基于技術融合-演進模型的物聯網和區塊鏈技術在能源物聯網中的應用分析

金 煒，張戈力

（1.國家電網有限公司信息通信分公司，北京 100761；2.國網經濟技術研究院有限公司，北京 102209）

0 引 言

隨著“大云物智移鏈”技術的不斷推廣應用[1-4]，未來能源行業的底層技術將得到數字化方面的較大提升。大數據技術、云計算、物聯網、人工智能、移動聯網、區塊鏈技術在能源行業的各個方面的深化應用，能夠全面提升行業的智能化水平，企業不僅會在運營層面推進數字化轉型[5-8]，底層技術也會不斷得到提升。

《第三次工業革命》中提到過未來理想條件下的能源系統是零邊際成本能源系統，也可以理解為能源互聯網[9-10]。通過高度發達的信息系統，減少了信息不對稱帶來的交易成本，實現了零邊際成本的能源體系。能源的互聯不僅降低了成本，還提升了能源效率。而要消除信息的不對稱，還需要使數字化、信息化水平得到更大程度的提高。

能源互聯網[11-20]在框架分析階段可以分為物理層、信息層、價值層三個層面。物理層方面，底層是由傳統能源系統構成的多能互補的能源體系。中間的信息層不僅是數字計算機系統的互聯，在強化的互聯體系下還包括物理設備高度互聯而形成的物聯網，以此構成高度可觀、可控的設備系統。

現代能源系統（Modern Energy System, MES）通過信息物理系統（Cyber-Physics System, CPS）的構建，使得能源的生產信息交互層變得較為強大。通過高效的信息傳輸交互、數據的不斷積累，形成高價值的用戶數據資產，促進數字能源經濟的發展。

近年來，區塊鏈技術[21-26]逐漸得到普及，越來越受到各國信息界、工業界的重視。它脫胎于中本聰創造的比特幣系統，該系統中弱中心甚至是無中心的構架得到了保留，分布式賬本技術帶來了信任構建的可靠性和便捷性，區塊鏈的區塊節點可以方便地加入或者退出而不影響整體系統的可靠性。

區塊鏈技術能夠迅速地從金融系統擴展應用到各行各業，得益于區塊鏈技術的分布式架構，它對于交易賬簿具有較高的安全性，因為安全冗余較大。區塊中每發生一筆交易都會通過系統廣播至全部區塊，每一個節點都包含所有的交易信息。要篡改交易需要同時修改超過50%的節點信息，因此安全性較高。

“大云物智移鏈”技術不斷深入人心的同時，傳統能源技術與新興數字技術的融合成為技術發展的大趨勢。為了賦能能源革命和數字革命，推動第四次工業革命向前發展，在物聯網環境下應用區塊鏈技術解決能源互聯網中各個場景下的運作問題成為了一種趨勢。

本文首先介紹了物聯網技術、區塊鏈技術和能源互聯網技術的發展，提出了一種基于技術疊加的融合模型框架。最后分析了在物聯網條件下能源互聯網中區塊鏈的應用場景。

1 區塊鏈技術發展

1.1 區塊鏈技術源流

區塊鏈技術源于中本聰在一個密碼學組的郵件群中發表的技術論文。之后，比特幣作為初始的加密貨幣啟發了金融界的加密貨幣大發展。各類加密貨幣如雨后春筍般涌現，區塊鏈技術也隨著比特幣的迅猛發展，逐漸被全世界所接受。

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。區塊鏈技術是密碼學、分布式計算、分布式存儲、信息網絡技術的集大成，通過巧妙的“鏈式網絡”底層物理架構，構建了一個基于信任的網絡。因此，比特幣系統體系運行多年仍然保持了整體安全，可以證明區塊鏈技術的安全價值。

區塊鏈的去中心結構在安全上避免了集中處理存儲的單一性和拓撲上的薄弱性。集中式的缺點是一旦服務器受到攻擊，整個系統的安全都可能受到威脅，重要性關系可能被篡改。而區塊鏈技術數據鏈條冗余大，全局修改代價大，交易安全性較為穩定。

