基于區塊鏈的能源互聯網電力線通信技術研究

尹建軍

（云南省電子信息產品檢驗院，云南 昆明 650031）

0 引 言

化石能源減少所造成的生態污染越來越受到社會各界的關注。在此背景下，綠色和可再生能源的技術將在一定程度上解決這一困境。以往的能源交易一般需要集中優化資源配置方法，存在成本高、易受攻擊、用戶隱私以及安全性差等缺點。能源互聯網將實現能源雙向輸出和動態平衡，優化清潔能源的接入率，是能源行業未來發展的方向。能源互聯網是由電力結構網、交通網絡、天然氣網絡等網絡結構有效組合而成的共享網絡系統。傳統網絡系統出現了越來越多的弊端，如并網困難、能耗高、設備利用率差等。因此，探索創新基礎電網、充分利用清潔能源的途徑已成為相關行業的重點研究方向[1]。國家電網有限公司提出建立全球能源網絡，以實現清潔能源在全球范圍內的最佳分布。能源互聯網以電力為核心，以結構化的控制網絡為核心，整合各種分布式可再生能源，通過高端通信方式、電力電子等先進技術，整合能源流之間的雙向信息流。

1 能源互聯網發展概述

能源互聯網是1個泛能源系統，能源交易多元化，產品多元化，決策去中心化，信息透明，即時交易，如開放互聯，以用戶為中心，去中心化的P2P共享。能源互聯網將分布式能源整合到當前的集中式電網中，無法解決不同分布式點的信任問題，也無法保證各方在計量、互動、決策、控制等方面的利益不受損害，能源互聯網的實施還存在一些困難[2]。能源互聯網包括發電、電能消耗、能源儲存、傳輸以及電能轉換等多種設備。各種設備構成1個巨大的結構，各種設備之間自動、可靠、準確、平衡的實時事務是需要解決的關鍵問題。為保障能源互聯網的穩定高效運行，能源互聯網通信網絡將數據傳輸的優先級、數據傳輸的穩定、通信網絡的低時延設置為滿足多點傳輸的需求。只有這樣，才能實現能源互聯網通信網絡的穩定高效運行。能源互聯網的這些特點導致能源互聯網通信網絡復雜，完成大量數據的處理。能源互聯網的能源局域網由于各種能源設備的動態拓撲波動較大，使得能源互聯網的動態具有多尺度性[3]。

為有效克服電力線信道多路傳輸造成的頻率選擇性衰落，需要利用電力線通信系統。在傳統的集中交易模式下，能源交易會產生不必要的交易成本，其原因是它需要各種第三方管理系統來創建和維護1個交易信用體系。區塊鏈的技術特性自然適合能源研究。有了能源區塊鏈，從基層建設到商業系統，人們可以找到能源與電力全面協調的機會。電力線通信利用電壓、電流波形中微弱的低頻變異性信號實現電網上的信息傳輸，具有通過配電變壓器遠程傳輸的特點。區塊鏈技術去中心化、透明、開放的特性，提升了其在能源互聯網中的關鍵意義，從而推動了能源互聯網技術的進步。要推動能源網絡中能源結構的進步，就必須調整傳統的能源交易體制，完成分布式市場結構的轉型，以取代集中式的管理體制[4]。本文目的是研究當前能源結構互聯網的能源通信，探討基于區塊鏈的能源互聯網建設中需要解決的主要困境，并為未來異構網絡的集成帶來相應的理論支持。

2 電力線通信技術的基本概念及其在能源互聯網中的應用

2.1 電力線載波通信的基本理論

（1）分布式供電接入中采用的電力線通信技術。能量網絡包括了許多分布的電力系統和有源負載的系統，而安全的信息傳輸渠道是關鍵；采用輸電線路作為通信介質，對大規模的分布式供電進行監測與調度，可以使電網的能源得到最大程度的發揮。功率電纜的載波通信以高頻信號傳送，通信速率雖高，但僅限于相同的電壓水平。結合不同類型電力系統的不同接入狀況，綜合運用這2種技術建立監測數據的信道非常經濟。一方面，配電系統的并網投切會改變系統的阻抗性能，進而對輸電線路的載波通信和工頻通信的性能產生一定的不利作用；而由于分布式電源并網裝置的大量使用，使電網的噪音變得更為復雜，對載波通信和工業頻率通信的信號進行了探測[5-8]。

（2）用于可持續能量的電力線通信技術。與常規電力網比較，能夠充分地從自然中獲取可再生資源，降低對非更新資源的依賴性。在網絡中，如何對可再生資源進行有效的管理，并可靠、高效地在網絡環境下運行成為主要研究內容。因此，通過電力線路通信技術，可以對電能、電壓和功率進行自動的控制，從而達到對可再生資源的控制。

（3）配電網中采用的輸電線路通信技術。在電力網絡的運營中，配電網具有可靠性、靈活性和高效性等特性。針對能源因特網的通信要求，采用電力線通信技術能夠及時檢測出電網中的所有問題，并通過電力線通信協助能源因特網對配電網進行兼容、集成、優化，最后達到整體電網的高效解決。

