宋錫強 潘毅 汪萍萍 俞紅權(quán) 林菲 李可宇

摘 要：新能源的普及和高速發(fā)展是時代所趨，基于區(qū)塊鏈的智慧能源互聯(lián)網(wǎng)是多能源融合、信息物理融合和多市場融合的產(chǎn)物，將深刻影響未來的能源生產(chǎn)、傳輸、存儲和消費等環(huán)節(jié)，促進產(chǎn)能用能的高效化和清潔化。區(qū)塊鏈技術(shù)在重構(gòu)能源體系方面有著先天優(yōu)勢，該文分析并選取適用于電能結(jié)算的區(qū)塊鏈技術(shù)，摒棄傳統(tǒng)比特幣及以太坊的共識算法PoW，采用EOS區(qū)塊鏈最新一代DPoS石墨烯共識算法，進行智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)的構(gòu)建，并現(xiàn)場組建智能微網(wǎng)，以此探索“智慧能源+區(qū)塊鏈”發(fā)展的新模式。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；智能微網(wǎng)；結(jié)算系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是服務(wù)范圍廣、配置能力強、安全可靠性高、綠色低碳的能源配置平臺，其突出功能是可將風能、太陽能等各種一次能源轉(zhuǎn)化為電能在電網(wǎng)中傳輸，可以連接各類電源和用戶，實現(xiàn)電源和用電資源的優(yōu)化配置。由于能源行業(yè)對用電穩(wěn)定性有著極高的要求，而且基礎(chǔ)建設(shè)費用和市場選擇專一性高，導(dǎo)致目前光伏電板、風能等新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展受阻，因此需要對其進行高度穩(wěn)定的數(shù)字化交易管理，公平透明的可信任網(wǎng)狀媒介，以及可靠精準的直流電測量技術(shù)。未來能源互聯(lián)網(wǎng)中，將存在大量智能發(fā)、輸、配、用及儲能設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性劇增，參與主體之間各自獨立且沒有信任溝通機制，無法保證能源系統(tǒng)的供給和交易等行為自動執(zhí)行。而區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，使能源互聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)層面的實現(xiàn)成為可能，大量發(fā)電和用電設(shè)備的數(shù)據(jù)可以進行全網(wǎng)收集、保存并持續(xù)追蹤更新，同步實現(xiàn)全網(wǎng)資源的統(tǒng)籌調(diào)配和優(yōu)化配置。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

在參考架構(gòu)標準中，對區(qū)塊鏈的定義為一種在對等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過透明和可信規(guī)則，構(gòu)建不可偽造、不可篡改和可追溯的塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)和管理事務(wù)處理的模式。其中，事務(wù)處理包括但不限于可信數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、存取和使用等。區(qū)塊鏈的關(guān)鍵特性有不可偽造、數(shù)據(jù)塊鏈式、分布式對等、防篡改、透明可信、高可靠性等。

區(qū)塊鏈本身的技術(shù)特色具有重構(gòu)能源體系的先天優(yōu)勢：1）區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)都是去中心化且自治協(xié)同管理的，均不存在統(tǒng)一的管理結(jié)構(gòu)，強調(diào)系統(tǒng)的自調(diào)度和生態(tài)化運行；2）二者都不需要第三方信任機構(gòu)，目的是建立公平、開放的市場機制；3）二者都具有智能化和合約化的趨勢，通過智能合約或“可編程貨幣”可實現(xiàn)合同或能源交易的自動化。

目前區(qū)塊鏈有多種技術(shù)，典型的有比特幣、以太坊、EOS等，各技術(shù)優(yōu)缺點見表1。

一個面向電能結(jié)算的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，無法采用類似比特幣網(wǎng)絡(luò)所依賴的競爭性“采礦”機制，這主要是因為電能表或終端這樣的設(shè)備無法駕馭專業(yè)化計算機的算力。與此同時，大規(guī)模區(qū)塊鏈礦可能會更容易遭受攻擊，并威脅到整個電能采集網(wǎng)絡(luò)。EOS和以太坊之間，顯著的區(qū)別是區(qū)塊鏈共識機制以及區(qū)塊鏈治理方法。以太坊使用的是工作量證明機制（PoW和PoS混合的機制），而EOS使用的是石墨烯技術(shù)（DPoS授權(quán)股權(quán)證明機制）。PoW工作量證明算法會在無意義的Hash值運算上浪費大量算力，是對能源的極大浪費，與綠色、節(jié)能的目標背道而馳，而DPoS石墨烯算法通過代理選舉的機制，在保證了極好的分布性和安全性的前提下，使得幾乎所有算力均用于核心交易的運算上，能源利用效率超過PoW上千倍。此外，一個平臺如果想要商業(yè)化，那么擴展性極為重要，在擴展性方法上，EOS相對于以太坊有2個顯著優(yōu)勢：第一，在壓力測試中，EOS依賴的石墨烯技術(shù)已能達到每秒10 000～100 000筆交易；第二，EOS將使用并行技術(shù)來拓展網(wǎng)絡(luò)，其處理能力將到達每秒百萬筆交易。一旦實現(xiàn)，EOS將成為真正能處理商業(yè)級去中心應(yīng)用的唯一平臺。

