基于區塊鏈的智能微網結算系統

宋錫強 潘毅 汪萍萍 俞紅權 林菲 李可宇

摘 要：新能源的普及和高速發展是時代所趨，基于區塊鏈的智慧能源互聯網是多能源融合、信息物理融合和多市場融合的產物，將深刻影響未來的能源生產、傳輸、存儲和消費等環節，促進產能用能的高效化和清潔化。區塊鏈技術在重構能源體系方面有著先天優勢，該文分析并選取適用于電能結算的區塊鏈技術，摒棄傳統比特幣及以太坊的共識算法PoW，采用EOS區塊鏈最新一代DPoS石墨烯共識算法，進行智能微網結算系統的構建，并現場組建智能微網，以此探索“智慧能源+區塊鏈”發展的新模式。

關鍵詞：能源互聯網；區塊鏈；智能微網；結算系統

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

0 引言

能源互聯網是服務范圍廣、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化為電能在電網中傳輸，可以連接各類電源和用戶，實現電源和用電資源的優化配置。由于能源行業對用電穩定性有著極高的要求，而且基礎建設費用和市場選擇專一性高，導致目前光伏電板、風能等新能源相關產業發展受阻，因此需要對其進行高度穩定的數字化交易管理，公平透明的可信任網狀媒介，以及可靠精準的直流電測量技術。未來能源互聯網中，將存在大量智能發、輸、配、用及儲能設備，導致系統的復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，無法保證能源系統的供給和交易等行為自動執行。而區塊鏈技術的出現，使能源互聯網在技術層面的實現成為可能，大量發電和用電設備的數據可以進行全網收集、保存并持續追蹤更新，同步實現全網資源的統籌調配和優化配置。

1 區塊鏈技術

在參考架構標準中，對區塊鏈的定義為一種在對等網絡環境下，通過透明和可信規則，構建不可偽造、不可篡改和可追溯的塊鏈式數據結構，實現和管理事務處理的模式。其中，事務處理包括但不限于可信數據的產生、存取和使用等。區塊鏈的關鍵特性有不可偽造、數據塊鏈式、分布式對等、防篡改、透明可信、高可靠性等。

區塊鏈本身的技術特色具有重構能源體系的先天優勢：1）區塊鏈和能源互聯網都是去中心化且自治協同管理的，均不存在統一的管理結構，強調系統的自調度和生態化運行；2）二者都不需要第三方信任機構，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”可實現合同或能源交易的自動化。

目前區塊鏈有多種技術，典型的有比特幣、以太坊、EOS等，各技術優缺點見表1。

一個面向電能結算的區塊鏈網絡，無法采用類似比特幣網絡所依賴的競爭性“采礦”機制，這主要是因為電能表或終端這樣的設備無法駕馭專業化計算機的算力。與此同時，大規模區塊鏈礦可能會更容易遭受攻擊，并威脅到整個電能采集網絡。EOS和以太坊之間，顯著的區別是區塊鏈共識機制以及區塊鏈治理方法。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（DPoS授權股權證明機制）。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個顯著優勢：第一，在壓力測試中，EOS依賴的石墨烯技術已能達到每秒10 000～100 000筆交易；第二，EOS將使用并行技術來拓展網絡，其處理能力將到達每秒百萬筆交易。一旦實現，EOS將成為真正能處理商業級去中心應用的唯一平臺。

經上述分析，并考慮到能源行業的特殊性，若要使電能結算在每家每戶每kWh或每0.01 kWh都可進行結算，需要摒棄傳統比特幣以及共識算法PoW，采用最新一代DPoS石墨烯共識算法，基于最新一代的區塊鏈3.0 EOS框架，即利用EOS.IO來實現信云能源互聯網的構建，進而實現智能微網結算系統的構建。

