DOI: https://doi.org/10.3390/en19040965
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Chiara Matta وآخرون
الموضوع الرئيسي: الشبكة الذكية وأنظمة الطاقة
نظرة عامة
إن دمج تقنيات إنترنت الأشياء (IoT) يحدث ثورة في أنظمة الطاقة الكهربائية، محولاً إياها إلى بنى تحتية ذكية ومترابطة تعزز من المراقبة والتحكم والتحسين عبر سلسلة قيمة الطاقة. تقدم هذه الورقة استعراضًا شاملاً يفحص بشكل منهجي تسعة أبعاد حاسمة للأنظمة الكهربائية الذكية المعتمدة على إنترنت الأشياء، بما في ذلك النماذج المعمارية، بروتوكولات الاتصال، تدابير الأمن السيبراني، نماذج معالجة البيانات، حلول التشغيل البيني، استراتيجيات إدارة الطاقة، سيناريوهات التطبيق، واتجاهات البحث المستقبلية. على عكس الاستعراضات التقليدية التي غالبًا ما تعزل هذه الجوانب، تعتمد هذه الدراسة نهجًا كليًا عبر الطبقات، مما يكشف عن التداخلات بين المكونات المختلفة وآثارها على النشر في العالم الحقيقي.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن التطور نحو الشبكات الذكية وإنترنت الطاقة يتم تسهيله من خلال انتشار أجهزة الاستشعار والحوسبة الطرفية، مما يمكّن من إدارة تدفق الطاقة في الوقت الحقيقي. يبرز الاستعراض أهمية اختيار معايير الاتصال المناسبة بناءً على سياقات التطبيقات المحددة، حيث لا يوجد معيار واحد يتفوق بشكل عالمي. تتطلب تحديات التشغيل البيني حلولًا للبرمجيات الوسيطة لجسر بروتوكولات تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية، بينما تنشأ مخاوف أمنية من زيادة سطح الهجوم الذي تقدمه أجهزة إنترنت الأشياء. تناقش الورقة أيضًا دور تقنيات الذكاء الاصطناعي المتقدمة في أنظمة إدارة الطاقة (EMS)، التي تعمل على تحسين تنسيق موارد الطاقة المتنوعة. في النهاية، يبرز الاستعراض الحاجة الملحة لمعالجة التشغيل البيني والأمن وإدارة التعقيد لتحقيق أنظمة كهربائية ذكية مدعومة بإنترنت الأشياء قابلة للتوسع ومستدامة، مع تحديد الفجوات البحثية المفتوحة التي تستدعي مزيدًا من التحقيق.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التأثير التحويلي لإنترنت الأشياء (IoT) على قطاع الطاقة، مما يمثل تحولًا من أنظمة الطاقة المركزية التقليدية إلى نموذج أكثر ترابطًا وأتمتة. يتميز هذا التطور بتحسين جمع البيانات والاستجابة في الوقت الحقيقي من خلال شبكات من أجهزة الاستشعار والمنصات الذكية، التي تسهل الصيانة التنبؤية ومراقبة المخاطر، مما يحسن من موثوقية الأنظمة الكهربائية. إن دمج تقنيات إنترنت الأشياء أمر ضروري لاستيعاب التعقيد المتزايد في مشهد الطاقة، لا سيما مع دمج مصادر الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، ومرونة جانب الطلب.
على الرغم من التقدم الواعد، تبرز الورقة تحديات كبيرة مرتبطة بدمج إنترنت الأشياء، بما في ذلك قضايا التشغيل البيني بسبب انتشار الأجهزة والمنصات، بالإضافة إلى الثغرات الأمنية التي تنشأ من زيادة سطح الهجوم. تميل الأدبيات الحالية حول الأنظمة الكهربائية الذكية المعتمدة على إنترنت الأشياء إلى معالجة هذه القضايا في صوامع مجزأة، مما يفتقر إلى نهج شامل يشمل النماذج المعمارية، بروتوكولات الاتصال، وتدابير الأمن السيبراني. لمعالجة هذه الفجوات، يقترح المؤلفون مراجعة منهجية للأدبيات تقدم تصنيفات جديدة عبر الطبقات، تهدف إلى توفير خارطة طريق شاملة للممارسين والباحثين الذين يتنقلون في تعقيدات التحولات الكهربائية الذكية. تم هيكلة هذا الاستعراض في تسع أقسام، تغطي أبعادًا مختلفة من دمج إنترنت الأشياء، وتؤكد على الحاجة إلى التوحيد والمعماريات المفتوحة لإدارة التحديات المتعلقة بالتوسع والبيانات المتأصلة في الأنظمة الكهربائية الحديثة.