2.2 電力線通信的基本原理

下行數據信息編碼開始后，即同步檢測完成后，需要進行電壓過零變化的數據解調。如果電力線工頻通信系統采用主從模式，則不需要使用同步信號。基于區塊鏈的能源互聯網可以根據實際需要動態增加或減少參與節點的數量。這種架構順應了新能源在能源互聯網中去中心化和靈活的特性，讓新能源節點在不改變網絡架構的情況下穩定高效運行[9]。未來的能源互聯網將覆蓋許多生產者和消費者的用戶。為了實現巨大的資源動態平衡，穩定、高效、安全的能源系統是能源互聯網的主要要求。這種交易體系下的能源交易一般由交易中心負責統籌規劃能源結構的總體平衡。此外，需要各種第3方組織來確保交易的安全性和可靠性。交易規模和單位不受限制，不定期或分批進行。對于可以是機構或個人的場外交易，市場參與者將不受限制。不同的參與者具有包容性的貿易聯系[10]。

主要設備根據信號傳輸協議預估上行信號的起始時間，并在接收端電壓過0點旁配置1個檢測窗口。確定電壓過0位置電流信號積差的正負進行檢測。在電網的數據傳輸中，功率協調信號的電力線衰減較小，傳輸延遲將被忽略。區塊鏈多輥節點構建的能源互聯網信用網絡將形成相互監控、綠色發展的能源環境，建立基于區塊鏈技術的民主機制。與自上而下的連鎖機構和工作實踐協調子監控模式，幫助構建能源互聯網行業的誠信環境。能源互聯網擁有各種高度智能化的分布式發電、儲能、用電設備。區塊鏈技術在智能互聯網能源之間建立了低成本的通信橋梁，并呈指數級增長。分布式共識架構增強了架構的交易安全性和隱私性。

3 基于區塊鏈的能源互聯網電力線通信體系結構

3.1 區塊鏈技術特點

區塊鏈技術首先是以比特幣開發的去中心化集體數據庫維護技術。區塊鏈可以使體系結構中的每個參與者在不需要各方信任的情況下完成協作，創建1組數據安全性強的防篡改數據庫。區塊鏈技術將完成從信息互聯網到價值互聯網的轉變，將應用于金融、證券、交易架構、物聯網等多個行業。節點可達性可視化分析是電力通信可視化的1個關鍵環節。區塊鏈采用固定的共識算法，確保整個架構中的每個節點都能穩定有效地完成數據交換，無需信任和批準。計算機能夠達到互連目的的根本原因是主機與終端之間的數據傳輸。在一些公共場所，網絡環境較差，在大數據延遲的環境下，互聯網是1種開放的通信結構，是網絡媒體的固有屬性。現有媒體傳播的壟斷時期將不復存在[11]。

3.2 區域微電網信用生態系統

能源互聯網技術的進步是以網絡信息環境和智能電網為基礎，借鑒互聯網模式。在對電網進行評價時，不能使用單一指標作為評價條件。為了充分有效地展現電網的工作狀態，需要考慮整個電網，綜合考慮各個可靠性指標。區域微電網按區域和節點數進行劃分[12]。1個微電網是1個鏈，不同地區的微電網是側鏈。電力通信體系結構復雜性強，根據使用場景可分為傳輸網、業務網和支撐網。一般來說，作為標簽使用的數據信息需要清楚地分析目標情況，而實際的標簽需要充分了解用戶在目標業務中的作用。

區塊鏈技術可用于創建電力交易系統，而無需改變原有的電力交易業務模式，整個平臺分為3個層次。由于節點之間的數據交易基于固定的算法，雙方不需要公開自己的身份，而是可以借助區塊鏈上的程序性規則讓對方信任自己。各種網絡數據必須與數據庫一起存儲在服務器上，因此必須將這些數據從自己的網絡管理服務器傳輸到具有數據倉庫的本地服務器[13]。一般來說，能量點只在1個微電網中循環。對于地區之間的業務，能量點流出的一面充當主鏈，事務鎖定能量點和流入方充當側鏈來創建1個事務證明加密，以確保在整個網絡能量的循環點[14]。電力是能源互聯網的核心，創造穩定有效的信息傳輸架構需要以傳統的電力通信結構為基礎。區塊鏈允許設備滿足自我管理和維護的需求，將整個體系結構轉變為分散的、自適應的體系結構[15]。在這種體系結構中，可以滿足點對點傳輸的需要，完成分布式數據共享的任務。

4 結 論

能源互聯網的穩定工作需要安全有效的通信網絡支持。能源互聯網是多能源融合、網物融合以及多市場融合的產物，對未來能源生產、傳輸、儲存和消費具有重要意義。區塊鏈具有信息去中心化、開放性、自治性和不變性的特點，是未來數字化浪潮的核心，也是構建有價值互聯網的前提。區塊鏈技術的出現為能源互聯網的發展和利用創造了巨大的機遇。基于區塊鏈的能源微電網系統和生態系統的建立，將加強能源互聯網之間的信任，徹底改變能源電力領域的傳統商業和管理模式。電力線信道模型應該簡單并且能夠描述所有情況。區塊鏈技術融入能源互聯網后，將能夠滿足安全可靠的能源交易需求，從而完成成本優化，推動能源互聯網的實施。