智慧能源区块链平台及典型应用分析与设计

2020-05-26裴求根

电力大数据 2020年2期

裴求根

(广东电网有限责任公司，广东广州 510060)

近年来，能源行业发生了巨大的变革，能源技术的进步与信息化技术的进步，推动着能源互联网的快速发展。在大力发展可再生能源的同时，通过进一步的市场化，引导并促进能源行业的转型升级，从而提高能源利用效率，提升可再生能源占比及消纳能力，已经成为我国能源领域的重要发展方向。此外，企业发展战略也要求电力企业全力打造安全、可靠、绿色、高效的智能电网。随着分布式能源渗透率的提高和能源调度形式的多元化发展，智慧能源综合管理已是能源互联网发展的一个重要方面。这种全新的管理方式通过将分布式光伏、分布式风电、分布式太阳能供热、地热等各类能源与城市集中供电、供热、供冷有机结合，借助能源互联网技术、分布式发电供能技术、能源系统监视、控制和管理技术以及互联网技术，基于大数据平台和能源交易机制创新，最终构建出可以多能协同运行管理的能源互联网平台，实现电、气、热、冷等多能源协同运行，促进区域可再生能源资源优化配置[1]。

能源互联网通过信息能量深度集合以及多能源系统的广泛集成，能够实现电能、冷热能的高效生产、灵活控制和智能利用，促进可再生能源的大幅接入，实现开放、灵活互动的电能交易形式，深入挖掘用户需求响应潜力，最终从整体上提高终端能源使用效率，降低能源生产成本，减少全社会碳排放量[2]。

区块链技术来源于比特币，是一种分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链作为比特币的底层技术，本质上是一个去中心化的数据库系统，由一串加密的数据块组成，每一个数据块中包含了前面所有网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。狭义上讲，区块链是一种分布式账本，它通过顺序相连的链式数据结构组合而成，并以密码学方式保证了不可篡改和不可伪造的特性。广义上讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式[3-5]。

1 区块链技术原理

区块链的基本原理包括三个基本概念：交易、区块、链。交易是每次对账本的操作，会导致账本状态发生一次改变。区块记录了一段时间内发生的所有交易和状态的结果，是对当前账本状态的一次共识。链由区块顺序串接而成，是整个账本状态变化的日志记录。基于区块链的每一次交易，都会改变整个区块链的状态，而每次共识生成的区块，则是对交易状态改变的结果进行确认。区块链中后继区块记录前导区块的哈希值，新的数据要加入必须要放入到一个新的区块汇总。新的区块是否合法，可以通过计算哈希值的方式快速检验。每个节点都可以提议一个新的区块，但区块必须得到所有节点的一致认可，即必须经过一定的共识机制选出来[6]。区块链基本原理如图1所示。

区块链具有去中心化、开放性、去中介信任、信息不可篡改、交易匿名性等技术特征。

2 智慧能源区块链平台设计

2.1 驱动因素

智慧能源应用场景相对于传统能源使用场景发生了本质性变化。传统能源根据能源种类垂直划分产业结构，各种能力负责独立自主管理各自的能源生产、传输、使用与计费。其所面临的环境相对专有、封闭、可控。智慧能源则旨在打破能源生产和消费的壁垒，横向整个各种能源，以最经济、环保、绿色的方式为人们提供能源，智慧能源应用场景因此具有了开放、动态和难控的特性。在智慧能源场景中，各种新能源、储能和消费方式可以开放性地进入与退出智慧能源系统，并根据实际需求，自主调整能源消费策略，且最终通过用户自主参与或价格传导机制等间接方式控制智慧能源系统优化运行。

表1 智慧能源与传统能源比较Tab.1 Comparison between intelligent energy and traditional energy

智慧能源场景的新特性为智慧能源信息平台的架构设计和开发带来了新挑战。新型信息平台需要具有多源异构数据柔性处理能力和多源数据融合与关联分析能力，发现数据之间的关联关系，更好地应对开放的数据源环境；即时发现不同类型能源间的差异替代模式，触发能源优化机制的快速响应；支持服务能力的弹性扩充，允许公众用户通过开放式访问智慧能源应用，灵活自主地制定能源优化策略；支持智慧能源应用根据用户需求或者协同技术的提升，在线敏捷快速迭代，即时适应新策略与新机制的升级[7-8]。

为了应对这些挑战，本文结合了云计算、大数据、区块链等新技术，设计了智慧能源区块链平台，为新型信息平台的新需求提供了一个有效的解决方案[9-10]。该平台按照四层建设：