經(jīng)上述分析，并考慮到能源行業(yè)的特殊性，若要使電能結(jié)算在每家每戶每kWh或每0.01 kWh都可進行結(jié)算，需要摒棄傳統(tǒng)比特幣以及共識算法PoW，采用最新一代DPoS石墨烯共識算法，基于最新一代的區(qū)塊鏈3.0 EOS框架，即利用EOS.IO來實現(xiàn)信云能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，進而實現(xiàn)智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)的構(gòu)建。

2 構(gòu)建智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)

智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)采用萬物互聯(lián)的分布式能量自治單元，通過智慧電表將住宅、汽車等各類新能源設(shè)備無縫接入分布式電網(wǎng)中，且具有強大的災(zāi)害或惡意損壞自治修復(fù)能力。系統(tǒng)基于EOS區(qū)塊鏈的智能合約部署，可實現(xiàn)用發(fā)電和計費的全數(shù)字化管理，優(yōu)化區(qū)塊鏈交易效率，并通過優(yōu)化EOS內(nèi)核代碼降低區(qū)塊鏈運力要求，進而降低智能電能表的成本。智能合約開放能力具有高度可擴展性，可市場化自動調(diào)節(jié)能源單價，實現(xiàn)能源豐盈低單價、能源緊缺高單價等動態(tài)調(diào)價功能。結(jié)算系統(tǒng)結(jié)合高精度的直流用電計量檢測技術(shù)，基于可信智慧電表優(yōu)化共識機制算法，采用高效的DPoS算法可避免象PoW算法帶來的無效損耗，有效降低85 %以上無效運算造成的能量損耗；基于Near-by就近選路供電算法，可有效降低23 %以上的電力傳輸損耗，且具有自治的高魯棒體系，可以穩(wěn)定、高效、安全、自治地管理賬戶；運用數(shù)據(jù)分析的用電趨勢分析算法，能夠自動預(yù)判提供發(fā)電規(guī)劃，采用透明公正的弱中心化交易網(wǎng)絡(luò)，有效降低能源企業(yè)間的合作成本。另外，可靠的智能調(diào)控方式，可使自適應(yīng)實時電價調(diào)整算法能夠有效對沖能源需求的潮汐現(xiàn)象。

2.1 電能表功能需求及系統(tǒng)方案

智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)中的每一個智能電能表需要可以連接一個至多個用發(fā)電器設(shè)施，并可以精確計量設(shè)施的用發(fā)電量。每個住宅或節(jié)點需要一個智能電能表，一個智能電能表代表一個用戶、組織或機構(gòu)，另外用戶可獲得電量使用報表、用電建議和費用等信息。結(jié)算系統(tǒng)采用全節(jié)點全分布式方案：

（1）要求智能電能表可運行完整的Ubuntu系統(tǒng)，運行本地Wallet和eosd，且接入互聯(lián)網(wǎng)。

（2）智能電能表應(yīng)當可以檢測發(fā)電和用電電量值，且隨之發(fā)起POST請求。

（3）智能電能表在統(tǒng)計完用電值進行核銷時，應(yīng)當有能力發(fā)起GET和POST請求。

（4）可通過Ubuntu或嵌入式開發(fā)實現(xiàn)通過API訪問MongoDB，查詢最優(yōu)供電節(jié)點。

（5）電氣設(shè)計可以實現(xiàn)穩(wěn)定的換路，且不造成明顯的電壓波動。

（6）智能電能表性能和存儲空間應(yīng)當保留一定的可擴展性。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)路徑

基于EOS框架開發(fā)出眾多智能合約，象電價實時調(diào)整、密鑰遺忘異常處理等合約，以此滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的功能要求。同時開發(fā)電價實時調(diào)控、異常情況解決的合約，保證功能的完整性和豐富性：