الطرق
تتمثل منهجية البحث المستخدمة في هذه الدراسة في مراجعة منهجية للأدبيات تهدف إلى تقديم تحليل شامل للتقدم الحالي في الأنظمة الكهربائية الذكية. تم إجراء اختيار وتحليل المقالات بدقة لضمان تغطية شاملة للمفاهيم ذات الصلة.
تشمل العناصر الرئيسية للأنظمة الكهربائية الذكية الإدراك والعمل. يشمل الإدراك تحويل التأثيرات الفيزيائية أو الكيميائية إلى إشارات معلوماتية، مما يمكّن من المراقبة في الوقت الحقيقي لبارامترات الشبكة مثل الجهد، والتيار، والطور. يشير العمل إلى تنفيذ المهام الفيزيائية بناءً على البيانات الرقمية المعالجة، والتي تشمل وظائف مثل قطع الدائرة عن بُعد، وتقليل الحمل، وتشغيل المعدات الكهربائية بشكل آلي. تعتبر هذه المنهجيات والخصائص جزءًا لا يتجزأ من تعزيز كفاءة وموثوقية الأنظمة الكهربائية الذكية.
المناقشة
استخدمت المراجعة المنهجية للأدبيات التي أجريت على مدى ستة أشهر Google Scholar لاستكشاف تقاطع تقنيات إنترنت الأشياء (IoT) وأنظمة الطاقة الكهربائية. استخدمت استراتيجية البحث مشغلات بوليانية لدمج المصطلحات الأساسية المتعلقة بإنترنت الأشياء، والشبكات الذكية، والتقنيات الممكنة، والتطبيقات، والقضايا العابرة. ركزت معايير الإدراج على المقالات باللغة الإنجليزية المنشورة خلال السنوات الخمس الماضية، مدعومة بأعمال أساسية من العقد الماضي. بعد عملية اختيار صارمة تتماشى مع إرشادات PRISMA، تم تحديد 100 دراسة عالية الجودة من مجموعة أولية تضم حوالي 1200 سجل.
تسلط النتائج الرئيسية من المراجعة الضوء على التحديات المستمرة في الأنظمة الكهربائية الذكية المعتمدة على إنترنت الأشياء، بما في ذلك صوامع معمارية، وقضايا التشغيل البيني بين تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية (OT)، وثغرات الأمن السيبراني. يعكس التطور من الشبكات الكهربائية التقليدية إلى الشبكات الذكية وإنترنت الطاقة (IoE) تحولًا كبيرًا مدفوعًا بدمج موارد الطاقة الموزعة (DERs) والتقنيات المتقدمة مثل الحوسبة الطرفية. تؤكد المراجعة على الحاجة إلى تحليل شامل يربط بين الأبعاد المختلفة—مثل النماذج المعمارية، بروتوكولات الاتصال، والأمن السيبراني—بينما تكشف عن مسارات التحسين التي تعيقها التجزئة في الأدبيات الحالية. يهدف هذا النهج الشامل إلى تزويد الباحثين والممارسين برؤى قابلة للتنفيذ لتطوير نظم كهربائية متكاملة مدفوعة بإنترنت الأشياء.
القيود
تحدد قسم القيود التحديات الكبيرة في مجال أمان تكنولوجيا المعلومات/التكنولوجيا التشغيلية القابلة للتوسع، لا سيما الاعتماد على إدارة الثقة اليدوية، مما يؤدي إلى تكاليف عالية في الشبكات التي تضم مليارات العقد. يعيق هذا الاعتماد كفاءة وفعالية تدابير الأمان في البيئات الكبيرة.
علاوة على ذلك، فإن غياب تنسيق أمني ذاتي وقابل للتوسع يزيد من تفاقم هذه القضايا، مما يشير إلى فجوة حاسمة في البحث والممارسة الحالية. لمعالجة هذه القيود، يقترح المؤلفون تطوير معماريات ثقة صفرية ذاتية التكيف وأنظمة هوية موزعة تهدف إلى أتمتة إدارة الثقة، مما يعزز الأمان في الشبكات الواسعة لتكنولوجيا المعلومات/التكنولوجيا التشغيلية.
DOI: https://doi.org/10.3390/en19040965
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Chiara Matta et al.
Primary Topic: Smart Grid and Power Systems
Overview
The integration of Internet of Things (IoT) technologies is revolutionizing electrical power systems, transforming them into intelligent, interconnected infrastructures that enhance monitoring, control, and optimization throughout the energy value chain. This paper presents a comprehensive survey that systematically examines nine critical dimensions of IoT-based smart electrical systems, including architectural models, communication protocols, cybersecurity measures, data processing paradigms, interoperability solutions, energy management strategies, application scenarios, and future research directions. Unlike traditional surveys that often isolate these aspects, this work adopts a holistic, cross-layer approach, revealing the interdependencies among various components and their implications for real-world deployments.
