基于區塊鏈技術的電力物聯網工程的后評價場景研究

張戈力

（國網經濟技術研究院有限公司，北京 102206）

0 引 言

眾所周知，物聯網技術的興起是第四次工業革命的標志之一。伴隨5G技術等新技術出現，物聯網技術被視作是一種硬件、軟件結合的信息管理的解決方案[1-3]。隨著信息技術的快速發展，互聯網思維[4-5]也經迅速被人們所接受，同時帶動了能源互聯網的發展。

互聯網思維地引入，促進了電力產業升級換代，催生了新興的制造產業，使能源互聯網產業隨之迅速發展。應用互聯網思維、使用物聯網等新興技術形式與傳統電力生產相結合，構建信息暢通的物聯網絡，有利于推動“兩網”融合發展，提升電網的質量。特別是物聯網技術與低壓配電領域的緊密結合，如微電網、主動配電網等技術的發展成為了能源發展的新興領域之一。

為了落實《網絡強國建設行動計劃》，推動能源革命和數字革命融合發展，實現電力100%可再生化，國家電網公司正在積極推進泛在電力物聯網[6-9]建設，并促進世界一流能源企業戰略實施。

近期，區塊鏈這一數據模型成為了熱點方向。我國《“十三五”國家信息化規劃》將區塊鏈技術列為戰略性發展方向。2019年習近平總書記在中央政治局第十八次集體學習時強調，把區塊鏈作為核心技術自主創新重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。因此，區塊鏈技術的重要性不言而喻。

為了有效評價物聯網投資，研究未來電網物聯網工程后評價的可能場景十分有必要。

1 區塊鏈與物聯網技術

1.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術[10-12]是基于“鏈式網絡”的計算網絡，其對每個節點的獨立性要求較高，需要具有豐富的存儲能力，以及優秀的處理計算能力，來處理不同的數據。區塊鏈的網絡拓撲結構表明，本質上區塊鏈技術是一種弱中心化、甚至是去中心化的網絡[13]。從網絡結構而言，區塊鏈較傳統的中心化網絡，其信息鏈條不單一，數據獲取靈活，在保證穩定性的前提下，克服了中心化網絡關系單一、安全風險集中的問題，具有較高的安全性。

信息物理系統[14]是泛在電力物聯網與堅強智能電網的橋梁，如圖1所示，其通過信息網絡、物聯網絡和各種計算架構，聯結堅強、智能化的電力輸配電網絡與泛在感知的物聯網絡。信息物理系統包括“三域”，即物理域、信息域、社會域。物理域包括能量路由器、電子傳感設備等能源互聯設備，是將傳統的單一方向的電能配送轉換成按需轉換、分配的雙向流動的電力中繼裝置。信息域是信息交互的平臺，實現市場交易、信息傳輸、系統監控等二次功能。社會域是人與人交互，人與信息物理社會交互的場所。

圖1 信息物理系統的橋梁作用

區塊鏈在泛在電力物聯網中應用需要合理融入信息物理系統，以優化系統中各設備的使用為目標，搭建應用場景。在信息物理系統中，網絡安全非常重要，是系統正常運轉的基本條件。

區塊鏈是一種基于密碼學的技術，所以區塊鏈技術在信息安全領域具有較強的優勢。區塊鏈網絡的形式從拓撲上來說安全性較強，并且抗電子攻擊能力較強。信息物理系統即是區塊鏈技術的物聯網載體。

目前，區塊鏈在能源行業主要應用于能源金融交易。其利用P2P功能，實現不同交易主體在同一交易權限下，同時審批、確認交易，簽訂智能合約，使交易準確、快捷地完成。這一類交易功能在微網、綜合能源服務中具有較大的推廣前景。

1.2 物聯網技術

物聯網技術最早由麻省理工的奧斯汀教授提出。物聯網通過有線連接（網絡光纖連接）和無線連接（WiFi、5G連接）實現物物相連，起到擴展物體與物體間交互功能的作用，包括控制、人機交互、機與機交互的能力。

