基于區塊鏈的園區能源交易應用方案研究

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

分布式能源主要指部署在各個用戶端的綜合性能源管理平臺，具備高效能、低污染和經濟效益顯著等優點，在現代能源互聯網中扮演著關鍵角色，因此，分布式能源向一次能源的發展轉變已成為必然趨勢[1]。而區塊鏈技術因其去中心化、透明性、安全性和智能合約等特性，與分布式能源交易的需求高度契合，成為優化能源交易模式的理想解決方案。由此本研究設計了一款基于區塊鏈的分布式能源交易系統，旨在通過信息技術對能源交易各項流程進行賦能。

1研究背景

1. 1 零碳園區

零碳園區是指在特定的區域范圍內，通過應用新能源、新信息技術及創新模式，最大限度地降低園區內的碳排放水平，甚至達到零碳排放。建設零碳園區將碳減排理念深度融入城市發展的各個環節，統籌布局能源利用、交通運輸、建筑設計、生產制造等多個領域，打造低碳環保、資源節約、生態友好的新型園區發展模式。這一模式與國家“雙碳”戰略目標高度一致，二者相輔相成，旨在減少溫室氣體排放，保護自然生態環境，推動經濟社會向綠色可持續方向轉型，是能源結構優化和經濟高質量發展的具體體現[2]

1. 2 區塊鏈技術

區塊鏈技術有助于實現分布式能源的可信存儲，通過部署集成智能合約的芯片設備，能源數據在生成的同時即可被加密并寫入區塊鏈網絡，有效防止數據篡改和虛假行為，顯著提升數據的實時性、準確性與可靠性[3] 。

區塊鏈技術為數據的安全流通提供了有力保障，通過數據所有者使用私鑰進行簽名授權，可以精準控制數據的訪問權限，既可實現對特定對象的臨時數據開放，又能確保能源數據在共享過程中的安全性與可控性。

2模型建立

2.1照明系統模型

園區室內照明亮度由燈具系統與自然陽光的強弱共同作用保持，在確保室內亮度達標的前提下，若照明設備能夠響應電力需求并有效利用自然光源，那么在日間電費較高的時段，可以適度降低照明裝置的輸出功率。針對此目標，本研究搭建照明系統模型，其公式如下：

P_{light，t}=F_inR_lightIL_in，t

式（1）中， P_light，t 和 IL_in，t 分別表示在特定時刻照明系統的功率輸出及其所產生的亮度水平， R_light 指實現單位亮度所需的功率消耗， F_in 說明了所涉室內空間的總面積。

為貼近實際應用，特此設置約束函數：

IL_min?IL_in，t+IL_out，t?IL_max

式（2）中， IL_min 和 IL_max 分別表示所容許的最低與最高照明亮度水平， IL_out，t 指在時刻 χ_t 的室外光強度。

2.2 空調系統模型

空調系統能夠確保室內溫度處于人體舒適區間，而建筑本身的蓄熱能力與空調協同作用。基于此，本研究為使空調設備達到最佳的工作效能，建立了空調系統模型，其熱量平衡方程式表達為：

Q_light，t+Q_{crowd，t}+Q_new，t-Q_AC，t

式（3）中， ρ_a 代表空氣密度， c 指代空氣的比熱容， V 表示建筑物的總體積， θ_t 表示在時刻 Φ_t 的室內溫度， B 為墻體傳熱系數， 表示時刻t的外界氣溫，Q_solar，t?Q_infle，t?Q_light，t?Q_crowd，t?Q_new，t 和 Q_AC，t 分別代表在時刻 χ_t 的太陽輻射熱能、非彈性的電器負荷產生的熱量、照明設備負荷產生的熱量、人體散發的熱量、通風系統散發的熱量以及空調系統的制冷熱量。

2.3新風系統模型

新風系統的工作功率和人流量相關，根據實際情況本研究建立模型，其公式為：

P_new，t=n_crowd，tR_newE

式（4）中， P_new，t 指時刻 χ_t 時新風系統的總能耗，n_crowd，t 表示時刻 χ_t 時建筑內的總人數， R_new 表示單位新風量的能耗值， E 為每人每小時需要的最小新風量。為平衡通風需求與能耗， E 的取值須結合建筑能效目標，如《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736—2022）中明確規定：辦公建筑每人新風量不應低于 30m³/h 。

3方案提出

本研究提出了一種基于區塊鏈的園區能源交易方案，通過硬件設備采集并上傳樓宇間能源數據，經智能網關接人區塊鏈端進行讀取，由智能合約自動完成數據的驗證、處理與上鏈存儲。

3.1 整體架構

整體架構主要劃分為5層：數據采集、數據層、網絡層、核心層和應用層。其中，數據采集層負責實時收集能源數據與市場信息；數據層存儲交易記錄、智能合約及能源資產權屬，采用鏈上哈希 + 鏈下數據庫的混合存儲策略來平衡效率與安全性；網絡層構建P2P通信網絡，通過共識機制實現分布式驗證，支持跨鏈交互以連接電網管理系統或碳交易平臺；核心層依托智能合約實現交易自動化，包括訂單匹配、實時結算及違約處理，結合鏈下計算滿足電網物理約束；應用層面向終端用戶提供交易接口及增值服務，提升用戶體驗與市場參與度。

