趙銀松，崔 偉 ，王 鴻

（1.麗水永道電力建設(shè)有限公司，浙江 麗水 321400；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司縉云縣供電公司，浙江 麗水 321400）

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，其在室內(nèi)照明系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。光通信技術(shù)利用可見(jiàn)光或紫外線進(jìn)行高速的光信號(hào)傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接，相較傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)具備速度快、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。將光通信技術(shù)與LED照明設(shè)備集成，可構(gòu)建新型的室內(nèi)照明系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的精確照明控制，同時(shí)提供寬帶網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。文章將深入探討基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)安全的影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化對(duì)策，為構(gòu)建安全高效的智能照明系統(tǒng)提供理論支撐。

1 光通信技術(shù)在室內(nèi)照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 光通信技術(shù)的原理和特點(diǎn)

光通信技術(shù)是以光為信息載體，在光導(dǎo)纖維或自由空間進(jìn)行高速、大容量信息傳輸?shù)募夹g(shù)[2]。其基本原理是通過(guò)調(diào)制光源的強(qiáng)度、相位、頻率或極化狀態(tài)對(duì)光波進(jìn)行編碼，再通過(guò)光電檢測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行解碼恢復(fù)信息。與傳統(tǒng)電子通信相比，光通信具有帶寬高、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，商用光通信系統(tǒng)的信息傳輸速率可達(dá)10 Gb/s以上，單根光纖的傳輸容量超過(guò)1 Tb/s。在自由空間光通信中，通過(guò)空間光束形成控制、自適應(yīng)光學(xué)校正等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)10 Gb/s以上速率，傳輸距離超過(guò)數(shù)公里。光通信具有巨大的系統(tǒng)容量和無(wú)與倫比的低成本效益比，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)高速網(wǎng)絡(luò)所必需的關(guān)鍵技術(shù)之一，將在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和寬帶接入等方面發(fā)揮重要作用。

1.2 基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)架構(gòu)

基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)一般由照明裝置、中央控制器和用戶終端3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。照明裝置為集成微型激光二極管、光電檢測(cè)器和信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路的LED燈具，可以進(jìn)行信息的收發(fā)[3]。中央控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理和資源調(diào)度，通過(guò)控制信號(hào)協(xié)調(diào)各個(gè)照明裝置的工作狀態(tài)。用戶終端是系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，可以設(shè)置照明參數(shù)、查詢信息等。在該架構(gòu)下，控制器可以通過(guò)光鏈路實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)照明裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)光照環(huán)境的精確操縱。同時(shí)，終端用戶可以隨時(shí)通過(guò)光纖寬帶傳輸音視頻等大流量數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，該架構(gòu)還可降低布線難度，減小裝潢破壞，照明系統(tǒng)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可通過(guò)分析優(yōu)化能源管理。總體而言，基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)可提供安全、便捷、高效的照明和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)安全的影響

2.1 電磁干擾

在基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)中，LED燈具和光收發(fā)模塊的驅(qū)動(dòng)電路等會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)造成電磁干擾[4]。這種干擾主要來(lái)源于兩方面：一是高速開(kāi)關(guān)電源對(duì)供電電網(wǎng)的污染，由于光通信模塊需要快速調(diào)制光源來(lái)傳輸信息，其驅(qū)動(dòng)電路多采用高頻開(kāi)關(guān)電源，其輸入電流含有豐富的諧波成分，向電網(wǎng)注入諧波約占總諧波污染的60%以上；二是數(shù)字信號(hào)處理電路的噪聲耦合，信號(hào)編碼、解碼過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖噪聲，通過(guò)電源、信號(hào)線等途徑影響電網(wǎng)。此外，室內(nèi)環(huán)境中大量電磁波的存在也會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生額外的電磁干擾。上述干擾可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓質(zhì)量下降、保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作、電力設(shè)備過(guò)熱等后果，影響電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)室內(nèi)光通信照明系統(tǒng)時(shí)，必須采取諧波過(guò)濾、屏蔽接地、布線優(yōu)化等措施，減小對(duì)電網(wǎng)的電磁污染，保證電力供應(yīng)的安全性。

2.2 安全漏洞

基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)存在安全漏洞，這可能成為影響電力網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)攻擊次數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，2020年增長(zhǎng)了300%以上。光通信系統(tǒng)面臨同樣的威脅，一旦遭到攻擊，后果將不堪設(shè)想。例如，在一個(gè)10 000 m2的商務(wù)辦公區(qū)域，若光通信系統(tǒng)被黑客入侵，黑客可同時(shí)控制約5 000盞LED燈具，造成區(qū)域性大停電，這可導(dǎo)致電網(wǎng)頻率下降0.5 Hz，影響其穩(wěn)定運(yùn)行。另外，光通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也可能含有商業(yè)機(jī)密，如果泄露，損失將超過(guò)百萬(wàn)元。最后，如果光交換機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備損壞，可造成1 000個(gè)用戶終端斷網(wǎng)，并引起連鎖故障。因此，必須重視光通信系統(tǒng)潛在的安全漏洞對(duì)電網(wǎng)安全的威脅，從設(shè)計(jì)上加強(qiáng)系統(tǒng)安全性。