(1)物理层。一方面，以地区综合能源网络，以消费侧优质高效综合供能为框架，依托地区配电网实现多种能源类型的优化互补，支持冷/热/电三联供，支撑从能源生产到消费的全方位、全时段覆盖，从而呈现多元化、综合性的互联网服务业态；另一方面，以地区新型直流配用电网络为基础，实现新能源和电动汽车的灵活接入和高效运营，构建支持新能源和电动汽车能源互联网。

(2)数据层。利用大数据技术，形成数据资产，将“业务驱动”转向为“数据驱动”，为需求响应、综合能源运营管理、多能协同运行管理等应用提供信息支撑，实现配电网、分布式发电、储能、用户用能数据采集、传输和挖掘，为高端应用提供数据支撑[11-12]。

(3)平台层。利用大数据和区块链相关技术，构建平台支撑能力，打造数据分析、数据封装、区块链记账与共识、智能合约等技术能力，支持新的智能能源用能模式，支撑基于区块链的智慧能源应用。

(4)应用层，建设智慧能源运营管理应用，为用户提供多样化服务，实现用户多角色互动，创新基于互联网思维的能源商业模式：开展多能协同运行管理，提升能源利用效率；开展用户双向互动的需求响应，实现用户需求响应，支持用户自主的能效管理；开展综合能源运营管理，实现能源灵活自由交易，推动建成有效竞争的能源市场零售交易体系。通过智慧能源区块链大数据平台研发部署，支持社区能源共享、资质认证应用、绿证发行与管理、信息公证等各种智慧能源应用[13-15]。

2.2 技术架构

智慧能源区块链平台包括IaaS层、PaaS层和SaaS层，其架构如图2所示。IaaS层建设内容为智慧能源项目信息集成设施建设，将计算、存储以及网络资源全面云化，为PaaS、SaaS层建设提供必要的硬件、网络资源。PaaS层是区块链平台的建设重点，包括数据层建设和平台层建设。数据层主要包括配电网数据、分布式发电数据、用能数据、用户数据等。平台层可进一步分为容器层和能力层，容器层提供中间件及数据库等PaaS层公共组件，能力层封装智慧能源区块链平台的相关技术服务能力，包括大数据处理能力及区块链管理能力。SaaS层由智慧能源运营相关应用组成，可涵盖社区能源共享、绿证发行与管理、能源交易、智慧能源运营等众多应用。应用基于PaaS构建，利用中间件及数据库等PaaS层公共组件完成应用部署，利用能力层服务完成数据集成融合实施，利用区块链基础平台提供统一Restful API接口等服务支撑智慧能源中的能源共享、交易等场景[16]。

智慧能源区块链平台和传统数据平台最大的区别在于除了封装数据平台所必须的大数据处理能力外，该平台还封装了分布式管理能力，这种管理能力以区块链的形式实现。利用区块链的分布式容灾、数据不可篡改、数据签名可追溯和可信性等特性，为“互联网+”智慧能源运营管理、绿证交易和用户侧的响应等提供一个底层技术支持平台。

2.3 技术选型

经过比特币和以太坊两代的发展，区块链越来越吸引着全球相关从业人员的关注，无论是行业巨头，还是初创型公司都纷纷投身其中，积极寻求利用区块链技术驱动业务革新或者商业模式变更的途径。对于能源行业从业者而言，如何在能源服务业务中使用区块链技术，充分利用其技术特性来降低业务交易成本提升商业价值，或增强业务系统的安全特性，是最值得关注的焦点。

随着比特币和以太坊等项目的发展，公有链已日趋成熟，但是公有链的一些特性和企业区块链的要求存在着矛盾，包括隐私性的矛盾、账本共享的矛盾、智能合约的矛盾和共识算法的矛盾。这些矛盾的存在使得企业区块链不能完全借助于公有链，而需要一个新的区块链标准。超级账本(Hyperledger)是公有链不能满足企业区块链系统建设要求而产生的，其愿景是借助项目成员和开源社区的通力协作，共同制定并建立一个开放、跨产业、跨国界的区块链技术开源标准。作为超级账本下最重要的子项目，Fabric1.0具备身份管理、多通道与子链、共识与记账分离、商业友好等特性[17-20]。Fabric的优良特性完美契合了企业区块链的需求，因此，本文选择基于Fabric的区块链平台，并对其进行了深入改造和优化，适应智慧能源业务特点，其技术架构如图3所示。

