自電被發(fā)明以來，已成為現(xiàn)代生活的基本組成部分之一，人們無法想象沒有電的世界。現(xiàn)代世界中幾乎所有事物都要依靠電力才能有效地工作，且其也推動著科技朝著更美好的未來發(fā)展。

即使是短時間的停電也會嚴重影響交通和通信等行業(yè)的運作。因此，電力持續(xù)穩(wěn)定的可靠性在當今已變得非常重要。與此同時，電力的使用量大幅增加，因此可持續(xù)能源方面也得到了一些關注。因此，電力和能源系統(tǒng)(EPES)正在發(fā)生變化，提供清潔的分布式能源，以促進全球經(jīng)濟的持續(xù)增長。

物聯(lián)網(wǎng)可以在改變EPES方面發(fā)揮重要作用，因為其能夠將互聯(lián)網(wǎng)連接到幾乎任何日常物品。物聯(lián)網(wǎng)使實時監(jiān)控、預測性維護、智能控制和網(wǎng)絡安全等技術成為可能，可以將現(xiàn)有的EPES轉變?yōu)橹悄艿木W(wǎng)絡型EPES。目前的技術已經(jīng)發(fā)展到此等地步，即使是繁重的計算也可以在邊緣設備上進行。這減少了網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，即使在網(wǎng)絡連接較弱或速度較慢的情況下，設備也能高效工作。

下面來看看物聯(lián)網(wǎng)是如何改變EPES行業(yè)，以及與之相關的挑戰(zhàn)的實際解決方案。

利用物聯(lián)網(wǎng)構建更智能的電力網(wǎng)絡

從廣義上講，任何電力系統(tǒng)都可以分為三個主要部分:發(fā)電、輸電和供電給消費者（工業(yè)、住宅和商業(yè)）。所有組件對電網(wǎng)的正常運行都同等重要，并且具有廣泛的性能改進空間。智能電網(wǎng)使用物聯(lián)網(wǎng)技術，包括先進的計量基礎設施(AMI)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集(SCADA)，以提供增強可靠性、彈性、適應性和能源效率等好處。

提高發(fā)電能力

分布式能源發(fā)電將主導新型發(fā)電基礎設施，物聯(lián)網(wǎng)可以提高發(fā)電效率。智能系統(tǒng)可以通過實時收集數(shù)據(jù)，甚至從其他資產(如輸電和配電)進行負載預測和狀態(tài)預測。收集的數(shù)據(jù)還有助于發(fā)電廠發(fā)電組合的最佳平衡。

物聯(lián)網(wǎng)軟件解決方案還可以利用基于云的高級分析，來獲得對發(fā)電廠及其所有資產的實時洞察。這提供了整個發(fā)電廠的可見性，并有助于確保最佳運營、可持續(xù)發(fā)電和預測性維護。對于依賴環(huán)境因素運行的太陽能、風能等發(fā)電廠，物聯(lián)網(wǎng)可以通過云計算和運行天氣模擬算法幫助預測天氣狀況。

改善輸配電(T&D)

電力產生后，如何對產生的電力進行處理和有效分配，成為電網(wǎng)中最關鍵的任務之一。這里最重要的兩項任務是恢復電力中斷和執(zhí)行負載預測。斷電可能是由許多原因造成的，其中最常見的是系統(tǒng)故障。故障是非常突然且具有破壞性的，這使得定位故障點很困難。

借助物聯(lián)網(wǎng)，添加了智能監(jiān)控系統(tǒng)，有助于減少電力損失和數(shù)據(jù)盜竊。這是通過實時調整電壓、電流等電氣參數(shù)，并根據(jù)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)追蹤竊電來源來實現(xiàn)的。因此，物聯(lián)網(wǎng)通過使其更強大和更快的響應來改善電力輸送服務。

電力消耗數(shù)字化

隨著新的建筑和工業(yè)的建立，對電力的需求日益增加。這就產生了以可持續(xù)方式消耗能源的需求，因為大部分電力最終是由可耗盡的自然能源資源產生的。微電網(wǎng)或智能電網(wǎng)是新興的技術，其與物聯(lián)網(wǎng)一起，可以使任何消費者使用太陽能和風能等可再生能源發(fā)電，并創(chuàng)建分布式能源存儲系統(tǒng)。

消費者也可以參與與主電網(wǎng)的電力交換。因此，當主發(fā)電量低于需求時，消費者產生的電力可以用來填補短缺，反之亦然。智能負載利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器為消費者提供有關發(fā)電和利用的有用信息，使之能夠更有效地使用電力、減少浪費，并管理費用。

使用物聯(lián)網(wǎng)的智能負載示例(圖片來源:ieee.org)

在EPES中部署物聯(lián)網(wǎng)相關的挑戰(zhàn)及其解決方案

將物聯(lián)網(wǎng)應用于EPES帶來了一些優(yōu)勢，但也存在一些弱點，如連接性、電源管理、傳感復雜性和安全性。為了克服這些挑戰(zhàn)，采用了各種方法來幫助實現(xiàn)“智能網(wǎng)絡安全電力網(wǎng)絡”的愿景。

連通性的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)設備包含多種連接協(xié)議，如Wi-Fi、ZigBee和BLE，用于傳輸數(shù)據(jù)。這些協(xié)議運行在相同的頻段上，即2.4 GHz，這可能會產生干擾并導致網(wǎng)絡質量顯著下降。為了克服這一挑戰(zhàn)，部署了無線融合模塊，這可以處理多個協(xié)議并避免共存的挑戰(zhàn)。

電源管理的挑戰(zhàn)

管理物聯(lián)網(wǎng)設備的功耗是關鍵任務之一，因為要依靠電池供電獨立運行。有時，這些數(shù)據(jù)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設備需要放置在不易接近的位置，因此更換電池或提供穩(wěn)定的電源變得困難。因此，設備上需要有某種形式的能量收集系統(tǒng)，以延長設備的壽命。

網(wǎng)絡安全的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)設備為節(jié)約能源，通常在處理能力上受到限制，這使得設備一旦連接到互聯(lián)網(wǎng)，就很容易成為攻擊者的弱小目標。最常見的網(wǎng)絡攻擊類型包括分布式拒絕服務(DDoS)攻擊和勒索軟件。過去發(fā)生過很多類似Mirai僵尸網(wǎng)絡攻擊的事件，影響了超過10萬個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。通過使用氣隙網(wǎng)絡、大管道、異常檢測方法和流量過濾等安全技術，可以減少此類DoS攻擊。

總而言之，電力網(wǎng)絡的數(shù)字化是前進的道路，因為其提供了利益，無論是在貨幣方面還是在可持續(xù)性方面。物聯(lián)網(wǎng)在改變EPES方面發(fā)揮著重要作用，這也為研究人員開辟了一個令人興奮的創(chuàng)新領域。