2.3 能源效率

基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)廣泛采用LED作為光源[5]。相比傳統(tǒng)光源，LED光源具有轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、可調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)，可顯著提高照明系統(tǒng)的能源利用效率。按照“功能集成”的設(shè)計(jì)理念，在照明的同時(shí)可提供通信服務(wù)，避免布置獨(dú)立的通信電力系統(tǒng)，減少能源浪費(fèi)。以一個(gè)1 000m2的辦公場(chǎng)所為例，如果采用智能LED光通信系統(tǒng)替代傳統(tǒng)照明和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，按照光電轉(zhuǎn)換效率提升40%、通信系統(tǒng)節(jié)約300 W電力計(jì)算，全年可節(jié)約電量約3萬(wàn)度，減少電費(fèi)支出1.5萬(wàn)元，并因更精準(zhǔn)的照度控制和電力管理降低電網(wǎng)負(fù)荷約20 kW。但是，光通信系統(tǒng)的工作也將增加對(duì)電網(wǎng)的功率需求。光模塊的工作電壓為5 V，通信功率約為10 W，對(duì)1 000個(gè)照明裝置來(lái)說(shuō)，額外增加10 kW負(fù)荷。更為嚴(yán)重的是，高頻數(shù)字信號(hào)會(huì)降低電力傳輸效率，約增加5%的傳輸損耗。因此，在推廣應(yīng)用時(shí)，必須精心評(píng)估系統(tǒng)的整體能源性能，采取切實(shí)有效的措施提升能源利用效率，降低對(duì)電網(wǎng)的潛在不利影響。

3 基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)安全優(yōu)化策略

3.1 頻譜管理

在基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)中，合理的頻譜管理對(duì)保障電力網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。頻譜資源是光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵資源之一，目前，商用室內(nèi)光通信系統(tǒng)主要使用400～700 nm的可見(jiàn)光頻譜和780～950 nm的紅外頻譜。如果不能對(duì)這些頻段進(jìn)行合理規(guī)劃和分配，不同廠家和產(chǎn)品之間會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的頻譜互踢干擾，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。如某商場(chǎng)光照明系統(tǒng)中，因頻譜分配不當(dāng)，LED燈具之間的互調(diào)效應(yīng)頻發(fā)，導(dǎo)致光通信鏈路誤碼率增加了2倍，傳輸延遲高達(dá)50 ms。這將直接導(dǎo)致對(duì)燈光的控制指令交付不穩(wěn)定，使照明服務(wù)可靠性降低，時(shí)有區(qū)域停電的現(xiàn)象發(fā)生。因此，必須建立嚴(yán)格的頻譜分配機(jī)制，劃分專用頻帶并控制功率光譜密度，采用OFDM等先進(jìn)調(diào)制技術(shù)提高頻譜利用效率，降低互調(diào)失真，保證室內(nèi)光通信的可靠運(yùn)行，進(jìn)而確保電力網(wǎng)絡(luò)的安全。

3.2 安全防護(hù)

為增強(qiáng)基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)的安全防護(hù)，保障電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

1）建立多級(jí)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制和防火墻，對(duì)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格隔離，同時(shí)使用加密和認(rèn)證技術(shù)，只允許授權(quán)的設(shè)備和用戶接入，拒絕非法訪問(wèn)?？稍O(shè)置三級(jí)防護(hù)體系，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署硬件防火墻及入侵檢測(cè)設(shè)備。如，2020年北京市某寫(xiě)字樓通過(guò)建立包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層防護(hù)的系統(tǒng)，有效抵御了平均每天1 500次的未授權(quán)訪問(wèn)。

2）對(duì)光通信模塊傳輸和系統(tǒng)緩存的所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密，保證即使被截獲，攻擊者也無(wú)法解讀。加密方法可以采用AES、RSA等經(jīng)過(guò)認(rèn)證的加密算法，密鑰至少128位，并定期更新。例如，江蘇某酒店通過(guò)終端到終端的加密傳輸，在過(guò)去1年中沒(méi)有發(fā)生過(guò)數(shù)據(jù)泄露事件。

3）完善安全監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備漏洞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)威脅及時(shí)報(bào)警處置，還需要定期執(zhí)行安全審計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，消除系統(tǒng)漏洞。例如，南寧市某公共區(qū)域網(wǎng)已經(jīng)推行了嚴(yán)格的安全運(yùn)營(yíng)規(guī)程，有效保障了網(wǎng)絡(luò)安全。

3.3 能耗管理

為優(yōu)化基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)的能耗管理，保障電力網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，可采取以下技術(shù)策略。

1）選擇能效高的LED燈具和光通信模塊，使其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到80 lm/W以上，壽命超過(guò)50 000 h，并使用定向光學(xué)設(shè)計(jì)減少光損耗。如，采用歐司朗照明公司最新一代產(chǎn)品替代傳統(tǒng)LED，可節(jié)省光通信照明系統(tǒng)總能耗15%。

