收集并分析傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)用控制算法計算出最優(yōu)的光照參數(shù)，并向LED驅(qū)動電源發(fā)送控制指令，完成對照明的調(diào)節(jié)。

1.2 智能照明系統(tǒng)工作原理

智能照明系統(tǒng)的工作原理可概括為環(huán)境數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、控制策略分析和照明調(diào)節(jié)4個步驟。系統(tǒng)中各類傳感器實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，如溫濕度傳感器測量溫度范圍在-10～50 ℃，濕度范圍0%～100% RH，采樣頻率為0.1 Hz，這些模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到通信模塊[3]。通信模塊將采集的數(shù)據(jù)以250 kbps的速率進(jìn)行ZigBee傳輸。同時，采用AES128加密算法和SHA256哈希算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證傳輸安全性，通信范圍可達(dá)300 m。控制器接收傳感器數(shù)據(jù)后，調(diào)用預(yù)設(shè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，快速判斷當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，并計算出最優(yōu)的照明控制策略。控制模型采用了遷移學(xué)習(xí)算法，可實現(xiàn)場景自適應(yīng)。模型輸入為傳感數(shù)據(jù)，輸出為LED驅(qū)動電源的PWM控制信號。LED驅(qū)動電源接收控制器的參數(shù)，通過改變PWM占空比來調(diào)節(jié)LED電流的大小，從而控制光線的強(qiáng)弱。

2 基于智能照明的電網(wǎng)安全監(jiān)測

2.1 實時數(shù)據(jù)分析與異常檢測

智能照明系統(tǒng)可以通過其傳感網(wǎng)絡(luò)，對電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。系統(tǒng)中集成電壓、電流傳感器，對電網(wǎng)電壓、電流、功率等參數(shù)進(jìn)行采樣。采樣頻率為1 000 Hz，精度達(dá)到0.1%。同時，溫濕度傳感器監(jiān)測配電室環(huán)境，防止設(shè)備過熱。這些模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，以100 kbps速率發(fā)送到控制器[4]。控制器借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立各參數(shù)的精確數(shù)字模型。電壓模型采用LSTM網(wǎng)絡(luò)，輸入為過去24 h數(shù)據(jù)，輸出為未來1 h預(yù)測，同時給出置信區(qū)間。電流模型使用隨機(jī)森林算法，經(jīng)過訓(xùn)練其誤差可控制在0.8%以內(nèi)。控制器每15 min對模型進(jìn)行一次增量學(xué)習(xí)，使之適應(yīng)電網(wǎng)的實時狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測到的參數(shù)超出模型給出的置信區(qū)間時，控制器即判定為異常情況。例如，某相電壓超過107%或低于93%的額定電壓，即認(rèn)為發(fā)生了過壓或欠壓故障。控制器還可以綜合各參數(shù)的異常情況，進(jìn)行故障診斷，所有故障報警及參數(shù)數(shù)據(jù)均傳輸?shù)缴霞壉O(jiān)控中心。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)集成技術(shù)

智能照明系統(tǒng)與電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)集成，可以進(jìn)一步拓展監(jiān)測范圍，實現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控。智能照明系統(tǒng)通過 NB-IoT 或 LoRa 等物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，與配電室的開關(guān)設(shè)備、變壓器、絕緣子等建立連接。這些設(shè)備端集成傳感器，實時上傳運(yùn)行數(shù)據(jù)至智能照明系統(tǒng)的控制器，如油位、總諧波失真等參數(shù)。控制器利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦監(jiān)測到異常，即向上級控制中心發(fā)送報警信號。同時，智能照明系統(tǒng)還可集成配電室的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，上傳與運(yùn)行參數(shù)相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)，控制中心的運(yùn)維人員可遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，通過視頻圖像與數(shù)據(jù)雙重驗證，提高設(shè)備異常檢測的準(zhǔn)確性。

2.3 能量消耗優(yōu)化與管理

智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷情況，優(yōu)化和管理其能耗，實現(xiàn)與電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行。控制器接收電網(wǎng)邊緣服務(wù)器發(fā)送的預(yù)測負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)，結(jié)合本地照明需求，規(guī)劃未來24 h內(nèi)的負(fù)荷曲線。若預(yù)計電網(wǎng)高峰時段到來，控制器自動切換到節(jié)能模式，降低照明亮度，并控制非關(guān)鍵負(fù)載斷開。同時，與配電室儲能系統(tǒng)連接，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時充電，高峰時放電，實現(xiàn)峰谷削平。另一方面，智能照明系統(tǒng)還可以根據(jù)電價變化，制定最優(yōu)用電策略。當(dāng)實時電價較高時，主要利用儲能系統(tǒng)供電；電價較低時，控制器指令電網(wǎng)供電，充儲能電池。

