基于智能照明系統的電力網絡安全監測與控制

虞明標

（麗水永道電力建設有限公司，浙江 麗水 321400）

隨著智能電網和智能城市理念的提出，智能照明系統得以廣泛應用[1]。智能照明系統可收集各類環境參數，并以輪詢的方式將數據發送到控制中心，實現對電網運行狀態的監測。文章著眼于智能照明系統中的傳感器，研究基于智能照明系統的電網安全監測與控制策略，以期為智能照明系統在電網安全監控中的應用提供理論支持和技術參考。

1 智能照明系統概述

1.1 智能照明系統組成

智能照明系統主要由照明裝置、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驅動電源可以實現對光線強度的精確調控。傳感器用于檢測環境參數，如光線、溫濕度、圖像等，并轉換為數字信號輸出。通信模塊負責傳輸傳感器采集的數據，技術上可以采用有線網絡或無線網絡，如Wi-Fi、ZigBee等?？刂破魇侵悄苷彰飨到y的“大腦”，它收集并分析傳感器數據，運用控制算法計算出最優的光照參數，并向LED驅動電源發送控制指令，完成對照明的調節。

1.2 智能照明系統工作原理

智能照明系統的工作原理可概括為環境數據采集、網絡傳輸、控制策略分析和照明調節4個步驟。系統中各類傳感器實時監測環境參數，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，這些模擬信號經過A/D轉換后發送到通信模塊[3]。通信模塊將采集的數據以250 kbps的速率進行ZigBee傳輸。同時，采用AES128加密算法和SHA256哈希算法對數據進行加密，保證傳輸安全性，通信范圍可達300 m?？刂破鹘邮諅鞲衅鲾祿?，調用預設的神經網絡模型，快速判斷當前環境參數，并計算出最優的照明控制策略?？刂颇Ｐ筒捎昧诉w移學習算法，可實現場景自適應。模型輸入為傳感數據，輸出為LED驅動電源的PWM控制信號。LED驅動電源接收控制器的參數，通過改變PWM占空比來調節LED電流的大小，從而控制光線的強弱。

2 基于智能照明的電網安全監測

2.1 實時數據分析與異常檢測

智能照明系統可以通過其傳感網絡，對電網的運行狀態進行實時監測，及時發現異常情況。系統中集成電壓、電流傳感器，對電網電壓、電流、功率等參數進行采樣。采樣頻率為1 000 Hz，精度達到0.1%。同時，溫濕度傳感器監測配電室環境，防止設備過熱。這些模擬信號經A/D轉換后，以100 kbps速率發送到控制器[4]?？刂破鹘柚鷻C器學習算法，建立各參數的精確數字模型。電壓模型采用LSTM網絡，輸入為過去24 h數據，輸出為未來1 h預測，同時給出置信區間。電流模型使用隨機森林算法，經過訓練其誤差可控制在0.8%以內?？刂破髅?5 min對模型進行一次增量學習，使之適應電網的實時狀態。當監測到的參數超出模型給出的置信區間時，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，即認為發生了過壓或欠壓故障?？刂破鬟€可以綜合各參數的異常情況，進行故障診斷，所有故障報警及參數數據均傳輸到上級監控中心。

2.2 物聯網集成技術

智能照明系統與電網的物聯網集成，可以進一步拓展監測范圍，實現對關鍵設備運行狀態的全面監控。智能照明系統通過 NB-IoT 或 LoRa 等物聯網通信技術，與配電室的開關設備、變壓器、絕緣子等建立連接。這些設備端集成傳感器，實時上傳運行數據至智能照明系統的控制器，如油位、總諧波失真等參數?？刂破骼脵C器學習算法分析設備運行狀態，一旦監測到異常，即向上級控制中心發送報警信號。同時，智能照明系統還可集成配電室的視頻監控系統，上傳與運行參數相關的圖像數據，控制中心的運維人員可遠程登錄系統，通過視頻圖像與數據雙重驗證，提高設備異常檢測的準確性。

