基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站管理系統(tǒng)

張淇昶，任 杰

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710061；2.高通無(wú)線通信技術(shù)（中國(guó)）有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，已有光伏電站借助于這些技術(shù)使得管理方式更加智能化、自動(dòng)化和信息化。智能光伏電站能源管理系統(tǒng)的構(gòu)建能夠有效地提高光伏電站的管理效率和效益，保障電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是隨著光伏電站建設(shè)范圍和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，智能光伏電站能源管理系統(tǒng)涉及越來(lái)越多的設(shè)備、數(shù)據(jù)和交易，進(jìn)而導(dǎo)致其在設(shè)備可靠性、數(shù)據(jù)安全性和準(zhǔn)確性、交易公正性和透明性等方面容易出現(xiàn)信任問(wèn)題[1-3]。因此需要建立一種可靠的信任機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，以及交易的公正性和透明性，避免因數(shù)據(jù)泄露和損壞等原因引起系統(tǒng)癱瘓、業(yè)務(wù)中斷等嚴(yán)重問(wèn)題。鑒于此，本文嘗試建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站管理系統(tǒng)，以解決以往光伏管理智能系統(tǒng)中潛在的信任問(wèn)題。文中主要利用區(qū)塊鏈技術(shù)的非對(duì)稱加密技術(shù)、智能合約、分布式賬本技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏電站管理系統(tǒng)的去中心化和數(shù)據(jù)不可篡改，使系統(tǒng)擁有了有效的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制，從而盡可能地保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，保障系統(tǒng)各項(xiàng)交易的真實(shí)性、可追溯性和安全性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理和應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由一系列按時(shí)間順序排列的區(qū)塊組成，這些區(qū)塊使用密碼學(xué)方式進(jìn)行安全鏈接和驗(yàn)證，使得數(shù)據(jù)難以被篡改，并且具有去中心化的特性[4-6]。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存了整個(gè)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)副本，如果某一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)被篡改，其他節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)現(xiàn)這一更改并將其視為無(wú)效。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一種高度安全、去中心化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸方式，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，保證交易的真實(shí)性、可追溯性，可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如金融、醫(yī)療、版權(quán)保護(hù)等對(duì)數(shù)據(jù)安全性或交易透明性要求非常嚴(yán)格的領(lǐng)域[7-9]。區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)塊結(jié)構(gòu)

去中心化是區(qū)塊鏈的核心特性。構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)，可以將交易信息存儲(chǔ)在所有參與的節(jié)點(diǎn)上，并且任一節(jié)點(diǎn)都不會(huì)擁有特殊的權(quán)利和地位，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的交易信息都不能被篡改而是會(huì)永久保留。在智能光伏電站能源管理系統(tǒng)中，為參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的逆變器、光伏環(huán)境和電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等配置唯一的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，同時(shí)配置IP地址、端口號(hào)、節(jié)點(diǎn)名稱等節(jié)點(diǎn)參數(shù)。如果某些節(jié)點(diǎn)或參與者存在欺詐或不當(dāng)行為，其他節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)現(xiàn)這一更改并將其視為無(wú)效，從而保證系統(tǒng)的整體運(yùn)行。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化機(jī)制能夠有效地消除傳統(tǒng)光伏電站管理系統(tǒng)中的中心化信任風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而確保系統(tǒng)各項(xiàng)交易的公正和透明。

區(qū)塊鏈通過(guò)分布式存儲(chǔ)、時(shí)間戳和哈希算法保證了數(shù)據(jù)的不可篡改特性，一旦寫入數(shù)據(jù)，就不能修改和刪除，而是會(huì)一直保留。智能光伏電站能源管理系統(tǒng)涉及大量環(huán)境、設(shè)備和發(fā)電數(shù)據(jù)的采集、分析和存儲(chǔ)，一旦篡改數(shù)據(jù)，將會(huì)影響整個(gè)電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此可以在電站系統(tǒng)的每個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)光伏電站數(shù)據(jù)的完整副本，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的去中心化存儲(chǔ)，這樣一來(lái)就不存在單點(diǎn)故障，也沒(méi)有單點(diǎn)可攻擊以篡改數(shù)據(jù)；令每個(gè)區(qū)塊都包含時(shí)間戳，任何篡改歷史記錄的行為都將被檢測(cè)出來(lái)；同時(shí)，每個(gè)區(qū)塊都包含前一個(gè)區(qū)塊的哈希值，這樣就鏈接了區(qū)塊并確定了區(qū)塊順序。如果對(duì)任一區(qū)塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改，該區(qū)塊的哈希值也會(huì)改變，從而打破區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)與共識(shí)。區(qū)塊鏈技術(shù)通過(guò)分布式存儲(chǔ)、非對(duì)稱加密等技術(shù)，使得在系統(tǒng)中需要認(rèn)證和授權(quán)才能進(jìn)行交互和交易，從而保證數(shù)據(jù)來(lái)源真實(shí)、全網(wǎng)一致、存儲(chǔ)安全。

綜上，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智能光伏電站管理系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電能源數(shù)據(jù)的安全記錄和存儲(chǔ)，包括能源的生產(chǎn)、消耗、交易等信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和透明管理，這有助于光伏能源企業(yè)深入地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，進(jìn)一步優(yōu)化光伏發(fā)電能源的生產(chǎn)和管理；可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電能源交易的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)結(jié)算，減少人為干預(yù)和操作失誤，提高交易效率和安全性；還可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電能源供應(yīng)鏈的透明化和智能化管理，跟蹤電力能源的生產(chǎn)、交易等全過(guò)程，提高供應(yīng)鏈的可靠性和安全性。另外，利用區(qū)塊鏈技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，使得原本獨(dú)立的分布式和集中式光伏系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，促進(jìn)光伏發(fā)電等新能源的高效利用和快速發(fā)展。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到光伏電站的能源數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)價(jià)值高等方面的特點(diǎn)，以及其在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、安全等方面的較高需求，搭建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：主要負(fù)責(zé)光伏電站數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)，同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)的安全性和可信度。通過(guò)各種傳感器設(shè)備采集光伏組件、逆變器、控制器和蓄電池等設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、發(fā)電數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用分布式存儲(chǔ)，允許區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參與者一起存儲(chǔ)和維護(hù)數(shù)據(jù)，并且不允許修改和刪除，以此來(lái)保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)的真實(shí)、安全和隱私。