3 基于智能照明的電網(wǎng)安全控制

3.1 自適應(yīng)控制策略

智能照明系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)異常情況，采用自適應(yīng)控制策略進(jìn)行有效干預(yù)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓暫降時，智能照明系統(tǒng)的控制器可檢測電壓下降幅度、持續(xù)時間等參數(shù)。控制器將動態(tài)評估當(dāng)前照明負(fù)載對電網(wǎng)的影響，如果負(fù)載過大可能會加劇故障，此時，及時下發(fā)控制指令，使非關(guān)鍵照明負(fù)載暫時斷開，降低對電網(wǎng)的沖擊。同時最大限度調(diào)亮關(guān)鍵區(qū)域照明，提高亮度，保證安全。如果故障導(dǎo)致電壓嚴(yán)重失穩(wěn)，控制器將啟動應(yīng)急預(yù)案，指令存儲電池放電，維持重要區(qū)域供電不間斷。等電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，控制器逐步恢復(fù)非關(guān)鍵照明負(fù)載，并確保照明質(zhì)量。

3.2 分布式能源資源（DER）管理

智能照明系統(tǒng)可以對配電網(wǎng)中的分布式能源（DER）進(jìn)行有效管理，提高系統(tǒng)的靈活性與經(jīng)濟(jì)性。智能照明系統(tǒng)的控制器可以與微電網(wǎng)中的光伏、風(fēng)電、儲能等DER建立通信連接和信息共享。根據(jù)DER的實時發(fā)電數(shù)據(jù)和狀態(tài)，控制器計算出優(yōu)化調(diào)度方案。在日間光伏發(fā)電高峰時，指令DER將多余電能儲存；夜間風(fēng)電與儲能并網(wǎng)供電，減少對電網(wǎng)的依賴。控制器還可以預(yù)測下一時段電價變化，制定電池的充放電策略以達(dá)到最小運(yùn)行成本。例如，在零售電價較低時購電，在峰價期間放電，既減少系統(tǒng)電費(fèi)也起到峰谷削平作用。此外，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，控制器快速響應(yīng)，指令DER與儲能并網(wǎng)形成微電網(wǎng)，保障重要負(fù)載的供電質(zhì)量，系統(tǒng)還與上級能源管理系統(tǒng)連接，根據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行相應(yīng)的DER協(xié)調(diào)管理。通過與DER的信息集成管理，智能照明系統(tǒng)提高了自身的經(jīng)濟(jì)效益，也增強(qiáng)了配電網(wǎng)的自我恢復(fù)能力，實現(xiàn)對分布式能源的監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度，有效提升電網(wǎng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保護(hù)

智能照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保護(hù)也至關(guān)重要。系統(tǒng)需要采取以下技術(shù)手段進(jìn)行保護(hù)：控制器與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信需要加密，一般采用AES對稱加密算法，密鑰長度不小于128位，防止通信內(nèi)容被截取；系統(tǒng)各智能設(shè)備需要部署數(shù)字證書，并在通信建立時進(jìn)行雙向認(rèn)證，防止非法設(shè)備接入；控制器需要運(yùn)行IDS（入侵檢測系統(tǒng)），監(jiān)測通信流量異常，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法檢測攻擊行為；只有經(jīng)過授權(quán)的用戶和設(shè)備才能訪問系統(tǒng)資源，需要建立RBAC（基于角色的訪問控制）體系；在通信、認(rèn)證、檢測等多個維度采取綜合安全措施，有效保護(hù)智能照明系統(tǒng)的安全運(yùn)行，防止被黑客攻擊導(dǎo)致的電網(wǎng)安全事故，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。

4 基于智能照明系統(tǒng)的電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

智能照明系統(tǒng)進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計采用分層模型，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成[5]。感知層通過光敏電阻、電壓電流傳感器等采集電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)由智能照明控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號。網(wǎng)絡(luò)層主要由ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，具有自組網(wǎng)、多跳傳輸?shù)忍攸c。應(yīng)用層部署在控制中心服務(wù)器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，運(yùn)行時序數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，可以處理海量監(jiān)測數(shù)據(jù)并輸出控制指令或報警信息，中心服務(wù)器與電網(wǎng)邊緣計算服務(wù)器打通信息接口。該架構(gòu)充分利用智能照明系統(tǒng)廣布的終端采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)絡(luò)具備擴(kuò)展性強(qiáng)、部署便捷的優(yōu)點，應(yīng)用層服務(wù)器具有強(qiáng)大分析功能，整體構(gòu)成一個高效、經(jīng)濟(jì)的電網(wǎng)監(jiān)控解決方案。

