Deseño optimizado de sistemas inteligentes de monitorización de enerxía para xeración distribuída
Contra o panorama da transición enerxética global, a xeración distribuída está a converterse cada vez máis nun compoñente vital do abastecemento de enerxía. Coas continuas avanzadas nas tecnoloxías de enerxías renovables, a adopción xeralizada de fuentes de enerxía distribuída como a solar e a eólica injectou un novo ímpetu na realización dunha economía de baixo carbono. Este modelo aumenta a eficiencia da utilización da enerxía, reduce as perdas de transmisión e mellora a flexibilidade e a fiabilidade dos sistemas de enerxía.
Segundo a teoría dos sistemas eléctricos, a fiabilidade e a estabilidade da rede dependen en gran medida da xestión efectiva das varias fuentes de xeración. A complexidade dos modernos sistemas de enerxía require un control e despacho máis precisos dentro dos entornos de xeración distribuída, especialmente ante o crecente fluctuación da carga e a incerteza dos recursos. Para abordar estos desafíos, emerxeron sistemas de monitorización inteligentes de enerxía, que aproveitan tecnoloxías de información e comunicación avanzadas para permitir a monitorización en tempo real e a axuste dinámico dos recursos de enerxía. Este artigo explora o deseño de sistemas de monitorización inteligentes de enerxía e o control optimizado na xeración distribuída, con o obxectivo de contribuír á transición enerxética e á consecución dos obxectivos de desenvolvemento sostenible.
1. Monitorización de enerxía
A monitorización de enerxía é un enfoque crucial para a supervisión en tempo real, a captura de datos e a análise das operacións dos sistemas de enerxía, co obxectivo de asegurar a seguridade, a fiabilidade e a eficiencia dos sistemas de enerxía. Un sistema de monitorización de enerxía consiste principalmente en unidades de captura de datos, redes de transmisión de datos, plataformas de monitorización e xestión, e mecanismos de alarma e resposta. As unidades de captura de datos recollen datos operativos de diversos equipos eléctricos, como xeradores, transformadores e dispositivos de distribución, incluíndo parámetros clave como tensión, corrente, frecuencia e factor de potencia.
Os datos recollidos son transmitidos a través de redes de comunicación estables e seguras (por exemplo, fibra óptica, transmisión inalámbrica) ao centro de monitorización. Unha rede de transmisión de datos eficiente asegura a oportunidade e a integridade da información, proporcionando unha base fiable para a análise posterior. A plataforma de monitorización e xestión realiza a monitorización e análise en tempo real dos datos recollidos, utilizando tecnoloxías como a analítica de grandes volumes de datos e a computación en nube para proporcionar interfaces visualizadas e apoio á toma de decisións, asistindo aos operadores na toma de decisións efectivas.
2.Deseño do sistema
2.1 Arquitectura do sistema
A arquitectura do sistema de monitorización inteligente de enerxía aparece na Táboa 1.
| Xerarquía | Función principal | Tecnoloxía clave |
| Capa de percepción | Recollida de datos en tempo real e procesado preliminar | Sensores, contadores intelixentes |
| Capa de rede | Transmisión de datos e comunicación | Redes de fibra óptica, comunicación inalámbrica |
| Capa de aplicación | Análise de datos e visualización | Algoritmos de procesamento de datos, grandes volumes de datos |
Na arquitectura do sistema de monitorización inteligente de enerxía, as funcións de cada capa complementan as súas respectivas tecnoloxías clave, formando un marco operativo eficiente. A capa de percepción obtén datos en tempo real a través de sensores e contadores intelixentes, actúa como a base e o prerequisito para a funcionalidade do sistema. A precisión e a oportunidade dos datos afectan directamente a calidade da análise posterior.
A capa de rede actúa como un núcleo de transmisión de datos, utilizando tecnoloxías avanzadas como a fibra óptica e a comunicación inalámbrica para asegurar que os datos se transmiten rapidamente e de forma fiable ao centro de monitorización. Tamén debe asegurar a integridade e a seguridade dos datos, evitando a perda ou a manipulación durante a transmisión. A capa de aplicación é responsable da análise en profundidade e a visualización dos datos, aprovechando algoritmos de procesamento de datos avanzados e tecnoloxías de grandes volumes de datos para transformar grandes conxuntos de datos en insights valiosos, apoiando a xestión na toma de decisións precisas.