物聯網可以產生較大的數據量，結合新的互聯網思維和新形式的商業模式，這些數據包括的較多的信息可以利用大數據的方式被挖掘出來。

對于電力系統來說，物聯網是原有電網與現代先進通信技術的融合升級，是物物相連的信息互聯網。

2 電力物聯網

2.1 配電網成為電網發展重點領域之一

工程實踐中，一般粗略地將電網劃分為主網、配網兩部分：110 kV及以下為配網部分；110 kV以上為主網部分。一般來說，主網主要由輸電網等部分組成。我國的輸電網絡通過積年累月的發展，形成了500 kV主干網及特高壓骨干網架，750 kV，330 kV，220 kV網架發展合理的現狀。輸電系統運行維護的技術水平較高，發展已經相對完善。

配網方面，國家能源局印發的《配電網建設改造行動計劃（2015—2020年）》中，計劃在5年內投資2萬億元，用于配網建設。電網投資從以輸電網為重點轉向能源互聯網、智能電網領域。國家鼓勵社會資本、電網企業加大配網投資。

此外，國家開展增量配電改革，一方面是增加市場競爭，提高投資效率；另一方面，也可以增加配網領域的投資能力，促進配網的發展。在能源電力行業實施泛在電力物聯網的戰略大背景下，我國配網領域實現技術升級迎來良機。

電力生產中，涉及配電網包括配電和用電環節，這兩個環節是泛在電力物聯網建設和應用的主要場景。一方面，由于建設電力市場、垂直一體化解綁等改革預期，配電零售交易存在進一步深化市場化建設的需要，進一步激活市場在資源配置中的主要作用，有利于在基于交易效率提升的基礎上實現能源利用效率的提升。用電環節亦是如此，用戶友好的用電交互界面設計，如移動端應用，可以為用戶提供泛在物聯的能源交易操作云平臺，孕育電力消費的新型商業模式。

2.2 現階段電力物聯網的建設

建設電力物聯網的戰略之下，應用互聯網思維發展電網，進一步構建“三型”電網。電網企業大力推動了電力物聯網的建設，并做了以下探索：

（1）通過物理場所及設備出租，形成多站融合商業運營。電網擁有數量龐大的設備及變電站站內土地、空間資源，通過將北斗、5G等基站與電網的計算架構多站合一、多站融合，獲得合理的商業出租收入，發掘電網企業新的利潤增長點，同時也將為通信企業節約建設投資，在降電價等宏觀因素對電網利潤的影響下，新的利潤增長點有利于企業的長期發展。

（2）基于感知的對內業務開展，如通過大范圍設置的感知傳感裝置，采集調度需要的信息，實時開展調度分析，提升電網調度水平；通過傳感器開展工程建設管理；更精確的用電負荷預測、用戶畫像；設備狀態檢測、狀態檢修等。

（3）基于數據分析中心的計算能力，構建邊緣計算節點，形成邊緣計算網絡，極大地增強了電網企業地數據分析、大數據挖掘的能力，將可能產生新的商業模式和運維方法。

2.3 區塊鏈技術特點

區塊鏈可以分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈三種形式，在智能用電領域一般使用聯盟鏈。區塊鏈的去中心化特點適于描述多主體參與的決策、交易的問題。多個主體在平等參與的基礎上，開展交易、審批等業務，通過網絡互連的方式傳輸信息，并且在每個節點都存儲交易信息，即在每個節點分布式存儲，降低統一數據庫受到攻擊導致商業風險的危害。由其網絡結構可以看出，其鏈路結構較為復雜，可以適用于電網中如電力交易等開展行為復雜的商業業務場景。區塊鏈的去中心網絡如圖2所示。

圖2 區塊鏈的去中心網絡

區塊鏈技術的信任機制是由“公共賬本”機制構成的，依托于分布式存儲，存儲網絡中全部交易信息或大部分交易信息，使得交易信息不易篡改，保證了交易的安全性。并且其實現了交易可追溯的功能，即某一交易從發起至完成的所有流程均可以通過鏈的路徑被一一追溯。這一特性使得交易過程的公開透明度大為提高，其數據結構如如圖3所示[15]。

圖3 區塊鏈結構

在傳統的電網業務場景中，取得交易共識需要較高的溝通、談判成本，構建交易信任的成本較高，如電力交易、招標采購、供應鏈管理等場景。在能源互聯網環境中，電力交易[16]存在多主體參與，包括電網公司、用戶、分布式能源生產商、增量配電運維商等等。區塊鏈技術的應用，可以降低電力交易場景中的交易參與門檻。一方面，運用區塊鏈技術中的共識算法，可以解決電力交易中信任構建問題。共識算法包括：工作量證明機制、權益證明機制、 股權授權機制和分布式一致性算法。在這些需要交易信任構建的場景中，區塊鏈技術具有較為廣闊的應用前景，可以有效降低信任構建的成本，并且實現復雜的交易關系網絡構建。

