基于智能照明系统的电力网络安全监测与控制

2024-01-11虞明标

灯与照明 2023年4期

虞明标

（丽水永道电力建设有限公司，浙江丽水 321400）

随着智能电网和智能城市理念的提出，智能照明系统得以广泛应用[1]。智能照明系统可收集各类环境参数，并以轮询的方式将数据发送到控制中心，实现对电网运行状态的监测。文章着眼于智能照明系统中的传感器，研究基于智能照明系统的电网安全监测与控制策略，以期为智能照明系统在电网安全监控中的应用提供理论支持和技术参考。

1 智能照明系统概述

1.1 智能照明系统组成

智能照明系统主要由照明装置、传感器、通信模块和控制器4部分组成[2]。照明装置使用LED作为光源，配合LED驱动电源可以实现对光线强度的精确调控。传感器用于检测环境参数，如光线、温湿度、图像等，并转换为数字信号输出。通信模块负责传输传感器采集的数据，技术上可以采用有线网络或无线网络，如Wi-Fi、ZigBee等。控制器是智能照明系统的“大脑”，它收集并分析传感器数据，运用控制算法计算出最优的光照参数，并向LED驱动电源发送控制指令，完成对照明的调节。

1.2 智能照明系统工作原理

智能照明系统的工作原理可概括为环境数据采集、网络传输、控制策略分析和照明调节4个步骤。系统中各类传感器实时监测环境参数，如温湿度传感器测量温度范围在-10～50 ℃，湿度范围0%～100% RH，采样频率为0.1 Hz，这些模拟信号经过A/D转换后发送到通信模块[3]。通信模块将采集的数据以250 kbps的速率进行ZigBee传输。同时，采用AES128加密算法和SHA256哈希算法对数据进行加密，保证传输安全性，通信范围可达300 m。控制器接收传感器数据后，调用预设的神经网络模型，快速判断当前环境参数，并计算出最优的照明控制策略。控制模型采用了迁移学习算法，可实现场景自适应。模型输入为传感数据，输出为LED驱动电源的PWM控制信号。LED驱动电源接收控制器的参数，通过改变PWM占空比来调节LED电流的大小，从而控制光线的强弱。

2 基于智能照明的电网安全监测

2.1 实时数据分析与异常检测

智能照明系统可以通过其传感网络，对电网的运行状态进行实时监测，及时发现异常情况。系统中集成电压、电流传感器，对电网电压、电流、功率等参数进行采样。采样频率为1 000 Hz，精度达到0.1%。同时，温湿度传感器监测配电室环境，防止设备过热。这些模拟信号经A/D转换后，以100 kbps速率发送到控制器[4]。控制器借助机器学习算法，建立各参数的精确数字模型。电压模型采用LSTM网络，输入为过去24 h数据，输出为未来1 h预测，同时给出置信区间。电流模型使用随机森林算法，经过训练其误差可控制在0.8%以内。控制器每15 min对模型进行一次增量学习，使之适应电网的实时状态。当监测到的参数超出模型给出的置信区间时，控制器即判定为异常情况。例如，某相电压超过107%或低于93%的额定电压，即认为发生了过压或欠压故障。控制器还可以综合各参数的异常情况，进行故障诊断，所有故障报警及参数数据均传输到上级监控中心。

2.2 物联网集成技术

智能照明系统与电网的物联网集成，可以进一步拓展监测范围，实现对关键设备运行状态的全面监控。智能照明系统通过 NB-IoT 或 LoRa 等物联网通信技术，与配电室的开关设备、变压器、绝缘子等建立连接。这些设备端集成传感器，实时上传运行数据至智能照明系统的控制器，如油位、总谐波失真等参数。控制器利用机器学习算法分析设备运行状态，一旦监测到异常，即向上级控制中心发送报警信号。同时，智能照明系统还可集成配电室的视频监控系统，上传与运行参数相关的图像数据，控制中心的运维人员可远程登录系统，通过视频图像与数据双重验证，提高设备异常检测的准确性。

2.3 能量消耗优化与管理

智能照明系统可以根据电网负荷情况，优化和管理其能耗，实现与电网的协同运行。控制器接收电网边缘服务器发送的预测负荷曲线数据，结合本地照明需求，规划未来24 h内的负荷曲线。若预计电网高峰时段到来，控制器自动切换到节能模式，降低照明亮度，并控制非关键负载断开。同时，与配电室储能系统连接，在电网负荷低谷时充电，高峰时放电，实现峰谷削平。另一方面，智能照明系统还可以根据电价变化，制定最优用电策略。当实时电价较高时，主要利用储能系统供电；电价较低时，控制器指令电网供电，充储能电池。

3 基于智能照明的电网安全控制

3.1 自适应控制策略

智能照明系统可根据电网异常情况，采用自适应控制策略进行有效干预。当电网出现故障导致电压暂降时，智能照明系统的控制器可检测电压下降幅度、持续时间等参数。控制器将动态评估当前照明负载对电网的影响，如果负载过大可能会加剧故障，此时，及时下发控制指令，使非关键照明负载暂时断开，降低对电网的冲击。同时最大限度调亮关键区域照明，提高亮度，保证安全。如果故障导致电压严重失稳，控制器将启动应急预案，指令存储电池放电，维持重要区域供电不间断。等电网电压恢复正常后，控制器逐步恢复非关键照明负载，并确保照明质量。

