Disseny Optimitzat de Sistemes Intel·ligents de Monitoratge Elèctric per a Generació Distribuïda

En el marc de la transició energètica global, la generació distribuïda es converteix cada vegada més en un component vital del subministrament d'energia. Amb els continuos avanços en les tecnologies d'energies renovables, l'adopció generalitzada de fonts d'energia distribuïda com l'energia solar i eòlica ha injectat una nova dinàmica en la realització d'una economia de baixes emissions de carboni. Aquest model augmenta l'eficiència de l'ús de l'energia, reduint les pèrdues de transmissió i millorant la flexibilitat i la fiabilitat dels sistemes elèctrics.

Segons la teoria dels sistemes elèctrics, la fiabilitat i estabilitat de la xarxa depenen molt de la gestió eficaç de diverses fonts de generació. La complexitat dels moderns sistemes elèctrics requereix un control i despachament més precís dins d'ambients de generació distribuïda, especialment davant de les creixents fluctuacions de càrrega i la incertesa de recursos. Per abordar aquests reptes, han emergit sistemes intel·ligents de monitorització de l'energia, que utilitzen tecnologies avançades d'informació i comunicació per permetre la monitorització en temps real i l'ajust dinàmic dels recursos elèctrics. Aquest article explora el disseny dels sistemes intel·ligents de monitorització de l'energia i el control optimitzat en la generació distribuïda, amb l'objectiu de contribuir a la transició energètica i a l'assoliment dels objectius de desenvolupament sostenible.

1. Monitorització de l'energia
La monitorització de l'energia és un enfocament crític per a la supervisió en temps real, l'adquisició de dades i l'anàlisi de les operacions del sistema elèctric, amb l'objectiu d'assegurar la seguretat, la fiabilitat i l'eficiència dels sistemes elèctrics. Un sistema de monitorització de l'energia consta principalment d'unitats d'adquisició de dades, xarxes de transmissió de dades, plataformes de monitorització i gestió, i mecanismes d'alarma i resposta. Les unitats d'adquisició de dades recullen dades operatives de diversos equips elèctrics—com generadors, transformadors i dispositius de distribució—inclòs paràmetres clau com la tensió, la corrent, la freqüència i el factor de potència.

Les dades recollides es transmeten després a través de xarxes de comunicació estables i segures (p. ex., fibra òptica, transmissió sense fil) al centre de monitorització. Una xarxa de transmissió de dades eficient assegura la puntualitat i integritat de la informació, proporcionant una base fiable per a l'anàlisi posterior. La plataforma de monitorització i gestió duu a terme la monitorització i anàlisi en temps real de les dades adquirides, utilitzant tecnologies com l'anàlisi de dades massives i el càlcul en núvol per proporcionar interfícies visualitzades i suport a la presa de decisions, assistint els operadors a prendre decisions efectives.

2. Disseny del sistema

2.1 Arquitectura del sistema

L'arquitectura del sistema de monitorització intel·ligent de l'energia es mostra a la Taula 1.

En l'arquitectura del sistema de monitorització intel·ligent de l'energia, les funcions de cada capa complementen les seves respectives tecnologies clau, formant un marc operatiu eficient. La capa de percepció adquireix dades en temps real a través de sensores i comptadors intel·ligents, actuant com a base i prerequisit per a la funcionalitat del sistema. La precisió i la puntualitat de les dades afecten directament la qualitat de l'anàlisi posterior.

La capa de xarxa actua com a hub de transmissió de dades, utilitzant tecnologies avançades com la fibra òptica i la comunicació sense fil per assegurar que les dades són transmises ràpidament i de manera fiable al centre de monitorització. També ha de garantir la integritat i seguretat de les dades, prevenint la pèrdua o manipulació durant la transmissió. La capa d'aplicació és responsable de l'anàlisi en profunditat de les dades i la visualització, utilitzant algoritmes de processament de dades avançats i tecnologies de big data per transformar conjunts de dades massius en insights valuosos, suportant els managers a prendre decisions precises.

2.2 Selecció de maquinari

Els components de maquinari del sistema i els seus paràmetres de rendiment principals es mostren a la Taula 2.

2.3 Estratègia de comunicació de dades

2.3.1 Recopilació i transmissió de dades

La recopilació i transmissió de dades són components centrals del sistema de monitorització intel·ligent de l'energia, influenciant directament el rendiment en temps real i l'eficàcia del sistema. En aquest procés, diversos sensors i dispositius de monitorització a la capa de percepció recullen dades operatives clau del sistema elèctric—com la tensió, la corrent, la potència i la freqüència—así com informació sobre l'estat operatiu de les fonts de generació distribuïda.

Per assegurar la precisió de les dades, els dispositius d'adquisició han de tenir una alta precisió i fiabilitat [10]. Després de la recopilació, les dades es transmeten a la capa de xarxa, principalment utilitzant tecnologies de comunicació modernes com la comunicació de fibra òptica, la comunicació sense fil i les tecnologies de l'Internet de les Coses (IoT). La comunicació de fibra òptica, amb la seva ampla banda i baixa latència, és adequada per a escenaris de transmissió de dades a gran escala. La comunicació sense fil ofereix flexibilitat i conveniència, cobrint eficaçment diversos punts de monitorització a través de senyals sense fil.

