基于技術(shù)融合-演進(jìn)模型的物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析

金 煒，張戈力

（1.國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司，北京 100761；2.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引 言

隨著“大云物智移鏈”技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用[1-4]，未來能源行業(yè)的底層技術(shù)將得到數(shù)字化方面的較大提升。大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)的各個方面的深化應(yīng)用，能夠全面提升行業(yè)的智能化水平，企業(yè)不僅會在運營層面推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型[5-8]，底層技術(shù)也會不斷得到提升。

《第三次工業(yè)革命》中提到過未來理想條件下的能源系統(tǒng)是零邊際成本能源系統(tǒng)，也可以理解為能源互聯(lián)網(wǎng)[9-10]。通過高度發(fā)達(dá)的信息系統(tǒng)，減少了信息不對稱帶來的交易成本，實現(xiàn)了零邊際成本的能源體系。能源的互聯(lián)不僅降低了成本，還提升了能源效率。而要消除信息的不對稱，還需要使數(shù)字化、信息化水平得到更大程度的提高。

能源互聯(lián)網(wǎng)[11-20]在框架分析階段可以分為物理層、信息層、價值層三個層面。物理層方面，底層是由傳統(tǒng)能源系統(tǒng)構(gòu)成的多能互補的能源體系。中間的信息層不僅是數(shù)字計算機系統(tǒng)的互聯(lián)，在強化的互聯(lián)體系下還包括物理設(shè)備高度互聯(lián)而形成的物聯(lián)網(wǎng)，以此構(gòu)成高度可觀、可控的設(shè)備系統(tǒng)。

現(xiàn)代能源系統(tǒng)（Modern Energy System, MES）通過信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physics System, CPS）的構(gòu)建，使得能源的生產(chǎn)信息交互層變得較為強大。通過高效的信息傳輸交互、數(shù)據(jù)的不斷積累，形成高價值的用戶數(shù)據(jù)資產(chǎn)，促進(jìn)數(shù)字能源經(jīng)濟的發(fā)展。

近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)[21-26]逐漸得到普及，越來越受到各國信息界、工業(yè)界的重視。它脫胎于中本聰創(chuàng)造的比特幣系統(tǒng)，該系統(tǒng)中弱中心甚至是無中心的構(gòu)架得到了保留，分布式賬本技術(shù)帶來了信任構(gòu)建的可靠性和便捷性，區(qū)塊鏈的區(qū)塊節(jié)點可以方便地加入或者退出而不影響整體系統(tǒng)的可靠性。

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠迅速地從金融系統(tǒng)擴展應(yīng)用到各行各業(yè)，得益于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式架構(gòu)，它對于交易賬簿具有較高的安全性，因為安全冗余較大。區(qū)塊中每發(fā)生一筆交易都會通過系統(tǒng)廣播至全部區(qū)塊，每一個節(jié)點都包含所有的交易信息。要篡改交易需要同時修改超過50%的節(jié)點信息，因此安全性較高。

“大云物智移鏈”技術(shù)不斷深入人心的同時，傳統(tǒng)能源技術(shù)與新興數(shù)字技術(shù)的融合成為技術(shù)發(fā)展的大趨勢。為了賦能能源革命和數(shù)字革命，推動第四次工業(yè)革命向前發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)解決能源互聯(lián)網(wǎng)中各個場景下的運作問題成為了一種趨勢。

本文首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，提出了一種基于技術(shù)疊加的融合模型框架。最后分析了在物聯(lián)網(wǎng)條件下能源互聯(lián)網(wǎng)中區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)源流

區(qū)塊鏈技術(shù)源于中本聰在一個密碼學(xué)組的郵件群中發(fā)表的技術(shù)論文。之后，比特幣作為初始的加密貨幣啟發(fā)了金融界的加密貨幣大發(fā)展。各類加密貨幣如雨后春筍般涌現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)也隨著比特幣的迅猛發(fā)展，逐漸被全世界所接受。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于密碼學(xué)的技術(shù)，所以區(qū)塊鏈技術(shù)在信息安全領(lǐng)域具有較強的優(yōu)勢。區(qū)塊鏈技術(shù)是密碼學(xué)、分布式計算、分布式存儲、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集大成，通過巧妙的“鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)”底層物理架構(gòu)，構(gòu)建了一個基于信任的網(wǎng)絡(luò)。因此，比特幣系統(tǒng)體系運行多年仍然保持了整體安全，可以證明區(qū)塊鏈技術(shù)的安全價值。

區(qū)塊鏈的去中心結(jié)構(gòu)在安全上避免了集中處理存儲的單一性和拓?fù)渖系谋∪跣?。集中式的缺點是一旦服務(wù)器受到攻擊，整個系統(tǒng)的安全都可能受到威脅，重要性關(guān)系可能被篡改。而區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)鏈條冗余大，全局修改代價大，交易安全性較為穩(wěn)定。