2）采用智能控制和調(diào)光技術(shù)，根據(jù)環(huán)境光照、用戶位置等動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)照明輸出，避免光污染和能量浪費(fèi)。例如，深圳麥格米特電氣推出的自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)，可根據(jù)情況自動(dòng)降低照明強(qiáng)度，平均可節(jié)省室內(nèi)照明耗電20%。另外，對(duì)室內(nèi)布局和材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高自然采光率，減少對(duì)人工照明的依賴。通過(guò)顏色、質(zhì)地、角度的科學(xué)搭配，使寫(xiě)字樓區(qū)域采光率提高8%，直接減少電力消耗。

3）建立嚴(yán)格的能效評(píng)估和負(fù)荷監(jiān)測(cè)機(jī)制，定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能效檢測(cè)，并監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)結(jié)果及時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)，消除能源浪費(fèi)問(wèn)題。如，采用歐普照明的EnPi監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)能效并生成優(yōu)化建議報(bào)告。綜上所述，從技術(shù)選擇、智能控制、環(huán)境設(shè)計(jì)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等方面入手，可以有效提升光通信型室內(nèi)照明系統(tǒng)的能源利用效率，降低其對(duì)電網(wǎng)的能耗壓力。

4 實(shí)證研究

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)安全的影響及優(yōu)化策略的效果，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)。

1）建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在一個(gè)封閉的100 m2房間內(nèi)，部署100盞集成了可見(jiàn)光通信模塊的LED燈具，并連接電力監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建完整的光通信照明系統(tǒng)。

2）設(shè)計(jì)3種系統(tǒng)配置。傳統(tǒng)配置（無(wú)光通信模塊）、默認(rèn)配置（開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)）、優(yōu)化配置（嚴(yán)密防護(hù)），主要優(yōu)化包括網(wǎng)絡(luò)隔離、安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、監(jiān)控預(yù)警等。

3）進(jìn)行安全攻擊模擬。在默認(rèn)和優(yōu)化系統(tǒng)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和終端執(zhí)行預(yù)設(shè)的多種攻擊方式，測(cè)試入侵檢測(cè)率、惡意行為成功率等指標(biāo)。

4）監(jiān)測(cè)電力參數(shù)。在正常工作和遭受攻擊時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的電流、電壓、諧波含量、照度變化情況，評(píng)估對(duì)電網(wǎng)的影響程度。

5）比較3種配置的綜合性能。對(duì)電力質(zhì)量的影響程度、攻擊防護(hù)成功率、照明質(zhì)量等。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以獲得直接的實(shí)證數(shù)據(jù)，來(lái)評(píng)估不同系統(tǒng)配置下照明對(duì)電網(wǎng)安全的影響程度，驗(yàn)證所提出的優(yōu)化策略的效用，為后續(xù)推廣應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)收集與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以收集各配置下的網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)、電力質(zhì)量指標(biāo)和照明服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)包括入侵檢測(cè)率、加密強(qiáng)度、認(rèn)證粒度等；電力質(zhì)量指標(biāo)有電壓穩(wěn)定性、負(fù)載變化、諧波含量等；照明服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)有照度均勻性、色溫一致性、調(diào)光精確度等。這些指標(biāo)反映出默認(rèn)配置存在明顯的安全隱患，電力供應(yīng)和照明服務(wù)質(zhì)量較差，而優(yōu)化配置可以有效提升安全性、電力質(zhì)量和服務(wù)效果，具體數(shù)據(jù)如下：

1）入侵檢測(cè)率。默認(rèn)35%，優(yōu)化92%；

2）電壓穩(wěn)定性。默認(rèn)+/-8%，優(yōu)化+/-3%；

3）調(diào)光精確度。默認(rèn)23%，優(yōu)化8%；

4）加密強(qiáng)度。默認(rèn)64位，優(yōu)化256位；

5）負(fù)載變化。默認(rèn)增加1.8 kW，優(yōu)化0.5 kW。

通過(guò)對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以全面評(píng)估各配置方案的優(yōu)劣。結(jié)果表明，優(yōu)化配置可以提升安全防護(hù)能力，最大程度降低對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響，還能顯著改善照明服務(wù)質(zhì)量。這驗(yàn)證了前文提出的安全優(yōu)化策略是行之有效的，下一步就可以在實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用推廣。

5 結(jié)論

文章詳細(xì)探討了基于光通信技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)安全的影響，并提出了一系列優(yōu)化策略。實(shí)證研究結(jié)果表明，這些優(yōu)化策略在提高系統(tǒng)安全性、電力質(zhì)量和服務(wù)效果方面具有顯著效果。然而，實(shí)際應(yīng)用中仍需關(guān)注不同場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)，以確保系統(tǒng)在各種環(huán)境中都能實(shí)現(xiàn)最佳效果。未來(lái)研究可關(guān)注新型光通信技術(shù)的發(fā)展、能源管理策略的創(chuàng)新以及系統(tǒng)安全性的持續(xù)提升，以滿足不斷變化的市場(chǎng)需求和挑戰(zhàn)。