（1）在智能電能表中安裝Linux發(fā)行版系統(tǒng)，最佳支持Ubuntu系統(tǒng)。

（2）將EOS和Contract打包編譯后，植入智能電能表的Ubuntu系統(tǒng)中。

（3）在Ubuntu系統(tǒng)中運行EOS的eosd組件，并通過eosc確認。

（4）通過eosc配置EOS，連接到主鏈網(wǎng)。

（5）管理員為該用戶注冊account，并加入系統(tǒng)中。

（6）此account對應(yīng)的密鑰對通過wallet存儲在用戶智能電能表本地。

（7）管理員執(zhí)行合約內(nèi)規(guī)定的初始化action，完成賬戶初始化。

（8）賬戶可以正常使用。

2.3 電力支付結(jié)算過程

將能源網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合，建立一個基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可交互微電網(wǎng)平臺，平臺上每一個綠色能源的生產(chǎn)者和消費者都可以不依賴第三方自由的進行綠色能源直接交易。交易并非憑空進行，而是通過特定設(shè)備為虛擬交易提供發(fā)電和用電的數(shù)據(jù)，該設(shè)備包括智能電能表的硬件層以及使用區(qū)塊鏈智能合約的軟件層，從而追蹤記錄家庭使用的電量情況以及管理鄰居之間的電力交易。區(qū)塊鏈支付使交易雙方可直接進行數(shù)據(jù)交互，不涉及中介機構(gòu)，極大地降低了中心化支付方式的系統(tǒng)風險，突破了互聯(lián)網(wǎng)價值轉(zhuǎn)移的局限。在沒有任何中心化機構(gòu)審核與背書的情況下，幫助交易參與者解決互信問題，系統(tǒng)中所有節(jié)點都能夠在去信任的環(huán)境下自動安全地交換數(shù)據(jù)。

3 智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)的實施

基于區(qū)塊鏈的智能微網(wǎng)現(xiàn)場組網(wǎng)圖如圖1所示。

圖1中，光伏車棚為光伏發(fā)電組件，單個車棚發(fā)電功率為331 kW，經(jīng)光伏匯流箱后，由光伏三相逆變器完成并網(wǎng)，接入點為園區(qū)配電柜。光伏表為交流智能電能表，上網(wǎng)補貼政策依據(jù)此表進行光伏發(fā)電補貼。園區(qū)內(nèi)有多個配電分支箱，部署的現(xiàn)場模擬智能微網(wǎng)結(jié)算用戶中，有2組新能源汽車充電樁，每組為1個60 kW直流充電樁，4個7 kW交流充電樁。2組充電樁用戶間接入雙向智能電能表，便可在2組充電樁之間進行電費結(jié)算。充電樁負載分別配有25 kWh的儲能電池柜，且單組放電功率不小于60 kW，充電樁可根據(jù)用電成本及充電時間選擇光伏用電、電網(wǎng)用電及儲能用電3種用電方式。智能微網(wǎng)與電網(wǎng)節(jié)點安裝有雙向智能電能表實現(xiàn)饋網(wǎng)結(jié)算，另外，智能微網(wǎng)間的區(qū)塊鏈結(jié)算通過電網(wǎng)收取過網(wǎng)服務(wù)費的形式進行定價。

3.1 結(jié)算系統(tǒng)賬戶類型

運營方：負責虛擬運營網(wǎng)內(nèi)的用電方、光伏投資人、儲能投資人和電網(wǎng)間的結(jié)算運營。

電網(wǎng)：提供電力線路、收取國網(wǎng)費用和電網(wǎng)供電的用電費用。

光伏投資人：負責光伏發(fā)電設(shè)備的投資，收取運營方結(jié)算的光伏用電費用。

儲能投資人：負責儲能設(shè)備的投資，收取運營方結(jié)算的儲能用電費用。

用電方：充電樁、用電設(shè)備等最終電力用戶，付費給運營方。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的計算體系：運營方采用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的計算體系，負責運營方、電網(wǎng)、光伏投資人、儲能投資人和用電方之間的虛擬結(jié)算。

3.2 系統(tǒng)計量點設(shè)置和運行結(jié)算狀態(tài)

3.2.1 系統(tǒng)計量點設(shè)置

計量點分為電網(wǎng)配電總雙向電能表、光伏表、儲能逆變器和儲能間連接點雙向電能表這4類計量點，根據(jù)布線節(jié)點進行安裝，同時安裝有智能信息采集交互終端，將結(jié)算電量通過4G或其他方式遠程連接至區(qū)塊鏈節(jié)點。

3.2.2 系統(tǒng)運行結(jié)算狀態(tài)

狀態(tài)1：純電網(wǎng)供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給電網(wǎng)。

狀態(tài)2：電網(wǎng)供電+電網(wǎng)給儲能充電

運營方收取用戶和儲能設(shè)備投資人用電費用和服務(wù)費，付用電費給電網(wǎng)。

狀態(tài)3：電網(wǎng)供電+光伏供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給電網(wǎng)和光伏投資人。

狀態(tài)4：電網(wǎng)供電+光伏供電+儲能充電

運營方收取用戶和儲能設(shè)備投資人用電費用和服務(wù)費，付用電費給電網(wǎng)和光伏投資人。

狀態(tài)5：電網(wǎng)供電+光伏供電+儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給電網(wǎng)、光伏投資人和儲能投資人。