2.2 Selección de hardware
Os componentes de hardware do sistema e os seus principais parámetros de rendemento aparecen na Táboa 2.
| Tipo de hardware | Modelo e especificación | Parámetros de rendemento principais |
| Sensor | Hikvision HikSensor - 500kV | Rango de medición: 0 - 500 kV; |
| Contador intelixente | Huawei SmartMeter 3000 | Precisión de medición: Clase 0.1 |
| Dispositivo de transmisión de datos | ZTE ZXTR S600 | Soporta transmisión Ethernet de 10 Gbps |
| Servidor | Lenovo ThinkServer RD630 | CPU: Intel Xeon Gold 5218; |
| Dispositivo de almacenamento de datos | Western Digital WD Gold 18 TB | Capacidade de almacenamento: 18 TB; |
2.3 Estratexia de comunicación de datos
2.3.1 Recollida e transmisión de datos
A recollida e transmisión de datos son componentes centrais do sistema de monitorización inteligente de enerxía, influenciando directamente o rendemento en tempo real e a efectividade do sistema. Neste proceso, varios sensores e dispositivos de monitorización na capa de percepción recollen datos operativos clave do sistema de enerxía, como tensión, corrente, potencia e frecuencia, así como información sobre o estado operativo das fuentes de xeración distribuída.
Para asegurar a precisión dos datos, os dispositivos de adquisición deben ter alta precisión e alta fiabilidade [10]. Despois da recollida, os datos son transmitidos á capa de rede, utilizando principalmente tecnoloxías de comunicación modernas como a comunicación por fibra óptica, a comunicación inalámbrica e as tecnoloxías de Internet das cousas (IoT). A comunicación por fibra óptica, co seu ancho de banda alto e latencia baixa, é adecuada para escenarios de transmisión de datos a gran escala. A comunicación inalámbrica ofrece flexibilidade e comodidade, cubrindo eficazmente varios puntos de monitorización mediante señales inalámbricas.
2.3.2 Medidas de seguridade
Nos sistemas de monitorización inteligente de enerxía, medidas de seguridade como a cifrado de datos, protección de seguridade de rede e control de acceso forman un marco de seguridade multinivel. Este marco mitiga eficazmente ataques externos e riscos internos, establecendo unha base segura para a implementación da xestión intelixente de enerxía. A implementación de algoritmos de cifrado fortes durante a transmisión de datos prevén que os datos sexan interceptados ou manipulados. O uso de algoritmos de cifrado simétricos como o Advanced Encryption Standard (AES) asegura que só os usuarios coa clave de descifrado correcta poden acceder aos datos, protexendo a integridade e a confidencialidade da información sensible e asegurando que os datos non se alteren durante a transmisión. En canto á protección de seguridade de rede, a interconexión de múltiples dispositivos e sistemas aumenta significativamente o risco de ataques cibernéticos. Polo tanto, a implementación de dispositivos de seguridade como cortafogos, Sistemas de Detección de Intrusos (IDS) e Sistemas de Prevención de Intrusos (IPS) permite a monitorización en tempo real do tráfico de rede, a identificación e bloqueo de actividades sospechosas, previniendo que ataques maliciosos afecten ao sistema e mellorando a seguridade xeral. Os mecanismos de control de acceso e autenticación de usuarios, como o Control de Acceso Basado en Roles (RBAC), aseguran que só os usuarios autorizados poidan acceder a funcións específicas do sistema e a datos. Isto reduci o risco de filtracións de datos internas, mellora a seguridade do sistema e prevén eficazmente o acceso non autorizado.
3. Metodoloxía de investigación
3.1 Deseño de investigación
Este estudo adopta un enfoque combinado de métodos experimentais e de simulación, integrando datos reais do mercado eléctrico con demanda de enerxía simulada para construír múltiples escenarios experimentais.
Estes escenarios permiten unha proba e avaliación comprehensiva do sistema. No deseño experimental, a avaliación do rendemento do sistema centrarse principalmente en métricas como a eficiencia de programación, a utilización de recursos e o tempo de resposta. Configurando diferentes cargas, asignacións de recursos e modos de xeración, simula o rendemento do sistema en varias condicións de funcionamento. A avaliación de seguridade, por outro lado, centrase na resiliencia do sistema a eventos inesperados como ataques cibernéticos, fallos do sistema e violacións de datos.
Para avaliar comprehensivamente o rendemento do sistema de monitorización intelixente de enerxía, deseñouse un marco de avaliación científica e un sistema de indicadores, que engloba métricas de rendemento, incluíndo tempo de resposta, taxa de éxito de programación, utilización de recursos e estabilidade do sistema, e métricas de seguridade, como a taxa de detección de intrusos, tempo de parcheo de vulnerabilidades e fortaleza de cifrado de datos.