Key findings indicate that the evolution towards Smart Grids and the Internet of Energy is facilitated by the proliferation of sensors and edge computing, which enable real-time energy flow management. The survey highlights the importance of selecting appropriate communication standards based on specific application contexts, as no single standard excels universally. Interoperability challenges necessitate middleware solutions to bridge IT and operational technology (OT) protocols, while security concerns arise from the increased attack surface presented by IoT devices. The paper also discusses the role of advanced Artificial Intelligence techniques in Energy Management Systems (EMS), which optimize the orchestration of diverse energy resources. Ultimately, the survey underscores the critical need to address interoperability, security, and complexity management to achieve scalable and sustainable IoT-enabled smart electrical systems, while identifying open research gaps that warrant further investigation.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the transformative impact of the Internet of Things (IoT) on the energy sector, marking a shift from traditional centralized power systems to a more interconnected and automated paradigm. This evolution is characterized by enhanced data collection and real-time responsiveness through networks of sensors and intelligent platforms, which facilitate predictive maintenance and hazard monitoring, thereby improving the reliability of electrical systems. The integration of IoT technologies is essential for accommodating the increasing complexity of energy landscapes, particularly with the incorporation of renewable energy sources, electric vehicles, and demand-side flexibility.
Despite the promising advancements, the paper highlights significant challenges associated with IoT integration, including interoperability issues due to the proliferation of devices and platforms, as well as security vulnerabilities that arise from the expanded attack surface. Existing literature on IoT-based smart electrical systems tends to address these issues in fragmented silos, lacking a comprehensive approach that encompasses architectural models, communication protocols, and cybersecurity measures. To address these gaps, the authors propose a systematic literature review that introduces novel cross-layer taxonomies, aiming to provide a holistic roadmap for practitioners and researchers navigating the complexities of smart electrical transformations. This survey is structured into nine sections, covering various dimensions of IoT integration, and emphasizes the need for standardization and open architectures to manage the scalability and data challenges inherent in modern electrical systems.
Methods
The research methodology employed in this study is a systematic literature review aimed at providing a thorough analysis of current advancements in smart electrical systems. The selection and analysis of articles were conducted with rigor to ensure comprehensive coverage of relevant concepts.
Key elements of smart electrical systems include perception and action. Perception involves the conversion of physical or chemical effects into informational signals, enabling real-time monitoring of grid parameters such as voltage, current, and phase. Action refers to the execution of physical tasks based on processed digital data, which encompasses functionalities like remote circuit breaking, load shedding, and automated switchgear operation. These methodologies and characteristics are integral to enhancing the efficiency and reliability of smart electrical systems.
Discussion
The systematic literature review conducted over six months utilized Google Scholar to explore the intersection of Internet of Things (IoT) technologies and electrical power systems. The search strategy employed Boolean operators to combine core terms related to IoT, Smart Grids, enabling technologies, applications, and cross-cutting issues. The inclusion criteria focused on English-language articles published within the last five years, supplemented by foundational works from the past decade. Following a rigorous selection process adhering to PRISMA guidelines, 100 high-quality studies were identified from an initial pool of approximately 1200 records.
Key findings from the review highlight persistent challenges in IoT-based smart electrical systems, including architectural silos, interoperability issues between IT and operational technology (OT), and cybersecurity vulnerabilities. The evolution from traditional power grids to Smart Grids and the Internet of Energy (IoE) reflects a significant paradigm shift driven by the integration of Distributed Energy Resources (DERs) and advanced technologies like edge computing. The review underscores the need for a holistic analysis that connects various dimensions—such as architectural models, communication protocols, and cybersecurity—while revealing optimization pathways obscured by fragmentation in existing literature. This comprehensive approach aims to equip researchers and practitioners with actionable insights for developing integrated, IoT-driven electrical ecosystems.
Limitations
The section on limitations identifies significant challenges in the realm of scalable IT/OT security, particularly the reliance on manual trust management, which results in high overhead in networks comprising billions of nodes. This reliance hampers the efficiency and effectiveness of security measures in large-scale environments.
Moreover, the absence of autonomous and scalable security orchestration further exacerbates these issues, indicating a critical gap in current research and practice. To address these limitations, the authors propose the development of self-adaptive zero-trust architectures and distributed identity systems aimed at automating trust management, thereby enhancing security in expansive IT/OT networks.