区块链基础平台和区块链应用开发框架基于Fabric1.0进行改造，并在此基础上提供区块链应用接口SDK，用于进行区块链管理的区块链管控与治理平台(MGP)和提供了针对静态数据完整性积极保护的软硬件一体化解决方案的区块链积极完整性保护平台。

2.4 接口设计

应用层与智慧能源区块链平台接口采用REST接口方式，方便应用层在区块链上新增、更新、查询数据。接口设计如下：

2.4.1 REST测试接口

可以直接访问REST接口，不加任何参数，返回"hello fabric"可表明此时REST接口工作正常。

2.4.2 REST接口定义

所有请求均为http协议POST方法，提交参数格式如下：

header：Content-Type：application/json，body：{"key"："fe12394aef0923bb"}

返回数据格式为json格式。

2.4.3 REST接口定义

①创建数据集

②定义数据属性

③制定授权访问规则

④新增区块链交易记录

⑤更新区块链交易记录

⑥删除区块链交易记录

⑦单一交易数据查询

⑧条件交易数据查询

⑨异步调用回调

⑩查询区块信息

3 智慧能源区块链应用设计

3.1 社区能源共享

在一个社区典型能源微电网中，每一户家庭除了是能源的消费者外，还能成为能源生产者。这是因为部分家庭拥有小型可再生能源发电装置和储能装置(以太阳能电池板最为典型)，储能装置的剩余电量可以售出。

由于社区能源微电网的基本组成单元是家庭，因此，账户私钥应该由安装在本地的客户端生成。在数据结构方面，在本智能合约中存在一种角色，即用家庭用电户，其数据结构设计如下：

3.1.1 智慧能源用户

ID String；//用户编号

Account String；//账户

Electric Double；//剩余电量

Status Boolean；//True可以购买，False不可购买

PublicKey String；//账户公钥

PrivateKey String；//账户私钥

3.1.2 电量交易

ID String；//交易编号

BuyAccount String；//买方账户

SellAccount String；//卖方账户

TransElectric Double；//交易电量

TransAmount Double；//交易金额

TransDatetime DateTime；//交易时间

通常一笔电量的交易需同时具有卖方和买方的公钥签名才是有效的交易。

各函数及其功能设计如下：

Init 初始化操作

Invoke 调用合约函数

Query查询相关信息

AddAccount增加一个新的社区能源用户

BuyByAccount购买特定账户的电量

QueryTrans获取交易

WriteTrans记录交易

GetTransById通过编号获取交易的内容

UpdateStatus修改状态

3.2 绿证发行与管理

绿色证书是一种可交易的、能兑现为货币的凭证，是对可再生能源发电方式进行确认的一种指标。政府根据生产情况对可再生能源发电企业核发相应的绿色证书。有配额义务的电力企业等责任方可以通过生产可再生能源或者买入绿色证书的方式完成配额义务。绿色证书需要在交易流通环节体现价值，而监管机构需要对绿色证书的认证登记、发放、转让交易、回收注销进行全周期的跟踪。

使用区块链技术建立新型的绿证交易管理应用，将有效简化绿证的登记、交易、注销等管理流程，提高监管效率，促进绿证市场的规模化发展。利用智慧能源区块链平台可实现：

用户注册和登记：参与绿证管理和交易的主体。

绿证生成：根据交易记录计算出绿色能源供应商供应电力量，定期颁发绿证给相应的绿色能源供应商。

绿证交易：在智慧能源区块链平台完成注册和登记的用户，用证书在区块链平台进行对点对的绿证交易。

绿证回收：绿证最终将会被用于碳排放量的抵消，将会被回收。

4 结论

区块链技术天然具有去中心化、开放性、去中介信任、信息不可篡改等特性，在智慧能源领域拥有众多典型的应用场景，能从技术方面支撑智慧能源领域新业态、新模式、新思维的发展，因此区块链技术在智慧能源领域和未来能源革命中必将发挥重要作用。本文分析了区块链技术特点，设计了智慧能源区块链平台，提出了其技术架构和技术方案。并基于平台设计了智慧能源领域典型的区块链应用。智慧能源区块链平台的相关理念和技术特征与未来能源互联网趋于扁平化和分散化的发展趋势相吻合，所以在未来必将产生重要价值，培育、衍生出众多的基于区块链的智慧能源应用。同时务必要注意的是，新技术的发展应用从来不是一帆风顺，需要对信息安全等方面可能出现的技术风险加以防范。