物聯網環境下基于區塊鏈技術的電力環保應用系統設計分析

朱振洪

（國網浙江余姚市供電有限公司， 浙江 余姚 315400）

0 引言

在產業升級與技術變革的大背景之下，電力企業需要將區塊鏈作為自主創新與核心技術研發的重要突破口，以推動我國電力事業的創新發展。本項目研究在物聯網與區塊鏈的技術支持下，實現了對設備用電情況實時、真實上傳，建立了新的區塊鏈運行監控與數據查詢架構，對于生產企業環境污染治理以及電力資源服務的拓展具有重要的現實意義。

1 區塊鏈技術與電力物聯網概述

1.1 區塊鏈技術與電力物聯網的契合點

從電力物聯網的功能架構方面進行分析，大致可分成如下四層架構：感知層、網絡層、平臺層與應用層。其中，感知層主要是信息收集，網絡層主要是進行數據傳輸，平臺層是對信息數據進行管理，應用層則主要是挖掘數據的價值。上述結構框架與區塊鏈技術的功能框架（即區塊鏈技術的數據層、網絡層、共識層、合約層以及應用層[1]），具有很高的相似度。

此外，在應用場景上，電力物聯網也與區塊鏈技術有著諸多契合點。電力物聯網屬于工業物聯網范疇，即對應的是私有鏈（對內業務）與聯盟鏈（對外業務）的應用環境。通過應用區塊鏈技術，能夠在很大程度上提升電力物聯網的資源匯集能力，促進電力物聯網信息化建設與發展。

1.2 區塊鏈技術在電力物聯網中應用的挑戰

1.2.1 可信數據上鏈帶來的挑戰

從區塊鏈技術的共識機制來看，雖然鏈上的數據有著很強的可信度，但是，要將數據從鏈下轉移到鏈上，卻要借助很多新的技術。如需要對多方數據進行審計，利用一系列可信的計算硬件、多方公信來對數據進行確認等。在電力數據轉移過程中，由于存在專網傳輸的特性，因此，需要很多計量設備共同完成對節點數據的監測，并被不同專業機構進行計量，這樣就造成節點數據彼此之間呈現弱耦合、弱關聯，難以對某一節點的數據造假或錯誤情況進行有效識別[2]。

1.2.2 面向用戶的產品設計和業務模式設計帶來的挑戰

區塊鏈技術的應用會對原有業務模式產生極大的沖擊，需要探索新的業務模式，并積極創新新的增量市場，這對于電力物聯網中區塊鏈技術的有效運用與落地是十分重要的，也是未來發展的主要方向。

2 基于區塊鏈技術的電力環保應用系統設計分析

2.1 項目研究背景與意義

在物聯網環境之下，電力企業擁有從建筑、設備、人員到客戶、品牌、技術等豐富的資源，充分利用這些資源，可以為電力企業帶來巨大的社會影響和經濟回報，并為用戶提供更為優質的用電服務。但現階段，大多數的電力資產處于閑置狀態，多數資源甚至還處于原始狀態，沒被挖掘出真正的利用價值，這對電力企業來說，是莫大的損失，也是一種浪費。

本項目基于現有的電力資源，通過共享服務運營模式上的創新，將電力服務與政府需求、企業需求、公共需求相結合，以提高供電公司資產利用率，盤活存量資產利用價值，不斷挖掘公司資源經營管理效益，提升用電客戶服務質量，牢固樹立國網公司創新進取的企業形象，同時也為電力企業帶來可觀的經濟利益。

2.2 主要研究內容

為響應政府數字化改革號召，確保國網戰略落地實施，發揮電力公司資源優勢，本項目利用電能監測、物聯網和區塊鏈等技術手段，結合用戶側配電房運維等相關業務，將電力資源服務與政府部門的社會治理工作相結合，為政府部門、生產企業和其他用戶提供拓展服務。

2.3 系統設計原則及架構

2.3.1 總體設計原則

為滿足資源共享服務需求的電力基礎設施改造，整個項目建設過程要確保系統的統一性、先進性、可靠性和安全性。

1）統一性原則。系統設計遵循“四統一原則”，即統一領導、統一規劃、統一標準和統一建設的原則。在按照國網公司區塊鏈整體規劃的指導下進行，符合公司整體要求[3]。

2）先進性原則。確保平臺架構設計先進性、技術路線先進性、測試技術先進性以及組件選擇先進性。

3）安全、可靠性原則。系統建設應充分考慮系統的安全防護、容錯能力和抗干擾能力，保證系統長期穩定、安全、可靠、高效地運行。

2.3.2 結構與框架設計

項目通過在污染企業的生產設備和治污設備上安裝電能監測裝置，利用物聯網和區塊鏈技術，將兩類設備的用電情況實時、真實地上傳，并進行對比分析。當兩者負荷情況與環保排放要求不匹配時，將異常狀況通知給環保監管部門、企業，實現對企業生產情況的全天候、全過程監控，如圖1 所示。

圖1 網絡架構示意圖

2.3.2.1 業務架構

項目通過預言機（區塊鏈網關）實現能源計量數據安全可信采集，基于云服務平臺的區塊鏈基礎設施，將數據發布到基于區塊鏈的環保應用系統中，同時，將應用服務分別傳遞至測試驗證平臺及綜合展示層上，開展計量管理、計量統計分析和計量預警分析等業務的應用及測試，業務架構示意如圖2 所示。