2.3 能量消耗優化與管理

智能照明系統可以根據電網負荷情況，優化和管理其能耗，實現與電網的協同運行?？刂破鹘邮针娋W邊緣服務器發送的預測負荷曲線數據，結合本地照明需求，規劃未來24 h內的負荷曲線。若預計電網高峰時段到來，控制器自動切換到節能模式，降低照明亮度，并控制非關鍵負載斷開。同時，與配電室儲能系統連接，在電網負荷低谷時充電，高峰時放電，實現峰谷削平。另一方面，智能照明系統還可以根據電價變化，制定最優用電策略。當實時電價較高時，主要利用儲能系統供電；電價較低時，控制器指令電網供電，充儲能電池。

3 基于智能照明的電網安全控制

3.1 自適應控制策略

智能照明系統可根據電網異常情況，采用自適應控制策略進行有效干預。當電網出現故障導致電壓暫降時，智能照明系統的控制器可檢測電壓下降幅度、持續時間等參數?？刂破鲗討B評估當前照明負載對電網的影響，如果負載過大可能會加劇故障，此時，及時下發控制指令，使非關鍵照明負載暫時斷開，降低對電網的沖擊。同時最大限度調亮關鍵區域照明，提高亮度，保證安全。如果故障導致電壓嚴重失穩，控制器將啟動應急預案，指令存儲電池放電，維持重要區域供電不間斷。等電網電壓恢復正常后，控制器逐步恢復非關鍵照明負載，并確保照明質量。

3.2 分布式能源資源（DER）管理

智能照明系統可以對配電網中的分布式能源（DER）進行有效管理，提高系統的靈活性與經濟性。智能照明系統的控制器可以與微電網中的光伏、風電、儲能等DER建立通信連接和信息共享。根據DER的實時發電數據和狀態，控制器計算出優化調度方案。在日間光伏發電高峰時，指令DER將多余電能儲存；夜間風電與儲能并網供電，減少對電網的依賴?？刂破鬟€可以預測下一時段電價變化，制定電池的充放電策略以達到最小運行成本。例如，在零售電價較低時購電，在峰價期間放電，既減少系統電費也起到峰谷削平作用。此外，當電網發生故障時，控制器快速響應，指令DER與儲能并網形成微電網，保障重要負載的供電質量，系統還與上級能源管理系統連接，根據調度指令進行相應的DER協調管理。通過與DER的信息集成管理，智能照明系統提高了自身的經濟效益，也增強了配電網的自我恢復能力，實現對分布式能源的監控與優化調度，有效提升電網的安全性與經濟性。

3.3 網絡安全和數據保護

智能照明系統的網絡安全和數據保護也至關重要。系統需要采取以下技術手段進行保護：控制器與傳感器之間的數據通信需要加密，一般采用AES對稱加密算法，密鑰長度不小于128位，防止通信內容被截??；系統各智能設備需要部署數字證書，并在通信建立時進行雙向認證，防止非法設備接入；控制器需要運行IDS（入侵檢測系統），監測通信流量異常，并利用機器學習算法檢測攻擊行為；只有經過授權的用戶和設備才能訪問系統資源，需要建立RBAC（基于角色的訪問控制）體系；在通信、認證、檢測等多個維度采取綜合安全措施，有效保護智能照明系統的安全運行，防止被黑客攻擊導致的電網安全事故，確保電網的穩定可靠。

4 基于智能照明系統的電網安全監控系統設計及實現

4.1 系統網絡架構設計

智能照明系統進行電網監控的網絡架構設計采用分層模型，由感知層、網絡層、應用層組成[5]。感知層通過光敏電阻、電壓電流傳感器等采集電力系統數據，經由智能照明控制器的模數轉換獲得數字信號。網絡層主要由ZigBee等無線網絡實現，具有自組網、多跳傳輸等特點。應用層部署在控制中心服務器，具有強大的數據處理和分析功能，運行時序數據庫、機器學習算法等，可以處理海量監測數據并輸出控制指令或報警信息，中心服務器與電網邊緣計算服務器打通信息接口。該架構充分利用智能照明系統廣布的終端采集電網數據，無線網絡具備擴展性強、部署便捷的優點，應用層服務器具有強大分析功能，整體構成一個高效、經濟的電網監控解決方案。

