物联网如何改变电力和能源格局？

自电被发明以来，已成为现代生活的基本组成部分之一，人们无法想象没有电的世界。现代世界中几乎所有事物都要依靠电力才能有效地工作，且其也推动着科技朝着更美好的未来发展。

即使是短时间的停电也会严重影响交通和通信等行业的运作。因此，电力持续稳定的可靠性在当今已变得非常重要。与此同时，电力的使用量大幅增加，因此可持续能源方面也得到了一些关注。因此，电力和能源系统(EPES)正在发生变化，提供清洁的分布式能源，以促进全球经济的持续增长。

物联网可以在改变EPES方面发挥重要作用，因为其能够将互联网连接到几乎任何日常物品。物联网使实时监控、预测性维护、智能控制和网络安全等技术成为可能，可以将现有的EPES转变为智能的网络型EPES。目前的技术已经发展到此等地步，即使是繁重的计算也可以在边缘设备上进行。这减少了网络上传输的数据量，即使在网络连接较弱或速度较慢的情况下，设备也能高效工作。

下面来看看物联网是如何改变EPES行业，以及与之相关的挑战的实际解决方案。

利用物联网构建更智能的电力网络

从广义上讲，任何电力系统都可以分为三个主要部分:发电、输电和供电给消费者(工业、住宅和商业)。所有组件对电网的正常运行都同等重要，并且具有广泛的性能改进空间。智能电网使用物联网技术，包括先进的计量基础设施(AMI)、监控和数据收集(SCADA)，以提供增强可靠性、弹性、适应性和能源效率等好处。

提高发电能力

分布式能源发电将主导新型发电基础设施，物联网可以提高发电效率。智能系统可以通过实时收集数据，甚至从其他资产(如输电和配电)进行负载预测和状态预测。收集的数据还有助于发电厂发电组合的最佳平衡。

物联网软件解决方案还可以利用基于云的高级分析，来获得对发电厂及其所有资产的实时洞察。这提供了整个发电厂的可见性，并有助于确保最佳运营、可持续发电和预测性维护。对于依赖环境因素运行的太阳能、风能等发电厂，物联网可以通过云计算和运行天气模拟算法帮助预测天气状况。

改善输配电(T&D)

电力产生后，如何对产生的电力进行处理和有效分配，成为电网中最关键的任务之一。这里最重要的两项任务是恢复电力中断和执行负载预测。断电可能是由许多原因造成的，其中最常见的是系统故障。故障是非常突然且具有破坏性的，这使得定位故障点很困难。

借助物联网，添加了智能监控系统，有助于减少电力损失和数据盗窃。这是通过实时调整电压、电流等电气参数，并根据获得的监测数据追踪窃电来源来实现的。因此，物联网通过使其更强大和更快的响应来改善电力输送服务。

电力消耗数字化

随着新的建筑和工业的建立，对电力的需求日益增加。这就产生了以可持续方式消耗能源的需求，因为大部分电力最终是由可耗尽的自然能源资源产生的。微电网或智能电网是新兴的技术，其与物联网一起，可以使任何消费者使用太阳能和风能等可再生能源发电，并创建分布式能源存储系统。

消费者也可以参与与主电网的电力交换。因此，当主发电量低于需求时，消费者产生的电力可以用来填补短缺，反之亦然。智能负载利用物联网传感器为消费者提供有关发电和利用的有用信息，使之能够更有效地使用电力、减少浪费，并管理费用。

使用物联网的智能负载示例(图片来源:ieee.org)

在EPES中部署物联网相关的挑战及其解决方案

将物联网应用于EPES带来了一些优势，但也存在一些弱点，如连接性、电源管理、传感复杂性和安全性。为了克服这些挑战，采用了各种方法来帮助实现“智能网络安全电力网络”的愿景。

连通性的挑战

物联网设备包含多种连接协议，如Wi-Fi、ZigBee和BLE，用于传输数据。这些协议运行在相同的频段上，即2.4 GHz，这可能会产生干扰并导致网络质量显著下降。为了克服这一挑战，部署了无线融合模块，这可以处理多个协议并避免共存的挑战。

电源管理的挑战

管理物联网设备的功耗是关键任务之一，因为要依靠电池供电独立运行。有时，这些数据监控物联网设备需要放置在不易接近的位置，因此更换电池或提供稳定的电源变得困难。因此，设备上需要有某种形式的能量收集系统，以延长设备的寿命。

网络安全的挑战

物联网设备为节约能源，通常在处理能力上受到限制，这使得设备一旦连接到互联网，就很容易成为攻击者的弱小目标。最常见的网络攻击类型包括分布式拒绝服务(DDoS)攻击和勒索软件。过去发生过很多类似Mirai僵尸网络攻击的事件，影响了超过10万个物联网节点。通过使用气隙网络、大管道、异常检测方法和流量过滤等安全技术，可以减少此类DoS攻击。

总而言之，电力网络的数字化是前进的道路，因为其提供了利益，无论是在货币方面还是在可持续性方面。物联网在改变EPES方面发挥着重要作用，这也为研究人员开辟了一个令人兴奋的创新领域。