自電被發明以來，已成為現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展。

即使是短時間的停電也會嚴重影響交通和通信等行業的運作。因此，電力持續穩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，因此可持續能源方面也得到了一些關注。因此，電力和能源系統(EPES)正在發生變化，提供清潔的分布式能源，以促進全球經濟的持續增長。

物聯網可以在改變EPES方面發揮重要作用，因為其能夠將互聯網連接到幾乎任何日常物品。物聯網使實時監控、預測性維護、智能控制和網絡安全等技術成為可能，可以將現有的EPES轉變為智能的網絡型EPES。目前的技術已經發展到此等地步，即使是繁重的計算也可以在邊緣設備上進行。這減少了網絡上傳輸的數據量，即使在網絡連接較弱或速度較慢的情況下，設備也能高效工作。

下面來看看物聯網是如何改變EPES行業，以及與之相關的挑戰的實際解決方案。

利用物聯網構建更智能的電力網絡

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

提高發電能力

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

物聯網軟件解決方案還可以利用基于云的高級分析，來獲得對發電廠及其所有資產的實時洞察。這提供了整個發電廠的可見性，并有助于確保最佳運營、可持續發電和預測性維護。對于依賴環境因素運行的太陽能、風能等發電廠，物聯網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。

借助物聯網，添加了智能監控系統，有助于減少電力損失和數據盜竊。這是通過實時調整電壓、電流等電氣參數，并根據獲得的監測數據追蹤竊電來源來實現的。因此，物聯網通過使其更強大和更快的響應來改善電力輸送服務。

電力消耗數字化

隨著新的建筑和工業的建立，對電力的需求日益增加。這就產生了以可持續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。微電網或智能電網是新興的技術，其與物聯網一起，可以使任何消費者使用太陽能和風能等可再生能源發電，并創建分布式能源存儲系統。

消費者也可以參與與主電網的電力交換。因此，當主發電量低于需求時，消費者產生的電力可以用來填補短缺，反之亦然。智能負載利用物聯網傳感器為消費者提供有關發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。

使用物聯網的智能負載示例(圖片來源:ieee.org)

在EPES中部署物聯網相關的挑戰及其解決方案

將物聯網應用于EPES帶來了一些優勢，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，采用了各種方法來幫助實現“智能網絡安全電力網絡”的愿景。

連通性的挑戰

物聯網設備包含多種連接協議，如Wi-Fi、ZigBee和BLE，用于傳輸數據。這些協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絡質量顯著下降。為了克服這一挑戰，部署了無線融合模塊，這可以處理多個協議并避免共存的挑戰。

電源管理的挑戰

管理物聯網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，這些數據監控物聯網設備需要放置在不易接近的位置，因此更換電池或提供穩定的電源變得困難。因此，設備上需要有某種形式的能量收集系統，以延長設備的壽命。

網絡安全的挑戰

物聯網設備為節約能源，通常在處理能力上受到限制，這使得設備一旦連接到互聯網，就很容易成為攻擊者的弱小目標。最常見的網絡攻擊類型包括分布式拒絕服務(DDoS)攻擊和勒索軟件。過去發生過很多類似Mirai僵尸網絡攻擊的事件，影響了超過10萬個物聯網節點。通過使用氣隙網絡、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，電力網絡的數字化是前進的道路，因為其提供了利益，無論是在貨幣方面還是在可持續性方面。物聯網在改變EPES方面發揮著重要作用，這也為研究人員開辟了一個令人興奮的創新領域。