3.2功能模塊

本研究將區塊鏈在能源交易系統的功能劃分為多個模塊。詳細功能模塊如圖2所示。

（1）存證溯源模塊中，能源生產、消費和交易數據被完整記錄，確保不可篡改，支持跨鏈交易溯源，使得樓宇能源交易更加透明可信。

（2）身份認證模塊保障了參與方的合法身份，確保只有授權用戶能夠參與能源交易，防止惡意節點干擾。

（3）隱私加解密模塊保護了用戶的敏感數據，平衡了透明性與隱私需求。

圖1園區能源交易系統框架

（4）智能合約模塊實現了能源交易的自動化執行，實現自動觸發交易并完成結算，顯著提升效率。（5）數據定價和交易激勵機制模塊通過經濟學和優化理論動態調整能源價格，結合反饋信任機制激勵用戶參與分布式能源共享。（6）終端設備與區塊鏈的交互確保了數據的實時性和真實性，確保數據源頭真實可靠。（7）跨鏈與云端交互模塊支持不同能源網絡之間的協同管理。（8）可信管理模塊通過評估節點的歷史行為降低合作風險，進一步增強了系統的可靠性。

圖2區塊鏈能源系統功能模塊

3.3交易流程設計

園區能源區塊鏈結構設計思路如圖3所示。能源交易商須先申請加入園區能源區塊鏈平臺系統，完成實名認證。認證通過后，才能發起能源交易。當其他用戶響應交易并確認相關信息后，系統將生成對應的交易數據，由區塊鏈網絡隨機選取記賬人，負責將交易數據打包生成新區塊，隨后廣播至網絡中的其他節點，各節點將對區塊內的交易信息進行驗證。待驗證無誤后，新區塊將被正式添加至區塊鏈，本輪能源交易告完成。若須繼續進行下一輪交易，則流程與前述步驟相同[4]。

圖3園區能源交易流程

4系統設計

4.1系統硬件設計

硬件系統采用多層次的優化設計方案，在信號處理、數據傳輸和智能控制3個關鍵環節實現技術創新[5]。

在信號處理層面，采用異構計算架構，整合數字信號處理器DSP、現場可編程門陣列FPGA和圖形處理器GPU的協同處理能力。其中，DSP負責電能參數的精確采集與分析，FPGA實現交易信號的實時處理，GPU則用于能源使用模式的深度學習分析。這種架構設計使得能源交易相關的信號處理延遲降低35% 以上，同時能夠靈活滿足不同規模的交易數據處理需求。

數據傳輸網絡采用光纖與同軸電纜混合組網方案，充分發揮各自技術優勢。主干網絡采用支持波分復用技術的光纖傳輸，在單根光纖上實現多波長并行傳輸，顯著提升樓宇間能源交易數據的傳輸容量；分支網絡則采用同軸電纜，確保樓內各能源計量節點的可靠接入。實測數據表明，該方案在保證傳輸質量的前提下，可使系統整體傳輸成本降低 25% ，網絡帶寬提升3倍以上，為高頻能源交易提供可靠的通信保障。

智能控制終端以高性能嵌入式系統為核心，集成了溫濕度傳感器、氣體傳感器、光照傳感器等關鍵組件。引入基于機器學習的預測性維護算法，通過對傳感器歷史數據的趨勢分析，提前識別設備潛在故障，使系統平均無故障工作時間MTBF延長 25% 。同時，系統還具備實時能效優化功能，可根據交易需求和用能狀況自動調整運行參數，實現能源利用效率 20% 的提升，為分布式能源交易提供精準的計量和控制支撐。

4.2系統軟件設計

軟件系統采用分層優化設計，在任務調度、消息處理、服務架構和智能算法4個維度實現技術創新。

任務調度層采用混合調度算法，融合優先級調度和時間片輪轉機制，對于高優先級實時交易任務采用搶占式調度，確保關鍵交易指令的即時響應；普通監測任務則采用動態時間片分配，實現系統資源的最優利用。

消息中間件層基于ApacheKafka構建分布式消息總線，引入機器學習驅動的自適應路由機制并實時監測網絡拓撲和負載狀況。

服務層應用微服務架構，通過Docker容器化實現彈性擴展，構建了智能化的服務通信層。

智能算法層結合深度強化學習算法，構建能源交易運行的優化模型，在保證服務質量的前提下，降低整體能耗，針對區塊鏈交易開發了專用的交易特征提取算法，提升智能合約執行效率。