2 構建智能微網結算系統

智能微網結算系統采用萬物互聯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備無縫接入分布式電網中，且具有強大的災害或惡意損壞自治修復能力。系統基于EOS區塊鏈的智能合約部署，可實現用發電和計費的全數字化管理，優化區塊鏈交易效率，并通過優化EOS內核代碼降低區塊鏈運力要求，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，可市場化自動調節能源單價，實現能源豐盈低單價、能源緊缺高單價等動態調價功能。結算系統結合高精度的直流用電計量檢測技術，基于可信智慧電表優化共識機制算法，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，可以穩定、高效、安全、自治地管理賬戶；運用數據分析的用電趨勢分析算法，能夠自動預判提供發電規劃，采用透明公正的弱中心化交易網絡，有效降低能源企業間的合作成本。另外，可靠的智能調控方式，可使自適應實時電價調整算法能夠有效對沖能源需求的潮汐現象。

2.1 電能表功能需求及系統方案

智能微網結算系統中的每一個智能電能表需要可以連接一個至多個用發電器設施，并可以精確計量設施的用發電量。每個住宅或節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，另外用戶可獲得電量使用報表、用電建議和費用等信息。結算系統采用全節點全分布式方案：

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

（2）智能電能表應當可以檢測發電和用電電量值，且隨之發起POST請求。

（3）智能電能表在統計完用電值進行核銷時，應當有能力發起GET和POST請求。

（4）可通過Ubuntu或嵌入式開發實現通過API訪問MongoDB，查詢最優供電節點。

（5）電氣設計可以實現穩定的換路，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當保留一定的可擴展性。

2.2 系統開發路徑

基于EOS框架開發出眾多智能合約，象電價實時調整、密鑰遺忘異常處理等合約，以此滿足能源互聯網的功能要求。同時開發電價實時調控、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發行版系統，最佳支持Ubuntu系統。

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

（3）在Ubuntu系統中運行EOS的eosd組件，并通過eosc確認。

（4）通過eosc配置EOS，連接到主鏈網。

（5）管理員為該用戶注冊account，并加入系統中。

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

（7）管理員執行合約內規定的初始化action，完成賬戶初始化。

（8）賬戶可以正常使用。

2.3 電力支付結算過程

將能源網絡與區塊鏈技術結合，建立一個基于區塊鏈系統的可交互微電網平臺，平臺上每一個綠色能源的生產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，而是通過特定設備為虛擬交易提供發電和用電的數據，該設備包括智能電能表的硬件層以及使用區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。區塊鏈支付使交易雙方可直接進行數據交互，不涉及中介機構，極大地降低了中心化支付方式的系統風險，突破了互聯網價值轉移的局限。在沒有任何中心化機構審核與背書的情況下，幫助交易參與者解決互信問題，系統中所有節點都能夠在去信任的環境下自動安全地交換數據。

3 智能微網結算系統的實施

基于區塊鏈的智能微網現場組網圖如圖1所示。

圖1中，光伏車棚為光伏發電組件，單個車棚發電功率為331 kW，經光伏匯流箱后，由光伏三相逆變器完成并網，接入點為園區配電柜。光伏表為交流智能電能表，上網補貼政策依據此表進行光伏發電補貼。園區內有多個配電分支箱，部署的現場模擬智能微網結算用戶中，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，充電樁可根據用電成本及充電時間選擇光伏用電、電網用電及儲能用電3種用電方式。智能微網與電網節點安裝有雙向智能電能表實現饋網結算，另外，智能微網間的區塊鏈結算通過電網收取過網服務費的形式進行定價。

3.1 結算系統賬戶類型

運營方：負責虛擬運營網內的用電方、光伏投資人、儲能投資人和電網間的結算運營。

電網：提供電力線路、收取國網費用和電網供電的用電費用。

光伏投資人：負責光伏發電設備的投資，收取運營方結算的光伏用電費用。

儲能投資人：負責儲能設備的投資，收取運營方結算的儲能用電費用。

用電方：充電樁、用電設備等最終電力用戶，付費給運營方。

基于區塊鏈技術的計算體系：運營方采用基于區塊鏈技術的計算體系，負責運營方、電網、光伏投資人、儲能投資人和用電方之間的虛擬結算。

3.2 系統計量點設置和運行結算狀態

3.2.1 系統計量點設置

計量點分為電網配電總雙向電能表、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，根據布線節點進行安裝，同時安裝有智能信息采集交互終端，將結算電量通過4G或其他方式遠程連接至區塊鏈節點。