4.2 硬件選擇和系統(tǒng)搭建

智能照明電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選擇和搭建需要考慮以下方面：選用精度高、響應(yīng)快的電壓、電流傳感器，基于霍爾效應(yīng)的傳感器精度可達(dá)0.2%，滿足監(jiān)測需求。采用STM32高性能MCU，具有豐富接口和足夠存儲空間，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信和控制算法。使用工業(yè)級ZigBee模塊，傳輸速率250 kb/s，支持Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑐鬏敺秶蛇_(dá)1 km。設(shè)計穩(wěn)壓供電電路為傳感器和控制器供電，防止電網(wǎng)故障影響。控制中心服務(wù)器采用Xeon多核CPU以及GPU硬件，用于海量數(shù)據(jù)分析，內(nèi)存不小于64 GB，存儲大于10 T，操作系統(tǒng)為CentOS 7.6。控制器采用μC/OS-III實時系統(tǒng)，服務(wù)器軟件基于Spark、Hadoop進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)庫選用InfluxDB時序數(shù)據(jù)庫。通過精心設(shè)計的硬件選型和搭建，智能照明系統(tǒng)可以作為穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集終端，將電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)準(zhǔn)確可靠地傳遞到監(jiān)控中心，實現(xiàn)對電網(wǎng)安全狀態(tài)的監(jiān)測。

4.3 軟件功能設(shè)計與編程

智能照明電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能主要包括：1）數(shù)據(jù)采集模塊。通過控制器的ADC采集各類傳感器數(shù)據(jù)，編寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)配置、校準(zhǔn)等功能；2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。利用TCP/IP協(xié)議開發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信程序，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)封裝、網(wǎng)絡(luò)分組等功能，采用AES128加密算法保證數(shù)據(jù)安全性；3）數(shù)據(jù)庫模塊。使用C/S架構(gòu)，開發(fā)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，用于存儲結(jié)構(gòu)化監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供查詢接口，客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)插入；4）數(shù)據(jù)分析模塊。基于Python和機(jī)器學(xué)習(xí)庫，開發(fā)電網(wǎng)狀態(tài)評估模型，包含LSTM預(yù)測電壓故障、隨機(jī)森林檢測諧波等算法；5）可視化模塊。使用Web技術(shù)，提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)狀態(tài)的可視化界面，方便人機(jī)交互；6）自動控制模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，編寫控制算法，精確計算并向智能照明系統(tǒng)下發(fā)控制指令，實現(xiàn)自動故障防護(hù)。

4.4 系統(tǒng)測試與評價

智能照明電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的測試與評價是一個系統(tǒng)工程，需要按照完整的流程進(jìn)行。首先，從單個軟硬件模塊開始進(jìn)行單元測試。驗證各模塊的功能實現(xiàn)是否符合設(shè)計需求，性能指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)期。如操作系統(tǒng)的實時調(diào)度能力，通信模塊的數(shù)據(jù)吞吐量，控制算法的執(zhí)行邏輯等。然后，多個模塊集成后開始系統(tǒng)級測試。這需要模擬各類復(fù)雜場景，檢查系統(tǒng)在不同操作條件下的響應(yīng)情況。例如，高速并發(fā)檢測數(shù)據(jù)的輸入，電網(wǎng)故障造成的穩(wěn)態(tài)參數(shù)突變等。要測試整個系統(tǒng)的健壯性和容錯能力，此外，還需要進(jìn)行全面的安全測試，包含代碼安全審計、系統(tǒng)漏洞掃描、網(wǎng)絡(luò)入侵檢測等，數(shù)據(jù)備份與災(zāi)難恢復(fù)測試也很重要，確保系統(tǒng)無安全隱患。最后是長時間現(xiàn)場測試，在實際環(huán)境中檢驗系統(tǒng)的可靠性。過程中需要定期匯總系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，測試結(jié)果匯總形成報告，與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行對比，得到監(jiān)控系統(tǒng)滿足需求的程度（見表1）。綜合這些測試，可以全面評估監(jiān)控系統(tǒng)的功能、性能、安全性、可靠性等，確認(rèn)其能夠穩(wěn)定、高效、安全地運(yùn)行，達(dá)到電網(wǎng)安全監(jiān)測的應(yīng)用需求。

表1 智能照明電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)測試

5 結(jié)論

綜上，借助廣泛分布的智能照明系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行有針對性的控制，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營與安全穩(wěn)定性。隨著智能照明系統(tǒng)的不斷普及，這一監(jiān)控方案也將發(fā)揮越來越重要的作用，為建設(shè)智慧電網(wǎng)提供技術(shù)支持。