區塊鏈技術的弱中心結構，較為符合節點平權、社會網絡扁平化、節點準入門檻降低的網絡發展趨勢。通過吸引同等條件的不同節點計算設備的接入，區塊的發展不僅方便了計算設備上的所有人進行交易，而且隨著節點的增多整體安全性也得到了提升，可謂一舉兩得。

比特幣系統通過在系統發布計算問題得到維護和發展，系統的維系仰賴于系統中廣播的數學問題，而解決了該問題，一般是提供了算力的用戶可以得到系統的比特幣獎勵，該過程就稱為“挖礦”。

圖1所示的就是區塊的基本構成，區塊是區塊鏈的基本單元，而一個區塊是由雜湊函數驅動的分布式存儲結構，即區塊體。在初始的區塊鏈結構中，交易存儲在每一個分布式存儲器中，通過默克爾-哈希二叉樹進行簡化。哈希是一個存儲地址的簡報算法，可以將確定地址中的內容進行簡化，即簡報（briefing）。

圖1 區塊的基本原理

區塊頭中記錄的交易時間戳等信息，代表著區塊鏈中上下區塊的連接地址。

區塊鏈通過信息交互和分布式存儲的巧妙結合，形成了安全、快捷的交易機制。

1.2 區塊鏈技術在能源領域的發展趨勢

比特幣的挖礦模式存在諸多問題：一是資源的浪費，挖礦可能帶來較高的電能消耗，不利于節能降耗；二是全球區塊鏈的維護需要很高的算力代價，系統優化不足，帶來的消費比較低。針對這些問題，應該對比特幣為代表的的區塊鏈技術進行揚棄。

區塊鏈技術與其他新興技術的融合成為發展的一大趨勢。技術融合形成優勢互補，形成合力。改進后的區塊鏈技術可以通過博弈、拍賣、投標等方式完成交易。

區塊鏈可以分為公有鏈、聯盟鏈等形式。比特幣的形式即是公有鏈。聯盟鏈是具有一定入鏈條件的區塊鏈，適用于企業場景。我國應用區塊鏈的主要思路是剝離比特幣的數字貨幣屬性，而應用區塊鏈的分布式存儲、計算技術。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。未來，對于以企業為主的主流經濟形式來說，聯盟鏈將迎來較大的發展。其中的智能合約等功能將使得企業管理得到較大的數字化提升。

2 物聯網技術發展

2.1 物聯網技術源流

物聯網[27-33]的提出始于MIT教授奧斯丁首次提出的IoT概念，打開了萬物互聯的理論大門，即物質的連接形成的互聯網，是信息互聯網的理論深化。物聯網通過傳統的光纖連接以及新興的WiFi、5G連接，實現物-物數字相連，擴展了物質之間的信息交互、數字互動和控制交互。

物聯網技術為物質的運行分析打開了一扇全新的大門。物質-數字計算機方面，以電力設備為例，設備可以通過物聯網技術實現“數字孿生”，對于重點設備的運作實現數字化同步分析預測，通過先進的量測系統（Advanced Metering System, AMS），設備的物理特性數據被全部保留了下來，實現了基于物聯網的計算機。

物質-物質之間也可以通過物聯網的連接實現設備實時聯動，這解決了很多設備操作的問題，例如設備的倒閘操作可以通過“三遙”設備加上設備物聯，輔以相關的安全規則，實現自動化的倒閘操作。

信息物理社會系統包括的“三域”是物理域、信息域、社會域。其中，物理域包括的能量路由器概念是能源互聯網的信息物理社會和能源互聯網的融合點。信息域是電子計算機構成的數字網絡。社會域是包括能量交易等經濟活動、社會管理內容的場域。

2.2 物聯網技術在能源領域的發展趨勢

目前，電網企業正在探索物聯網建設方案。一方面是建立大數據中心，通過大數據中心的建設使得物聯網獲得的海量數據得到有效存儲，為大數據技術、區塊鏈技術、人工智能等數字技術的融合發展和綜合分析提供物質條件。二是開展物理設備場所的出租，電網擁有數量龐大的設備及變電站站內土地、空間資源，與多種運營商包括電信、衛星等形成聯動經營，即多站融合，獲得場地服務收入。三是布置一定數量的PMU裝置，即大范圍布置相位感知單元，使得調度業務的能控性、能觀性得到提升，從而提升調度業務的智能化、數字化水平。布置遠距離的量測設備，整合量測資源，形成合力，開展設備檢修等業務。