區(qū)塊鏈技術(shù)的弱中心結(jié)構(gòu)，較為符合節(jié)點平權(quán)、社會網(wǎng)絡(luò)扁平化、節(jié)點準(zhǔn)入門檻降低的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。通過吸引同等條件的不同節(jié)點計算設(shè)備的接入，區(qū)塊的發(fā)展不僅方便了計算設(shè)備上的所有人進(jìn)行交易，而且隨著節(jié)點的增多整體安全性也得到了提升，可謂一舉兩得。

比特幣系統(tǒng)通過在系統(tǒng)發(fā)布計算問題得到維護(hù)和發(fā)展，系統(tǒng)的維系仰賴于系統(tǒng)中廣播的數(shù)學(xué)問題，而解決了該問題，一般是提供了算力的用戶可以得到系統(tǒng)的比特幣獎勵，該過程就稱為“挖礦”。

圖1所示的就是區(qū)塊的基本構(gòu)成，區(qū)塊是區(qū)塊鏈的基本單元，而一個區(qū)塊是由雜湊函數(shù)驅(qū)動的分布式存儲結(jié)構(gòu)，即區(qū)塊體。在初始的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)中，交易存儲在每一個分布式存儲器中，通過默克爾-哈希二叉樹進(jìn)行簡化。哈希是一個存儲地址的簡報算法，可以將確定地址中的內(nèi)容進(jìn)行簡化，即簡報（briefing）。

圖1 區(qū)塊的基本原理

區(qū)塊頭中記錄的交易時間戳等信息，代表著區(qū)塊鏈中上下區(qū)塊的連接地址。

區(qū)塊鏈通過信息交互和分布式存儲的巧妙結(jié)合，形成了安全、快捷的交易機制。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

比特幣的挖礦模式存在諸多問題：一是資源的浪費，挖礦可能帶來較高的電能消耗，不利于節(jié)能降耗；二是全球區(qū)塊鏈的維護(hù)需要很高的算力代價，系統(tǒng)優(yōu)化不足，帶來的消費比較低。針對這些問題，應(yīng)該對比特幣為代表的的區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行揚棄。

區(qū)塊鏈技術(shù)與其他新興技術(shù)的融合成為發(fā)展的一大趨勢。技術(shù)融合形成優(yōu)勢互補，形成合力。改進(jìn)后的區(qū)塊鏈技術(shù)可以通過博弈、拍賣、投標(biāo)等方式完成交易。

區(qū)塊鏈可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈等形式。比特幣的形式即是公有鏈。聯(lián)盟鏈?zhǔn)蔷哂幸欢ㄈ腈湕l件的區(qū)塊鏈，適用于企業(yè)場景。我國應(yīng)用區(qū)塊鏈的主要思路是剝離比特幣的數(shù)字貨幣屬性，而應(yīng)用區(qū)塊鏈的分布式存儲、計算技術(shù)。區(qū)塊鏈的去中心化特點，適于描述多主體參與的決策、交易的問題。未來，對于以企業(yè)為主的主流經(jīng)濟形式來說，聯(lián)盟鏈將迎來較大的發(fā)展。其中的智能合約等功能將使得企業(yè)管理得到較大的數(shù)字化提升。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)源流

物聯(lián)網(wǎng)[27-33]的提出始于MIT教授奧斯丁首次提出的IoT概念，打開了萬物互聯(lián)的理論大門，即物質(zhì)的連接形成的互聯(lián)網(wǎng)，是信息互聯(lián)網(wǎng)的理論深化。物聯(lián)網(wǎng)通過傳統(tǒng)的光纖連接以及新興的WiFi、5G連接，實現(xiàn)物-物數(shù)字相連，擴展了物質(zhì)之間的信息交互、數(shù)字互動和控制交互。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為物質(zhì)的運行分析打開了一扇全新的大門。物質(zhì)-數(shù)字計算機方面，以電力設(shè)備為例，設(shè)備可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)“數(shù)字孿生”，對于重點設(shè)備的運作實現(xiàn)數(shù)字化同步分析預(yù)測，通過先進(jìn)的量測系統(tǒng)（Advanced Metering System, AMS），設(shè)備的物理特性數(shù)據(jù)被全部保留了下來，實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的計算機。

物質(zhì)-物質(zhì)之間也可以通過物聯(lián)網(wǎng)的連接實現(xiàn)設(shè)備實時聯(lián)動，這解決了很多設(shè)備操作的問題，例如設(shè)備的倒閘操作可以通過“三遙”設(shè)備加上設(shè)備物聯(lián)，輔以相關(guān)的安全規(guī)則，實現(xiàn)自動化的倒閘操作。

