充电桩运营维护中区块链技术的应用研究

王绍荃，项胜乙，叶强

（浙江图盛输变电工程有限公司温州科技分公司，浙江 温州 325000）

0 引言

电动化是21世纪汽车产业发展的基本趋势，电动汽车产业规模化推广需要一系列的基础设施设备作为支撑，其中充电桩就是一项关键性的基础设施设备，它为电动汽车提供能源和动力，充电桩运营维护是确保充电桩正常工作的重要条件，它包括对充电桩工作状态的实时动态监控、充电计量、安全检查、充电负荷分配、资金结算、数据分享等多个环节，涉及充电桩、运维单位、监管部门、电力配售机构、检定单位等诸多主体的经济利益。考虑到充电桩及其运营维护的分布性和多主体等特点，以及大规模电动汽车对充电桩高效运维的要求，本文引入区块链技术，分析了区块链技术在充电桩运营维护中的作用、价值和优势，并就区块链技术在充电桩运营维护中的具体应用机制进行深入分析。

1 区块链技术

1.1 区块链内涵

区块链即Blockchain，它是基于时间序列的方法将相应的数据区块组合而成的一种数据结构，采用高安全性密码技术来确保数据的不可伪造性和不可篡改性，并且以去中心化的方式进行分布式存储，它的基础架构与计算方式与传统中心化数据相比较是一种全新的革命性的创新[1]。

1.2 区块链相关技术

（1）非对称加密。区块链的非对称加密技术也通常称为数字签名，它是基于安全性和所有权验证问题产生的，在利用某种算法对数据进行非对称加密后，需要另外一个与之相对应的算法才能解密，区块链中的每个数据节点都有一对独立的公钥私钥，私钥在数据发送时进行签名，其他节点接收数据后首先对私钥签名进行验证，在核实了数据合法性和完整性后才予以认可。

（2）共识机制。区块链中所有的节点都保存有数据的副本，那么如何确保数据更新在每一个节点的同步就显得非常重要，这就是共识机制的作用，它确保所有存储节点保存有相同的完整的数据副本，目前共识机制算法主要有PoW、BTF、Po等几种算法[2-3]。

区块链的设计理念和算法技术赋予了区块链以下四大特征：去中心化、不可篡改、可追溯性、高可靠性，这也正是本文在充电桩运营维护中引入区块链技术的重要原因所在。

2 充电桩运营维护中区块链技术的应用

2.1 应用场景

一个典型的充电桩运营维护场景通常包括以下组成部分：充电桩、变电站、配电机构、检定单位、运维部门、监管机构等，该场景具有以下特征：高分布性，充电桩依据人口、交通、经济等情况呈现很强的分布密度不均匀性，这为集中管理带来了挑战；多主体性，充电桩运营维护涉及的主体和利益关系比较复杂；高协同性，充电桩运营维护的顺利进行需要相关利益主体之间协同一致并构建互信机制。

2.2 应用价值与优势

将区块链技术应用到充电桩运营维护中可以获得以下价值和优势：

（1）高度灵活可靠且低成本的分布式管理。基于区块链的智能合约可以为高分布性的充电桩运营维护提供高度灵活可靠且成本十分低廉的分布式管理，通过构建智能的自治管理网络可以将预先定义的规则在区块链节点之间进行分发，并适时地触发和启动相应的交易规则，实现交易数据和信息的自治管理。充电桩可以根据实际情况向检定单位自动地发出维保请求，运营维护部门与配电机构之间可以实现费用的自主结算，监管机构与充电桩运营维护部门之间实现补贴的自主输送，充电桩运行数据和信息的自主实时上传，充电桩运行维护系统的周期性维护等。

（2）去中心化的管理。充电桩运营维护中涉及的彼此独立的经济主体之间在区块链中分属不同的具有平等地位的节点，这些节点在充电桩运营维护中对交易数据享有平等地接收、发送和维护的权利，而不是像传统的以某个节点为中心所带来的固有权益冲突或缺陷。

（3）节点间的交易数据透明化和高可靠性。区块链技术所独有的数据结构、非对称加密算法和共识机制确保了充电桩实时运行信息和数据的实时监测、检定、计量、传输等的高度透明化、可追溯性和高保真性，相关主体和机构可以随时随地从区块链上获得真实完整不可篡改的数据，避免了传统管理方式下的信息不对称所带来的各种计量不准、诱骗补贴等事件的发生[4]。