2.3.2 Mesures de seguretat

En els sistemes de monitorització intel·ligent de l'energia, les mesures de seguretat com l'encriptació de dades, la protecció de la seguretat de la xarxa i el control d'accés formen un marc de seguretat multinivell. Aquest marc mitiga eficaçment els atacs externs i els riscos interns, posant una base segura per a la implementació de la gestió intel·ligent de l'energia. L'implementació d'algoritmes d'encriptació forts durant la transmissió de dades evita que les dades siguin interceptades o manipulades. L'ús d'algoritmes d'encriptació simètrics com l'Advanced Encryption Standard (AES) assegura que només els usuaris amb la clau de desencriptació correcta puguin accedir a les dades, protegint la integritat i confidencialitat de la informació sensible i assegurant que les dades no s'alterin durant la transmissió. En relació amb la protecció de la seguretat de la xarxa, la interconnexió de diversos dispositius i sistemes augmenta significativament el risc d'atacs cibernètics. Per tant, la implementació de dispositius de seguretat com cortafocs, Sistemes de Detecció d'Intrusos (IDS) i Sistemes de Prevenció d'Intrusos (IPS) permet la monitorització en temps real del trànsit de la xarxa, la identificació i el bloqueig d'activitats sospechoses, prevenint que els atacs maliciosos afectin el sistema i millorant la seguretat global. El control d'accés d'usuaris i mecanismes d'autenticació, com el Control d'Accés Basat en Rols (RBAC), asseguren que només els usuaris autoritzats puguin accedir a funcions específiques del sistema i a les dades. Això redueix el risc de filtracions internes de dades, millora la seguretat del sistema i prevé eficaçment l'accés no autoritzat.

3. Metodologia de recerca

3.1 Disseny de la recerca

Aquest estudi adopta un enfocament combinat de mètodes experimentals i de simulació, integrant dades reals del mercat elèctric amb la demanda de potència simulada per construir diversos escenaris experimentals.

Aquests escenaris permeten una prova i avaluació comprehensiva del sistema. En el disseny experimental, l'avaluació del rendiment del sistema es centra principalment en mètriques com l'eficiència de programació, l'ús de recursos i el temps de resposta. Configurant diferents càrregues, assignacions de recursos i modes de generació, es simula el rendiment del sistema en diverses condicions d'operació. L'avaluació de seguretat, d'altra banda, es centra en la resiliència del sistema contra esdeveniments inesperats com atacs cibernètics, fallades del sistema i violacions de dades.

Per avaluar de manera comprehensiva el rendiment del sistema de monitorització intel·ligent de l'energia, s'ha dissenyat un marc d'avaluació científic i un sistema d'indicadors, que inclou mètriques de rendiment—incloent el temps de resposta, la taxa d'èxit de programació, l'ús de recursos i la stabilitat del sistema—and mètriques de seguretat—com la taxa de detecció d'intrusos, el temps de reparació de vulnerabilitats i la fortalesa de l'encriptació de dades.

3.2 Avaluació del rendiment

L'avaluació del rendiment del sistema de monitorització intel·ligent de l'energia en el control optimitzat de la generació distribuïda es mostra a la Taula 3.

Les mètriques d'avaluació de seguretat a la Taula 4 proporcionen mesures protectores comprehensives per al sistema de monitorització intel·ligent de l'energia. Aquestes mètriques cobreixen aspectes com l'encriptació de dades, la detecció d'intrusos, el control d'accés, la reparació de vulnerabilitats i la protecció contra programari maliciós, assegurant que el sistema pugui respondre eficaçment a amenaçes potencials, incloent atacs cibernètics, violacions de dades i programari maliciós.

Per exemple, el nivell d'encriptació de dades requereix l'ús d'estandards d'encriptació AES-256 o superiors per assegurar la seguretat de la transmissió i emmagatzemament de dades; la taxa de detecció d'intrusos té un objectiu superior al 95%, assegurant que el sistema pugui identificar i respondre prontament a comportaments d'accés o atacs anormals. L'eficàcia del control d'accés ha de complir el 100% de conformitat, assegurant que la gestió de permisos d'usuari sigui estrictament conforme a les polítiques de seguretat. El temps objectiu per a la reparació de vulnerabilitats de seguretat és dins de les 24 hores, permetent una resolució ràpida de les vulnerabilitats identificades.

4. Resultats experimentals

4.1 Resultats de la prova de rendiment

Els resultats de la prova de rendiment es mostren a la Taula 5.

En aquesta prova de rendiment, tots els indicadors del sistema van mostrar un bon rendiment, assolint o superant els valors objectius preestablerts. El temps de resposta del sistema va ser de 1.8 s, satisfent el requisit de <2.0 s, indicant una alta eficiència de programació. La velocitat de processament de dades va arribar a 2.200 registres per segon, superant el requisit de 2.000 registres/s, demostrant una forta capacitat de processament de dades en temps real. La disponibilitat del sistema va ser del 99,98%, superior al 99,95% objectiu, reflectint una excel·lent estabilitat i fiabilitat. La taxa de pèrdua d'energia va ser del 2,5%, inferior al 3,0% objectiu, optimitzant l'eficiència de transmissió de l'energia. La taxa d'èxit de programació optimitzada va arribar al 92%, suportant eficaçment els objectius de despachament del sistema. El temps de recuperació de fallades i l'ús de recursos van ser de 4 minuts i 87%, respectivament—ambdós superant els estàndards establerts—demostrant la capacitat ràpida de recuperació del sistema en cas de fallades i l'ús eficient de recursos. Els resultats indiquen que el sistema de monitorització intel·ligent de l'energia presenta un fort rendiment global en el control optimitzat de la generació distribuïda.

4.2 Resultats de la prova de seguretat