招標采購中，業務環節較長，需要經過專家評標、上級部門審批、中標公示等環節，應用區塊鏈技術可以加強此類場景中的公開透明程度，保證各環節審批信息不被篡改，保證采購物料質量，且過程合理、合規。

3 未來區塊鏈在電力物聯網中應用領域及其后評價場景研究

泛在概念強調無處不在，體現了物聯網絡不受地域限制的優勢，但大量分散分布的傳感設備，帶來了信息安全的挑戰。國家電網提出的泛在電力物聯網“云、管、邊、端”體系中，物聯網是一個弱中心化的網絡。網絡中的智能接收設備在物理上沒有一個統一的中心化服務器安全模型。如構建中心化的安全模型，會比較容易受到信息攻擊。基于弱中心化的網絡架構，利用哈希矩陣加密，區塊鏈技術便可以有效解決這一安全問題。

改進后的區塊鏈技術，可以實現博弈、拍賣、投標等方式完成交易。基于智能合約[17]機制能夠應用于配電交易的許多場景，如分布式能源交易、綜合能源服務等。

在信息物理環境下，區塊鏈技術可以應用于以下三類場景，同時也是后評價重點分析方向。

（1）場景1：基于智能合約實現設備到設備的配電端電力交易

物理基礎設施方面，能源互聯網的發展將隨著信息技術的極大提升而不斷完善，適應國家發展綜合能源服務的大趨勢，從配電網的角度切入能源變革發展。未來電力生產場景中，用戶既是消費者也是生產者，即“產消者”。能源互聯網借鑒互聯網思維，推動電力生產、消費向分布式對等發展，分布式能源與互聯網式的交易結合將是新興發展方向。“能量路由器”“虛擬電廠”“新能源云”的提出，為搭建初步的能源互聯網架構提供了方法，但還缺乏有效、安全的交易機制和模型，區塊鏈技術可以有效解決這一問題。

基于區塊鏈的交易機制，既保證了交易安全開展，同時，區塊鏈自有的激勵機制也可以用于促進清潔能源的機制設計。基于此，能源互聯網的有效構建，將極大地促進分布式能源地利用與開發，促進配電網建設地不斷完善升級，并且靈活消納各類清潔能源，實現帶動用電方式的升級。

（2）場景2：基于智慧供應鏈建設的電力物資管理

企業內部管理方面，供應鏈管理場景是物聯網與區塊鏈技術整合的典型情境[18]，電網作為能源互聯網的主體，其維護與運營需要調用大量的物資資源，應用區塊鏈技術可以有效提高電力物聯網的管理效率。

在傳統物資供應鏈中，存在一定程度的信息不對稱，在一定程度上會降低物資采購效率，而供應鏈管理的透明程度越高，物資供應質量越有保障。區塊鏈技術可以實現新型的物資采購模式，基于智能合約，實現高效的物資采購及物資管理。

（3）場景3：基于移動終端的用電APP建設

目前的移動互聯網條件下，在用戶體驗方面，用戶可以使用國網APP實現網上購電。但在信息提供方面，電力物聯網的建設后，可以為用戶提供更豐富的用電、用能數據，為用戶用電決策提供依據。

依托于移動網絡終端應用及物聯網傳感設備網絡提供的海量數據，電網企業地營銷部門可以針對性地設置用電模式及典型場景，用戶參與能源消費的行為將大大豐富，從而實現智慧用電。在終端應用的開發中，區塊鏈技術、邊緣計算等技術的應用可以有效提高線上交易的效率和可靠性。此外，區塊鏈技術還可以用來提供電力消費金融等等，為電力消費帶來便捷。

4 結 語

物聯網相關的軟、硬件信息技術將迅速應用到實際工程中來。區塊鏈技術可以在泛在電力物聯網的物理設施建設的基礎上，有效擴展管理行為和交易行為的便捷性和安全性。結合國家區塊鏈戰略和企業的泛在物聯網戰略，區塊鏈加物聯網的技術路線將會在泛在電力物聯網建設中發揮更多的作用。評價該類技術的應用時，場景也將越來越豐富。