自電被發(fā)明以來(lái)，已成為現(xiàn)代生活的基本組成部分之一，人們無(wú)法想象沒(méi)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(dòng)著科技朝著更美好的未來(lái)發(fā)展。

即使是短時(shí)間的停電也會(huì)嚴(yán)重影響交通和通信等行業(yè)的運(yùn)作。因此，電力持續(xù)穩(wěn)定的可靠性在當(dāng)今已變得非常重要。與此同時(shí)，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(guān)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(jìn)全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)可以在改變EPES方面發(fā)揮重要作用，因?yàn)槠淠軌驅(qū)⒒ヂ?lián)網(wǎng)連接到幾乎任何日常物品。物聯(lián)網(wǎng)使實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能控制和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)成為可能，可以將現(xiàn)有的EPES轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄艿木W(wǎng)絡(luò)型EPES。目前的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到此等地步，即使是繁重的計(jì)算也可以在邊緣設(shè)備上進(jìn)行。這減少了網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，即使在網(wǎng)絡(luò)連接較弱或速度較慢的情況下，設(shè)備也能高效工作。

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

利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建更智能的電力網(wǎng)絡(luò)

從廣義上講，任何電力系統(tǒng)都可以分為三個(gè)主要部分:發(fā)電、輸電和供電給消費(fèi)者（工業(yè)、住宅和商業(yè)）。所有組件對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行都同等重要，并且具有廣泛的性能改進(jìn)空間。智能電網(wǎng)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集(SCADA)，以提供增強(qiáng)可靠性、彈性、適應(yīng)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(dǎo)新型發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)可以提高發(fā)電效率。智能系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，甚至從其他資產(chǎn)(如輸電和配電)進(jìn)行負(fù)載預(yù)測(cè)和狀態(tài)預(yù)測(cè)。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(jí)分析，來(lái)獲得對(duì)發(fā)電廠及其所有資產(chǎn)的實(shí)時(shí)洞察。這提供了整個(gè)發(fā)電廠的可見(jiàn)性，并有助于確保最佳運(yùn)營(yíng)、可持續(xù)發(fā)電和預(yù)測(cè)性維護(hù)。對(duì)于依賴(lài)環(huán)境因素運(yùn)行的太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電廠，物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)云計(jì)算和運(yùn)行天氣模擬算法幫助預(yù)測(cè)天氣狀況。

改善輸配電(T&D)

電力產(chǎn)生后，如何對(duì)產(chǎn)生的電力進(jìn)行處理和有效分配，成為電網(wǎng)中最關(guān)鍵的任務(wù)之一。這里最重要的兩項(xiàng)任務(wù)是恢復(fù)電力中斷和執(zhí)行負(fù)載預(yù)測(cè)。斷電可能是由許多原因造成的，其中最常見(jiàn)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(diǎn)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(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整電壓、電流等電氣參數(shù)，并根據(jù)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)追蹤竊電來(lái)源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)使其更強(qiáng)大和更快的響應(yīng)來(lái)改善電力輸送服務(wù)。

電力消耗數(shù)字化

隨著新的建筑和工業(yè)的建立，對(duì)電力的需求日益增加。這就產(chǎn)生了以可持續(xù)方式消耗能源的需求，因?yàn)榇蟛糠蛛娏ψ罱K是由可耗盡的自然能源資源產(chǎn)生的。微電網(wǎng)或智能電網(wǎng)是新興的技術(shù)，其與物聯(lián)網(wǎng)一起，可以使任何消費(fèi)者使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電，并創(chuàng)建分布式能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。

消費(fèi)者也可以參與與主電網(wǎng)的電力交換。因此，當(dāng)主發(fā)電量低于需求時(shí)，消費(fèi)者產(chǎn)生的電力可以用來(lái)填補(bǔ)短缺，反之亦然。智能負(fù)載利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器為消費(fèi)者提供有關(guān)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(fèi)，并管理費(fèi)用。

使用物聯(lián)網(wǎng)的智能負(fù)載示例(圖片來(lái)源:ieee.org)

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

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

連通性的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yùn)行在相同的頻段上，即2.4 GHz，這可能會(huì)產(chǎn)生干擾并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量顯著下降。為了克服這一挑戰(zhàn)，部署了無(wú)線融合模塊，這可以處理多個(gè)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(shè)備的功耗是關(guān)鍵任務(wù)之一，因?yàn)橐揽侩姵毓╇姫?dú)立運(yùn)行。有時(shí)，這些數(shù)據(jù)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)備上需要有某種形式的能量收集系統(tǒng)，以延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。

網(wǎng)絡(luò)安全的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為節(jié)約能源，通常在處理能力上受到限制，這使得設(shè)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(biāo)。最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊類(lèi)型包括分布式拒絕服務(wù)(DDoS)攻擊和勒索軟件。過(guò)去發(fā)生過(guò)很多類(lèi)似Mirai僵尸網(wǎng)絡(luò)攻擊的事件，影響了超過(guò)10萬(wàn)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)使用氣隙網(wǎng)絡(luò)、大管道、異常檢測(cè)方法和流量過(guò)濾等安全技術(shù)，可以減少此類(lèi)DoS攻擊。

總而言之，電力網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化是前進(jìn)的道路，因?yàn)槠涮峁┝死?，無(wú)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(kāi)辟了一個(gè)令人興奮的創(chuàng)新領(lǐng)域。