3.2 分布式能源资源（DER）管理

智能照明系统可以对配电网中的分布式能源（DER）进行有效管理，提高系统的灵活性与经济性。智能照明系统的控制器可以与微电网中的光伏、风电、储能等DER建立通信连接和信息共享。根据DER的实时发电数据和状态，控制器计算出优化调度方案。在日间光伏发电高峰时，指令DER将多余电能储存；夜间风电与储能并网供电，减少对电网的依赖。控制器还可以预测下一时段电价变化，制定电池的充放电策略以达到最小运行成本。例如，在零售电价较低时购电，在峰价期间放电，既减少系统电费也起到峰谷削平作用。此外，当电网发生故障时，控制器快速响应，指令DER与储能并网形成微电网，保障重要负载的供电质量，系统还与上级能源管理系统连接，根据调度指令进行相应的DER协调管理。通过与DER的信息集成管理，智能照明系统提高了自身的经济效益，也增强了配电网的自我恢复能力，实现对分布式能源的监控与优化调度，有效提升电网的安全性与经济性。

3.3 网络安全和数据保护

智能照明系统的网络安全和数据保护也至关重要。系统需要采取以下技术手段进行保护：控制器与传感器之间的数据通信需要加密，一般采用AES对称加密算法，密钥长度不小于128位，防止通信内容被截取；系统各智能设备需要部署数字证书，并在通信建立时进行双向认证，防止非法设备接入；控制器需要运行IDS（入侵检测系统），监测通信流量异常，并利用机器学习算法检测攻击行为；只有经过授权的用户和设备才能访问系统资源，需要建立RBAC（基于角色的访问控制）体系；在通信、认证、检测等多个维度采取综合安全措施，有效保护智能照明系统的安全运行，防止被黑客攻击导致的电网安全事故，确保电网的稳定可靠。

4 基于智能照明系统的电网安全监控系统设计及实现

4.1 系统网络架构设计

智能照明系统进行电网监控的网络架构设计采用分层模型，由感知层、网络层、应用层组成[5]。感知层通过光敏电阻、电压电流传感器等采集电力系统数据，经由智能照明控制器的模数转换获得数字信号。网络层主要由ZigBee等无线网络实现，具有自组网、多跳传输等特点。应用层部署在控制中心服务器，具有强大的数据处理和分析功能，运行时序数据库、机器学习算法等，可以处理海量监测数据并输出控制指令或报警信息，中心服务器与电网边缘计算服务器打通信息接口。该架构充分利用智能照明系统广布的终端采集电网数据，无线网络具备扩展性强、部署便捷的优点，应用层服务器具有强大分析功能，整体构成一个高效、经济的电网监控解决方案。

4.2 硬件选择和系统搭建

智能照明电网监控系统的硬件选择和搭建需要考虑以下方面：选用精度高、响应快的电压、电流传感器，基于霍尔效应的传感器精度可达0.2%，满足监测需求。采用STM32高性能MCU，具有丰富接口和足够存储空间，可实现数据采集、网络通信和控制算法。使用工业级ZigBee模块，传输速率250 kb/s，支持Mesh网络拓扑，传输范围可达1 km。设计稳压供电电路为传感器和控制器供电，防止电网故障影响。控制中心服务器采用Xeon多核CPU以及GPU硬件，用于海量数据分析，内存不小于64 GB，存储大于10 T，操作系统为CentOS 7.6。控制器采用μC/OS-III实时系统，服务器软件基于Spark、Hadoop进行大数据分析。数据库选用InfluxDB时序数据库。通过精心设计的硬件选型和搭建，智能照明系统可以作为稳定可靠的数据采集终端，将电力系统运行参数准确可靠地传递到监控中心，实现对电网安全状态的监测。

4.3 软件功能设计与编程

智能照明电网监控系统的软件功能主要包括：1）数据采集模块。通过控制器的ADC采集各类传感器数据，编写驱动程序实现参数配置、校准等功能；2）数据传输模块。利用TCP/IP协议开发ZigBee网络通信程序，实现网络连接、数据封装、网络分组等功能，采用AES128加密算法保证数据安全性；3）数据库模块。使用C/S架构，开发数据库服务器端，用于存储结构化监测数据，并提供查询接口，客户端负责数据插入；4）数据分析模块。基于Python和机器学习库，开发电网状态评估模型，包含LSTM预测电压故障、随机森林检测谐波等算法；5）可视化模块。使用Web技术，提供实时监测数据以及系统状态的可视化界面，方便人机交互；6）自动控制模块。根据数据分析结果，编写控制算法，精确计算并向智能照明系统下发控制指令，实现自动故障防护。

4.4 系统测试与评价

智能照明电网监控系统的测试与评价是一个系统工程，需要按照完整的流程进行。首先，从单个软硬件模块开始进行单元测试。验证各模块的功能实现是否符合设计需求，性能指标是否达到预期。如操作系统的实时调度能力，通信模块的数据吞吐量，控制算法的执行逻辑等。然后，多个模块集成后开始系统级测试。这需要模拟各类复杂场景，检查系统在不同操作条件下的响应情况。例如，高速并发检测数据的输入，电网故障造成的稳态参数突变等。要测试整个系统的健壮性和容错能力，此外，还需要进行全面的安全测试，包含代码安全审计、系统漏洞扫描、网络入侵检测等，数据备份与灾难恢复测试也很重要，确保系统无安全隐患。最后是长时间现场测试，在实际环境中检验系统的可靠性。过程中需要定期汇总系统运行指标，测试结果汇总形成报告，与设计目标进行对比，得到监控系统满足需求的程度（见表1）。综合这些测试，可以全面评估监控系统的功能、性能、安全性、可靠性等，确认其能够稳定、高效、安全地运行，达到电网安全监测的应用需求。