圖2 業務架構示意圖

2.3.2.2 應用架構

預言機即部署于企業現場的區塊鏈網關，適配排污計量設備的數據接口，將數據上傳至云服務平臺。在云服務平臺基礎上，實現能源領域應用服務系統的部署，系統采用B/S 架構，滿足使用需求。應用服務系統將業務服務接口推送給綜合展現層，將應用結果以可視化形式進行展現，完成能源領域應用服務系統的應用，支撐環保可信監控等典型應用場景。

2.3.2.3 技術架構

基于區塊鏈技術的電力環保應用系統的部署與實施，從邏輯上可劃分為如下四大層次：展現層、應用服務層、區塊鏈技術服務層和數據層，如圖3 所示。

圖3 技術架構示意圖

數據層實現數據的持久化，通過預言機采用JDBC 方式實現企業用電數據的采集，并將數據上傳給區塊鏈服務層。區塊鏈服務層實現業務邏輯、算法等后臺功能，生成符合不同業務的合約。實現支撐組件間的通訊，保證節點間共識的正常進行、支撐全過程的系統監控、支撐物理設備的可信接入，與技術支撐層之間采用Java 進程間調用，與數據資源層之間采用JDBC 方式，節點間通過RPC 連接通信。應用服務層提供區塊鏈技術服務API 接口，完成展現與區塊鏈平臺后臺的數據對接，依賴區塊鏈技術服務層。展現層接受用戶輸入、顯示客戶界面，并向協作層發送指令，實現業務流程控制，可對外提供公用接口、對外提供統一數據。

2.3.2.4 數據架構

基于區塊鏈技術的電力環保應用系統的可信監控應用組件概念數據模型，可以概括為企業排污設備、治污設備的用電數據、監控數據、業務數據和用戶信息等概念域模型。

區塊鏈系統提供能源計量數據的上鏈存儲服務，將產生的計量數據通過云服務平臺的區塊鏈執行數據進行分布式存儲。用戶數據為普通用戶使用區塊鏈系統功能提供服務，用戶在系統注冊后，會以賬戶的形式參與環保監控管控等業務，并可以針對使用過程中出現的問題進行意見提報。業務信息數據平臺綜合展示層調用應用服務系統提供的接口服務，通過計量統計分析、計量預警分析和計量管理等業務信息，實例化智能合約，保證業務自動化觸發執行。

2.4 系統應用預期帶來的價值與收益

2.4.1 社會收益

基于區塊鏈技術的電力環保應用系統項目的運用，對于美好城市的建設、和諧社會的構建、自然環境的保護以及人體的健康都能產生十分積極的影響，有利于促進城市經濟建設、基礎設施建設和環境建設的同步發展。實現經濟效益、社會效益和環境效益的協調與統一。

1）應用此項目能夠對企業污染行為進行日常監控，并對突發事件快速預警，對于保障地區生態環境，促進人居環境的改善等都有著極大的推動作用。

2）依托物聯網技術與區塊鏈技術，有效完成了“人控”到“技控”的轉變，從傳統的計劃監察轉變為狀態監察，提升了基層環保監管效率，實現了對轄區企業監管的全覆蓋，解決了當前低碳環保要求下污染源企業監管難的問題。

3）實現了對企業“過程+結果”的全程監管，有助于減少“偷排漏排”現象的發生，加大了源頭防控的力度，對于環境質量的改善以及基層環保部門監管效果的提升都有著很大幫助。

4）工作人員借助區塊鏈系統與業務信息數據平臺，能夠通過對電力數據的統計與分析，完成對企業治污數據、排污數據的關聯分析，從而構建更為精準化的評價管理體系。通過自動化觸發業務并執行，對可疑違規排污企業進行精準識別，精準溯源，并及時發現存在的具體違規行為，提高監管效率。在基層人員執法過程中，能夠利用系統數據做到用事實說話，對違規排放行為起到震懾作用。

2.4.2 經濟收益

1）用較低的成本實現了對企業“過程+結果”的全程監管。

2）系統的計量預警分析服務，能有效降低企業生產事故風險發生的概率，完成對無意超標違法行為的實時預警，提升企業的環保管理水平，實現可持續發展。

3）系統的計量統計分析服務，能夠對企業用能進行優化，從而幫助企業減少因過度治理所導致的能源及成本的浪費。

4）依托區塊鏈技術、互聯網監控技術以及物聯網技術，能夠對企業排污設備、治污設備的用電數據實現精準監控，從而減少基層人員對企業進行現場檢查的頻次，提高了環保部門的工作效率。較少的人手便能完成對轄區內所有企業的監控，有效避免因現場檢查對企業正常生產經營活動所造成的干擾，真正實現了政企雙贏。

3 結語

將物聯網技術與區塊鏈技術應用到電力環保應用系統的設計中，能極大地提升原有電力系統的基礎設施利用效率，完成區域性的電力能耗數據監測與監管。同時，在流程化電力業務中引入區塊鏈技術，還能有效減少重復性的工作，提升工作效率。通過對電力數據進行深入研究，挖掘出電力供需間的各種行為模式，基于用戶需求，對發電以及用電環節進行優化，滿足政府部門、企業用戶以及電力公司多方的需求。