4.2 硬件選擇和系統搭建

智能照明電網監控系統的硬件選擇和搭建需要考慮以下方面：選用精度高、響應快的電壓、電流傳感器，基于霍爾效應的傳感器精度可達0.2%，滿足監測需求。采用STM32高性能MCU，具有豐富接口和足夠存儲空間，可實現數據采集、網絡通信和控制算法。使用工業級ZigBee模塊，傳輸速率250 kb/s，支持Mesh網絡拓撲，傳輸范圍可達1 km。設計穩壓供電電路為傳感器和控制器供電，防止電網故障影響?？刂浦行姆掌鞑捎肵eon多核CPU以及GPU硬件，用于海量數據分析，內存不小于64 GB，存儲大于10 T，操作系統為CentOS 7.6?？刂破鞑捎忙藽/OS-III實時系統，服務器軟件基于Spark、Hadoop進行大數據分析。數據庫選用InfluxDB時序數據庫。通過精心設計的硬件選型和搭建，智能照明系統可以作為穩定可靠的數據采集終端，將電力系統運行參數準確可靠地傳遞到監控中心，實現對電網安全狀態的監測。

4.3 軟件功能設計與編程

智能照明電網監控系統的軟件功能主要包括：1）數據采集模塊。通過控制器的ADC采集各類傳感器數據，編寫驅動程序實現參數配置、校準等功能；2）數據傳輸模塊。利用TCP/IP協議開發ZigBee網絡通信程序，實現網絡連接、數據封裝、網絡分組等功能，采用AES128加密算法保證數據安全性；3）數據庫模塊。使用C/S架構，開發數據庫服務器端，用于存儲結構化監測數據，并提供查詢接口，客戶端負責數據插入；4）數據分析模塊?；赑ython和機器學習庫，開發電網狀態評估模型，包含LSTM預測電壓故障、隨機森林檢測諧波等算法；5）可視化模塊。使用Web技術，提供實時監測數據以及系統狀態的可視化界面，方便人機交互；6）自動控制模塊。根據數據分析結果，編寫控制算法，精確計算并向智能照明系統下發控制指令，實現自動故障防護。

4.4 系統測試與評價

智能照明電網監控系統的測試與評價是一個系統工程，需要按照完整的流程進行。首先，從單個軟硬件模塊開始進行單元測試。驗證各模塊的功能實現是否符合設計需求，性能指標是否達到預期。如操作系統的實時調度能力，通信模塊的數據吞吐量，控制算法的執行邏輯等。然后，多個模塊集成后開始系統級測試。這需要模擬各類復雜場景，檢查系統在不同操作條件下的響應情況。例如，高速并發檢測數據的輸入，電網故障造成的穩態參數突變等。要測試整個系統的健壯性和容錯能力，此外，還需要進行全面的安全測試，包含代碼安全審計、系統漏洞掃描、網絡入侵檢測等，數據備份與災難恢復測試也很重要，確保系統無安全隱患。最后是長時間現場測試，在實際環境中檢驗系統的可靠性。過程中需要定期匯總系統運行指標，測試結果匯總形成報告，與設計目標進行對比，得到監控系統滿足需求的程度（見表1）。綜合這些測試，可以全面評估監控系統的功能、性能、安全性、可靠性等，確認其能夠穩定、高效、安全地運行，達到電網安全監測的應用需求。

表1 智能照明電網監控系統測試

5 結論

綜上，借助廣泛分布的智能照明系統，可以實現對電網運行狀態的全面監測，并根據分析結果進行有針對性的控制，提高電網的經濟運營與安全穩定性。隨著智能照明系統的不斷普及，這一監控方案也將發揮越來越重要的作用，為建設智慧電網提供技術支持。