共識(shí)層：主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)機(jī)制，包括選擇合適的共識(shí)算法、確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的共識(shí)和驗(yàn)證。在本系統(tǒng)中，采用了POET共識(shí)算法[10]，該算法可以省去大量運(yùn)算，只須共識(shí)節(jié)點(diǎn)在安全區(qū)內(nèi)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為等待時(shí)間，先完成等待的共識(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)在安全區(qū)內(nèi)生成區(qū)塊打包權(quán)證書(shū)，交付區(qū)塊鏈驗(yàn)證后獲得該區(qū)塊的打包權(quán)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

智能合約層：主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行合約內(nèi)容、記錄合約執(zhí)行結(jié)果等功能。在本系統(tǒng)中，采用智能合約自動(dòng)化地管理光伏設(shè)備的狀態(tài)、控制光伏設(shè)備和管理系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄光伏電站的發(fā)電功率、電網(wǎng)功率、用電功率等數(shù)據(jù)，以及所在區(qū)域的實(shí)時(shí)天氣、實(shí)時(shí)發(fā)電參數(shù)、發(fā)電歷史、電池監(jiān)測(cè)、巡檢與運(yùn)維工單等信息，對(duì)電站的發(fā)電量、設(shè)備運(yùn)行情況、電站負(fù)荷等信息進(jìn)行智能化分析和管理；系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，如自動(dòng)調(diào)整光伏板的角度、開(kāi)關(guān)設(shè)備、故障修復(fù)等。同時(shí)，系統(tǒng)還支持用戶根據(jù)電站的具體情況自定義智能合約，以滿足自身的業(yè)務(wù)需求。

應(yīng)用層：主要負(fù)責(zé)為用戶提供包括數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等功能的接口和服務(wù)。具體功能包括：用戶管理功能，包括電站管理用戶登錄、權(quán)限管理、查看操作記錄等；數(shù)據(jù)分析和處理功能，對(duì)電站的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和處理，提供相應(yīng)的報(bào)告和建議；報(bào)警和通知功能，對(duì)電站的異常情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警和通知，以便用戶及時(shí)處理和解決；設(shè)備管理功能，包括光伏設(shè)備信息維護(hù)、設(shè)備故障報(bào)修、設(shè)備維修記錄等；任務(wù)管理功能，包括任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)分配、任務(wù)跟蹤等，以便用戶對(duì)電站的日常運(yùn)維進(jìn)行管理。應(yīng)用層提供了簡(jiǎn)單易用的界面和操作方式，降低了用戶的學(xué)習(xí)成本和使用難度，以較快的速度提高了用戶的使用體驗(yàn)。

跨鏈交互層：主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的跨鏈交互，包括數(shù)據(jù)交換、合約調(diào)用等。系統(tǒng)采用跨鏈協(xié)議和橋接技術(shù)，識(shí)別和適配不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的交互和價(jià)值交換，包括身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、價(jià)值交換等方面的互通。該層設(shè)計(jì)考慮到了不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、價(jià)值交換方式等方面的差異，實(shí)現(xiàn)跨鏈交互的安全、可靠和高效。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。其中最重要的是在以往的智能光伏電站能源管理系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的布置。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)硬件是系統(tǒng)的核心部分，包括多個(gè)運(yùn)行區(qū)塊鏈軟件的設(shè)備節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，其中使用了一些具有強(qiáng)大計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的服務(wù)器和設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，包括系統(tǒng)設(shè)備初始化、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建等；系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器硬件采集環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上；通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)，為數(shù)據(jù)分配獨(dú)立的ID，并進(jìn)行加密簽名，進(jìn)而對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和存儲(chǔ)。基于區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)，運(yùn)行設(shè)備和能源管理子程序，例如設(shè)備和能源監(jiān)控、能源調(diào)度、能源交易等，使用智能合約，自動(dòng)執(zhí)行設(shè)備和能源管理的操作，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)或能源數(shù)據(jù)異常時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)報(bào)警操作。利用ECharts將環(huán)境參數(shù)、光伏設(shè)備狀態(tài)、發(fā)電數(shù)據(jù)等生成用戶個(gè)性化定制的可視化圖表，并展示在可視化大屏、電腦端、移動(dòng)端等監(jiān)控設(shè)備上供用戶查看。除上述流程之外，還會(huì)定期進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和更新，包括硬件和軟件的維護(hù)、升級(jí)等。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

3 結(jié) 語(yǔ)

為了最大可能地降低智能光伏電站能源管理系統(tǒng)中存在的信任風(fēng)險(xiǎn)，本文提出構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用非對(duì)稱加密算法來(lái)確保數(shù)據(jù)的真實(shí)和可信；采用分布式賬本技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互操作性，同時(shí)確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可信度；采用智能合約技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)和電站設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化管理和操作，減少人為控制容易產(chǎn)生的失誤。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站能源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和共享、自動(dòng)化交易執(zhí)行、分布式控制等功能，有助于提高光伏電站的運(yùn)行效率和安全性，降低光伏能源管理成本，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。