3.2.2 系統運行結算狀態

狀態1：純電網供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給電網。

狀態2：電網供電+電網給儲能充電

運營方收取用戶和儲能設備投資人用電費用和服務費，付用電費給電網。

狀態3：電網供電+光伏供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給電網和光伏投資人。

狀態4：電網供電+光伏供電+儲能充電

運營方收取用戶和儲能設備投資人用電費用和服務費，付用電費給電網和光伏投資人。

狀態5：電網供電+光伏供電+儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給電網、光伏投資人和儲能投資人。

狀態6：光伏供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給光伏投資人。

狀態7：光伏供電+儲能充電

運營方收取用戶和儲能設備投資人用電費用和服務費，付用電費給光伏投資人。

狀態8：光伏供電+儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給光伏投資人和儲能投資人。

狀態9：儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給儲能投資人。

狀態10：光伏供電+電網饋電

運營方收取用戶用電費用和服務費以及電網饋電費用，付用電費給光伏投資人以及電網過網費給電網。

狀態11：光伏供電+儲能充電+電網饋電

運營方收取用戶和儲能設備投資人用電費用和服務費以及電網饋電費用，付用電費給光伏投資人以及電網過網費給電網。

狀態12：光伏供電+儲能供電+電網饋電

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

狀態13：儲能供電+電網饋電

運營方收取用戶用電費用和服務費以及電網饋電費用，付用電費給儲能投資人以及電網過網費給電網。

狀態14：電網失電（光伏孤島關閉）+儲能供電

運營方收取用戶用電費用和服務費，付用電費給儲能投資人。

3.3 區塊鏈節點及基于區塊鏈的交易框架

各區塊鏈節點，基于區塊鏈的智能微網結算交易框圖如圖2所示。

基于物理位置的任一智能微網現場，可以有一個或多個客戶節點。微網內結算電費基于同步凍結的現場雙向智能電能表凍結數據，通過智能采集交互終端連接至每個客戶節點。基于區塊鏈的智能微網結算系統建立在以太網基礎之上，每個客戶節點參與區塊鏈的計算和保存。隨著節點數的增加，至少50 %以上的節點數據被篡改才會改變區塊鏈內的數據，使結算數據的安全性得到保障。同時智能微網內存在多種類型賬戶，象電網、儲能投資人、光伏投資人以及最終用電用戶，由于基于區塊鏈的智能微網結算系統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一的電網賬戶，實現了各類賬戶間的自主安全結算。

如圖2所示，每條交易產生共分為3步：第一步為當交易產生時，對應的客戶節點進行全網廣播并注冊交易數據；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據同步至區塊鏈中，成功完成交易。此外，通過EOS的REST API以及智能合約，為結算系統開發了一套可視化管理后臺軟件，可在權限范圍內看到電能表發電量、趨勢圖、代理節點健康狀況等信息。在前端界面圖，除了網頁的用戶端和后臺的管理側外，還開發了微信小程序，方便使用的同時降低了推廣成本。

4 結語

傳統能源行業交易封閉、信息閉塞，“能源孤島”現象嚴重。隨著電動汽車、光伏發電等新能源行業的高速發展，傳統能源交易模式的弊端逐漸顯現。該文采用基于DPoS共識算法的EOS區塊鏈，在保證極好的分布性前提下，將互聯網思想充分應用到能源行業中，形成了一套完善的能源互聯網解決方案，運用數據分析、高精度直流電計量、嵌入式系統等技術，提高了運算性能，降低了算力損耗。多元融合的能源互聯網可充分、廣泛并有效地利用高度離散的新能源，并兼容傳統電網，滿足用戶多樣化的電力需求。此外，分析電力支付結算過程，根據智能電能表功能需求及系統開發路徑，將能源與區塊鏈相結合，構建并實施智能微網結算系統，建立基于區塊鏈系統的可交互微電網平臺，實現全數字化管理，提高了交易效率。

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