3.2 Avaliación de rendemento
A avaliación de rendemento do sistema de monitorización intelixente de enerxía no control optimizado da xeración distribuída aparece na Táboa 3.
| Indicador de seguridade | Descrición | Método de medida | Valor obxetivo |
| Nivel de cifrado de datos | A forza de cifrado da transmisión e almacenamento de datos do sistema | Avaliación de algoritmo de cifrado | AES-256 ou superior |
| Taxa de detección de intrusos | A capacidade do sistema para detectar accesos e ataques anómalos | Análise de rexistros de seguridade | >95% |
| Efectividade do control de acceso | A efectividade da xestión de permisos de usuario e estratexias de control de acceso | Auditoría de permisos | 100% de cumprimento |
| Tempo de reparación de vulnerabilidades de seguridade | O tempo necesario para reparar vulnerabilidades de seguridade identificadas | Análise do tempo de resposta a vulnerabilidades | <24 h |
| Frecuencia de auditoría de seguridade regular | A frecuencia de realización de auditorías de seguridade no sistema | Análise de informes de auditoría | Unha vez por trimestre |
| Capacidade de protección contra software malicioso | A capacidade do sistema para protexer contra ataques de software malicioso | Avaliación de software protexido | 100% de cobertura |
| Efectividade de estratexias de copia de seguridade e recuperación | A efectividade de estratexias de copia de seguridade e recuperación de datos | Probas de recuperación | 100% de taxa de éxito |
As métricas de avaliación de seguridade na Táboa 4 proporcionan medidas protectoras comprehensivas para o sistema de monitorización intelixente de enerxía. Estas métricas cubren aspectos como o cifrado de datos, a detección de intrusos, o control de acceso, a reparación de vulnerabilidades e a protección contra malware, asegurando que o sistema pode responder eficazmente a ameazas potenciais, incluíndo ataques cibernéticos, violacións de datos e software malicioso.
Por exemplo, o nivel de cifrado de datos require o uso de estándares de cifrado AES-256 ou superiores para asegurar a seguridade da transmisión e almacenamento de datos; a taxa de detección de intrusos ten como obxectivo superar o 95%, asegurando que o sistema pode identificar e responder rapidamente a comportamentos de acceso ou ataque anómalos. A efectividade do control de acceso debe lograr un 100% de cumprimento, asegurando que a xestión de permisos de usuario se adéqua estrictamente ás políticas de seguridade. O obxectivo para o tempo de reparación de vulnerabilidades de seguridade é dentro de 24 horas, permitindo a resolución rápida de vulnerabilidades identificadas.
4. Resultados experimentais
4.1 Resultados de probas de rendemento
Os resultados das probas de rendemento aparecen na Táboa 5.
| Indicador de rendemento | Valor de proba | Valor obxetivo | Resultado da avaliación |
| Tempo de resposta / s | 1.8 | <2.0 | Cumple o estándar |
| Velocidade de procesamento de datos / (registros/s) | 2200 | >2000 | Cumple o estándar |
| Disponibilidade do sistema | 0.9998 | >0.9995 | Cumple o estándar |
| Taxa de perda de enerxía / % | 2.5 | <3.0 | Cumple o estándar |
| Taxa de éxito de programación optimizada / % | 92 | >90 | Cumple o estándar |
| Tempo de recuperación de fallos / min | 4 | <5 | Cumple o estándar |
| Taxa de utilización de recursos / % | 87 | >85 | Cumple o estándar |
Nesta proba de rendemento, todos os indicadores do sistema demostraron un buen rendemento, cumplindo ou superando os valores obxectivo predefinidos. O tempo de resposta do sistema foi de 1.8 s, satisfacendo o requisito de <2.0 s, indicando unha alta eficiencia de programación. A velocidade de procesamento de datos alcanzou 2.200 rexistros por segundo, superando o requisito de 2.000 rexistros/s, demostrando unha forte capacidade de procesamento de datos en tempo real. A disponibilidade do sistema foi de 99.98%, superior ao obxectivo del 99.95%, reflextando unha excelente estabilidade e fiabilidade. A taxa de perda de enerxía foi de 2.5%, inferior ao obxectivo del 3.0%, optimizando a eficiencia de transmisión de enerxía. A taxa de éxito de programación optimizada alcanzou o 92%, apoiando eficazmente os obxectivos de despacho do sistema. O tempo de recuperación de fallos e a taxa de utilización de recursos foron de 4 minutos e 87%, respectivamente, ambos superando os estándares establecidos, demostrando a rápida capacidade de recuperación do sistema ante fallos e a eficiente utilización de recursos. Os resultados indican que o sistema de monitorización intelixente de enerxía exhibe un rendemento xeral forte no control optimizado da xeración distribuída.
4.2 Resultados de probas de seguridade
Os resultados das probas de seguridade aparecen na Táboa 6.