4.3智能合約設計

本文采用Solidity語言進行編程設計，打造一套高效的智能合約，以點對點能源交易機制為例。在交易雙方身份認證均通過的前提下，由賣方調用tradeEnergy方法，輸人相對應的參數，由智能合約自動驗證，當賣方能源余額大于交易量且買方賬號狀態有效時交易成立，進行能源轉移，并且通知鏈上全網，最后在鏈上進行token結算。點對點能源交易智能合約算法如下：

struct Transaction{ address seller; /／賣方地址 address buyer; /／買方地址 uint256 amount ; //交易能源量 uint256 price; /／單位售價

uint256timestamp；//交易時間戳 function tradeEnergy（address_buyer，uint256_amount， uint256_price） external onlyRegistered{ /／能源轉移 buildings［msg.sender].energyBalance Σ-Σ=Σ_- amount; buildings[_buyer].energyBalance ; //生成交易記錄 transactions.push（Transaction（ msg.sender，_buyer，_amount，_price， block. timestamp ））； /／觸發交易事件 emit EnergyTraded（msg.sender，_buyer，. amount，_price，block.timestamp）;

4.4數據庫設計

為滿足分布式能源系統中數據實時性、事務一致性和高并發訪問的需求，分別設計3類數據庫：實時數據庫InfluxDB、緩存數據庫Redis和關系型數據庫MySQL.

本研究憑借InfluxDB高效的存儲機制和強大的索引能力，針對功率、電壓和溫度等參數實現高效管理并支持大量時序數據的快速寫入操作[6]。同時利用Redis的數據持久化功能，將實時能源量、用戶余額、設備狀態等緩存信息按照設定的時間間隔存儲在用戶數據寫入服務器磁盤，實現數據備份[7]。應用MySQL數據庫對交易記錄、設備信息等數據進行管理。

表1交易記錄

表2設備信息

5系統性能測試

為測試基于區塊鏈技術的分布式能源交易系統的性能，本研究設計了實驗方案，通過模擬區塊鏈網絡環境，執行智能合約來處理與存儲交易信息。交易數據涵蓋能源需求量、成交價格等內容，評價指標主要包括交易成功率、系統響應延遲、網絡吞吐能力等關鍵參數。

其中，交易成功率是指成功完成的交易數量占交易總量的比例；系統響應時間是從交易發起至交易確認所經歷的平均時長；網絡吞吐量則指單位時間內網絡能夠處理的交易總數。交易分為3個批次，實驗結果如表3和表4所示。

表3交易成功率及平均響應時間測試結果

表4各時間段處理交易數及吞吐量測試結果

由上表可知，系統在多數批次中保持較高交易成功率，體現出良好的處理效率與穩定性。部分批次接近 99% ，顯示系統在理想條件下具備高效執行能力。但Batch成功率略低，表明極端情況下須優化以提升穩定性。系統響應時間較短，滿足實時交易需求。網絡吞吐量維持高位，說明系統具備處理高并發交易的能力。

6結語

本研究針對園區分布式能源交易提出了基于區塊鏈技術的方案創新設計，通過模型搭建、方案提出、系統設計來完善能源交易服務體系，最后通過系統性能測試得出系統在多數批次中保持較高交易成功率，體現出良好的處理效率與穩定性。在未來，隨著科技的進步和應用的發展，基于區塊鏈技術的能源交易方案將在未來的能源產業中扮演越來越關鍵的角色，為構建可持續的能源生態做出重要貢獻。

參考文獻

[1]袁克立，袁輝，宋宏冰.基于區塊鏈技術的分布式能源交易與管理平臺研究[J].電氣技術與經濟，2024（4） ：48-50.

[2]陶思成，蔣則明，李衛兵，等.零碳園區智慧化建設探究[J].合作經濟與科技，2025（9）：55-58.

[3]陳婉玲，李燕，王婧媛，等.區塊鏈、物聯網、云計算等新技術在碳排放監測中的應用方法[J].中國電信業，2025（4）：21-25.

[4]朱國皓，別良友，朱軍，等.智慧園區能源管理平臺及能源區塊鏈研究[J].現代建筑電氣，2024（11）：7-12.

[5]張立鵬，陳曉亮.面向智慧樓宇的室內分布系統與物聯網技術整合研究[J].現代傳輸，2025（1）：29-32.

[6]汪超峰.基于IoT和influxDB的數據搜集與統計系統設計[J].智能物聯技術，2024（5）：107-110.[7]余景寰，李貞昊.Redis數據庫可靠性與自適應持久化改進方案[J].信息系統工程，2017（2）：141-144.

（編輯 王雪芬）

Research on energy trading application scheme of park based on blockchain

ZHANG Zihao，LIU Tianqi*，WANG Jiaming，SUN Mingchen，ZHANG Dian （Jiangsu Normal University Kewen College，Xuzhou 2211OO，China）

Abstract：Withthe development of the national economyand the proposal of zero-carbon parks，distributed energyhas become an increasingly important partof the energy market.Based on this，this study proposes a blockchain-based energy trading solution for parks.Itconstructs mathematical models for lighting，air conditioning，and fresh air systems，uses blockchain technologyto store energy transaction information，ensuring secure transmisionandreal-time sharingof distributed energy transactiondata.A peer-to-per energy trading smartcontract is also designed.Through performance testing，the systemdemonstrates high transaction success rates in most batches，ofering new insights into blockchain-based energy trading.

Key words： blockchain technology；distributed energy; energy trading