2.3 应用架构

（1）链式结构选择。区块链网络根据参与节点是否需要授权可以将其划分为三种类型结构，即公有链、私有链以及联盟链，公有链允许节点匿名参与，其在安全性、隐私性等方面不适合充电桩运营维护的业务需求，私有链一般为组织内部使用、节点加入退出具有复杂的审批程序，因此也不适合充电桩所要求的更为灵活快捷的业务需求，联盟链适合多个节点参与且节点身份相互之间透明的多个组织之间，内部特定节点完成记账功能、其他节点提供信息查询，它不仅具有较高的运行效率，而且具有更强的隐私保护机制，同时又具有较强的灵活性，最适合充电桩业务灵活快捷的要求。

（2）网络节点布置。区块链中参与节点不仅具有数据存储、加密、验证、传送等功能，而且对于整个系统的管理也有重要作用。从理论上而言区块链中的每个节点具有同样的地位、拥有同样的权限、行使同样的功能，但考虑到充电桩运行维护的业务特点和实际需要，不同参与节点之间应该在功能划分、算力分配、功耗、应用等方面进行适当的配置，划分为两大类型，一是标准类型的区块链节点，具有数据分发、同步、记账、共识等职能，基于实际需要这些标准类型节点由运维部门、配电机构、检定单位和监管机构等来承担；另一类是非标准类型的区块链节点，这类节点主要承担数据采集和传送功能，从其他节点接收信息并存储相邻节点的信息，但不参与记账、同步、共识和系统维护等功能，充电桩以及现场检测装置就承担这样的角色。以上基于区块链技术的充电桩运行维护网络节点布置实际上是一个分布式对等网络，在这个网络中，共识机制负责确保每个参与节点的数据信息一致性，并且负责处理由网络攻击所造成的系统安全或故障，示意图如图1所示。

图1 基于区块链技术的充电桩运营维护网络节点布置示意图

（3）共识机制设计。PoW共识算法的特点不适合充电桩运营维护这类业务的需要，PBFT即实用拜占庭容错共识算法具有较强的适用性，具备了一定容错能力的同时提升了区块链系统的响应速度，同时也比较适合充电桩运营维护这种不需要较高算力的应用场合。

2.4 功能架构

基于区块链技术的充电桩运营维护系统在功能架构上可以分为三个层次，从上到下依次为服务层、管理层和数据接口层。

服务层主要从功能、通信和区块链三个层次和侧端提供具体的服务。功能侧主要包含充电桩的运行状态检测、配电管理、充电桩现场检定、运维、故障报送以及运行监管等一系列功能；区块链侧主要包含账户管理、密钥管理、数据加密、访问控制、合约与共识机制管理等方面的功能；通信侧主要包含充电桩运行状态现场检测装置以及通信总线，现场检测装置、充电桩、检定单位、运维部门、监管部门等之间的通信，同时还醋则新的充电桩和现场检测装置的接入管理[5]。

管理层提供的服务，应用层面的主要有充电桩注册与管理、现场检测装置的注册与管理、不同参与节点不同业务类型的认证授权与管理、智能电网与电动汽车之间的跨区块链管理、充电检定维保等的交易与管理、充电桩与配电机构之间的费用结算与管理、监管机构与运维部门之间的费用补贴结算与管理等。

数据层主要面向PC客户端、移动客户端、大数据系统等三种类型的端口以及第三方开发提供API接口服务。PC客户端可以基于不同应用场景选择使用不同的功能模块，诸如充电桩现场检测装置远程管理、检定、补贴发放、电费结算、用电负荷监控等。

3 结语

将区块链技术引入到充电桩运营维护中，构架了具有分布式数据存储、采用非对称加密算法、具有较高可追溯性的安全灵活的充电桩运营维护系统，实现了充电桩运营维护过程中各项交易环节和数据信息的自治管理，为充电桩运营维护中所涉及的充电桩、变电站、配电机构、检定单位、运维部门、监管机构等多方经济主体提供了具有较高可行性和透明性的管理方案。