狀態(tài)6：光伏供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給光伏投資人。

狀態(tài)7：光伏供電+儲能充電

運營方收取用戶和儲能設(shè)備投資人用電費用和服務(wù)費，付用電費給光伏投資人。

狀態(tài)8：光伏供電+儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給光伏投資人和儲能投資人。

狀態(tài)9：儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給儲能投資人。

狀態(tài)10：光伏供電+電網(wǎng)饋電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費以及電網(wǎng)饋電費用，付用電費給光伏投資人以及電網(wǎng)過網(wǎng)費給電網(wǎng)。

狀態(tài)11：光伏供電+儲能充電+電網(wǎng)饋電

運營方收取用戶和儲能設(shè)備投資人用電費用和服務(wù)費以及電網(wǎng)饋電費用，付用電費給光伏投資人以及電網(wǎng)過網(wǎng)費給電網(wǎng)。

狀態(tài)12：光伏供電+儲能供電+電網(wǎng)饋電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費以及電網(wǎng)饋電費用，付用電費給光伏投資人、儲能投資人以及電網(wǎng)過網(wǎng)費給電網(wǎng)。

狀態(tài)13：儲能供電+電網(wǎng)饋電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費以及電網(wǎng)饋電費用，付用電費給儲能投資人以及電網(wǎng)過網(wǎng)費給電網(wǎng)。

狀態(tài)14：電網(wǎng)失電（光伏孤島關(guān)閉）+儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務(wù)費，付用電費給儲能投資人。

3.3 區(qū)塊鏈節(jié)點及基于區(qū)塊鏈的交易框架

各區(qū)塊鏈節(jié)點，基于區(qū)塊鏈的智能微網(wǎng)結(jié)算交易框圖如圖2所示。

基于物理位置的任一智能微網(wǎng)現(xiàn)場，可以有一個或多個客戶節(jié)點。微網(wǎng)內(nèi)結(jié)算電費基于同步凍結(jié)的現(xiàn)場雙向智能電能表凍結(jié)數(shù)據(jù)，通過智能采集交互終端連接至每個客戶節(jié)點?；趨^(qū)塊鏈的智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上，每個客戶節(jié)點參與區(qū)塊鏈的計算和保存。隨著節(jié)點數(shù)的增加，至少50 %以上的節(jié)點數(shù)據(jù)被篡改才會改變區(qū)塊鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)，使結(jié)算數(shù)據(jù)的安全性得到保障。同時智能微網(wǎng)內(nèi)存在多種類型賬戶，象電網(wǎng)、儲能投資人、光伏投資人以及最終用電用戶，由于基于區(qū)塊鏈的智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)的安全和不可篡改特性，各類賬戶間不存在信任問題，同時繳電費也不需要交至固定統(tǒng)一的電網(wǎng)賬戶，實現(xiàn)了各類賬戶間的自主安全結(jié)算。

如圖2所示，每條交易產(chǎn)生共分為3步：第一步為當交易產(chǎn)生時，對應(yīng)的客戶節(jié)點進行全網(wǎng)廣播并注冊交易數(shù)據(jù)；第二步為通過合約機制，對當前交易進行確認；第三步為確認后的交易數(shù)據(jù)同步至區(qū)塊鏈中，成功完成交易。此外，通過EOS的REST API以及智能合約，為結(jié)算系統(tǒng)開發(fā)了一套可視化管理后臺軟件，可在權(quán)限范圍內(nèi)看到電能表發(fā)電量、趨勢圖、代理節(jié)點健康狀況等信息。在前端界面圖，除了網(wǎng)頁的用戶端和后臺的管理側(cè)外，還開發(fā)了微信小程序，方便使用的同時降低了推廣成本。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)能源行業(yè)交易封閉、信息閉塞，“能源孤島”現(xiàn)象嚴重。隨著電動汽車、光伏發(fā)電等新能源行業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)能源交易模式的弊端逐漸顯現(xiàn)。該文采用基于DPoS共識算法的EOS區(qū)塊鏈，在保證極好的分布性前提下，將互聯(lián)網(wǎng)思想充分應(yīng)用到能源行業(yè)中，形成了一套完善的能源互聯(lián)網(wǎng)解決方案，運用數(shù)據(jù)分析、高精度直流電計量、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，提高了運算性能，降低了算力損耗。多元融合的能源互聯(lián)網(wǎng)可充分、廣泛并有效地利用高度離散的新能源，并兼容傳統(tǒng)電網(wǎng)，滿足用戶多樣化的電力需求。此外，分析電力支付結(jié)算過程，根據(jù)智能電能表功能需求及系統(tǒng)開發(fā)路徑，將能源與區(qū)塊鏈相結(jié)合，構(gòu)建并實施智能微網(wǎng)結(jié)算系統(tǒng)，建立基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可交互微電網(wǎng)平臺，實現(xiàn)全數(shù)字化管理，提高了交易效率。

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