3 能源互聯網的發展

3.1 能源互聯網概念源流

能源互聯網的提出者之一是《第三次工業革命》的作者、美國未來學家杰里米里夫金。它是以第四次工業革命為大背景的能源革命，目的是實現以新能源為一次能源的能源網絡系統。該系統具有能源效率高、能源成本低等優點，可以實現電能、熱能、生物質能、天然氣等能源的高效轉化和高效互補網絡。

建設先進的能源互聯網企業已經成為了電網公司的發展目標之一，可見其概念的重要性。在雙碳背景下，能源互聯網的構建需要借助互聯網的概念，形成能量路由器、多能互補的物理結構，更需要實現數字化的信息層。通過信息層的構建，實現能源的高效調度、利用。

能源互聯網離不開無中心網絡的概念，通過構建便捷準入的微網和分布式能源環境，降低主網的雙向互動門檻，實現利用民間力量提高電網的清潔程度，可以加快電網的清潔轉型。

能源互聯網的物理層是對現有電氣先進技術的集成，應用先進的電力電子技術，構建先進的直流配電網絡和輸電網層面的交直流電網。并且通過信息技術和能量管理技術， 將分布式能量采集、儲存裝置和其余能源網絡連接起來。

3.2 能源互聯網技術發展趨勢

目前，能源互聯網仍然在概念和示范階段。未來能源互聯網將在“互聯網+”行動中提高信息化水平，通過先進的電氣設備的連接和高效能源路由器的研發，使得能源互聯成為可能。

4 基于技術融合的物聯網條件下能源互聯網中區塊鏈技術的應用

4.1 技術融合模型構建

將區塊鏈技術、物聯網技術、能源互聯網技術進行融合分析。能源互聯網技術是底層應用技術，主要作為能源經濟生產的主要載體；而區塊鏈技術主要是作用于交易操作，所以可以作為價值層的數字構架。物聯網可以作為二者之間的物理橋梁。技術融合模型如圖2所示。

圖2 技術融合模型

4.2 技術融合模型實現

三層物聯網條件下的能源互聯網如圖3所示。區塊鏈作為價值層即運營處理層的主要架構形式完成能源互聯網的交易。而物聯網絡層作為底層物理設備的信息互聯物理結構支撐價值層和物理層之間的交互連接。

圖3 物聯網條件下的能源互聯網三層結構

4.3 物聯網條件下區塊鏈技術在能源互聯網中的應用分析

首先，物聯網條件下，設備層級的連接將變得比較發達，設備數據將存儲得較為充分。區塊鏈技術的P2P特性可以得到充分發揮。

基于智能合約[34-39]技術，端到端交易成為可能。設備物聯使得小生產者之間可以直接交易。一家光伏發電單位可以直接與另外一家儲能單位交易，或者直接給電動汽車充電。由此，電網的電力高速作用將被激活，消除信息不對稱，使得區域的電力市場變得更透明，這也將有利于經濟的發展。

理想條件下的能源互聯網的產銷者模式可以有效推動能源的高效生產，物聯網技術使能源設備整合成為可能，有助于形成“虛擬電廠”等概念，提高能源系統的效率和效能。區塊鏈技術可以有效解決這一構想下的機制檢驗、交易保存等問題。

區塊鏈技術可以在物聯網條件下，激勵能源互聯網的發展。同時也能夠提高能源互聯網管理方的管理水平，包括供應鏈管理、審計財務、辦公管理等，提高管理的辦公效率，降低不同主體之間信任構建的成本。

此外，利用區塊鏈在金融界的良好應用經驗，也可以為能源互聯網用戶提供金融服務[40-46]，提高能源互聯網中參與者的社會服務水平。

5 結 語

區塊鏈加物聯網的技術路線將會在能源互聯網發展中起到更重要的作用。區塊鏈和物聯網技術被工程界的廣泛接受，使得區塊鏈和物聯網相關的軟硬件信息技術將被迅速應用到實際工程中來。