信息物理社會系統(tǒng)包括的“三域”是物理域、信息域、社會域。其中，物理域包括的能量路由器概念是能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理社會和能源互聯(lián)網(wǎng)的融合點。信息域是電子計算機構(gòu)成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。社會域是包括能量交易等經(jīng)濟活動、社會管理內(nèi)容的場域。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

目前，電網(wǎng)企業(yè)正在探索物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案。一方面是建立大數(shù)據(jù)中心，通過大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)使得物聯(lián)網(wǎng)獲得的海量數(shù)據(jù)得到有效存儲，為大數(shù)據(jù)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、人工智能等數(shù)字技術(shù)的融合發(fā)展和綜合分析提供物質(zhì)條件。二是開展物理設(shè)備場所的出租，電網(wǎng)擁有數(shù)量龐大的設(shè)備及變電站站內(nèi)土地、空間資源，與多種運營商包括電信、衛(wèi)星等形成聯(lián)動經(jīng)營，即多站融合，獲得場地服務(wù)收入。三是布置一定數(shù)量的PMU裝置，即大范圍布置相位感知單元，使得調(diào)度業(yè)務(wù)的能控性、能觀性得到提升，從而提升調(diào)度業(yè)務(wù)的智能化、數(shù)字化水平。布置遠(yuǎn)距離的量測設(shè)備，整合量測資源，形成合力，開展設(shè)備檢修等業(yè)務(wù)。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

3.1 能源互聯(lián)網(wǎng)概念源流

能源互聯(lián)網(wǎng)的提出者之一是《第三次工業(yè)革命》的作者、美國未來學(xué)家杰里米里夫金。它是以第四次工業(yè)革命為大背景的能源革命，目的是實現(xiàn)以新能源為一次能源的能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有能源效率高、能源成本低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)電能、熱能、生物質(zhì)能、天然氣等能源的高效轉(zhuǎn)化和高效互補網(wǎng)絡(luò)。

建設(shè)先進(jìn)的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)成為了電網(wǎng)公司的發(fā)展目標(biāo)之一，可見其概念的重要性。在雙碳背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建需要借助互聯(lián)網(wǎng)的概念，形成能量路由器、多能互補的物理結(jié)構(gòu)，更需要實現(xiàn)數(shù)字化的信息層。通過信息層的構(gòu)建，實現(xiàn)能源的高效調(diào)度、利用。

能源互聯(lián)網(wǎng)離不開無中心網(wǎng)絡(luò)的概念，通過構(gòu)建便捷準(zhǔn)入的微網(wǎng)和分布式能源環(huán)境，降低主網(wǎng)的雙向互動門檻，實現(xiàn)利用民間力量提高電網(wǎng)的清潔程度，可以加快電網(wǎng)的清潔轉(zhuǎn)型。

能源互聯(lián)網(wǎng)的物理層是對現(xiàn)有電氣先進(jìn)技術(shù)的集成，應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，構(gòu)建先進(jìn)的直流配電網(wǎng)絡(luò)和輸電網(wǎng)層面的交直流電網(wǎng)。并且通過信息技術(shù)和能量管理技術(shù)， 將分布式能量采集、儲存裝置和其余能源網(wǎng)絡(luò)連接起來。

3.2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，能源互聯(lián)網(wǎng)仍然在概念和示范階段。未來能源互聯(lián)網(wǎng)將在“互聯(lián)網(wǎng)+”行動中提高信息化水平，通過先進(jìn)的電氣設(shè)備的連接和高效能源路由器的研發(fā)，使得能源互聯(lián)成為可能。

4 基于技術(shù)融合的物聯(lián)網(wǎng)條件下能源互聯(lián)網(wǎng)中區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用

4.1 技術(shù)融合模型構(gòu)建

將區(qū)塊鏈技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合分析。能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是底層應(yīng)用技術(shù)，主要作為能源經(jīng)濟生產(chǎn)的主要載體；而區(qū)塊鏈技術(shù)主要是作用于交易操作，所以可以作為價值層的數(shù)字構(gòu)架。物聯(lián)網(wǎng)可以作為二者之間的物理橋梁。技術(shù)融合模型如圖2所示。

圖2 技術(shù)融合模型

4.2 技術(shù)融合模型實現(xiàn)

三層物聯(lián)網(wǎng)條件下的能源互聯(lián)網(wǎng)如圖3所示。區(qū)塊鏈作為價值層即運營處理層的主要架構(gòu)形式完成能源互聯(lián)網(wǎng)的交易。而物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層作為底層物理設(shè)備的信息互聯(lián)物理結(jié)構(gòu)支撐價值層和物理層之間的交互連接。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)條件下的能源互聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)

4.3 物聯(lián)網(wǎng)條件下區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析

首先，物聯(lián)網(wǎng)條件下，設(shè)備層級的連接將變得比較發(fā)達(dá)，設(shè)備數(shù)據(jù)將存儲得較為充分。區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P特性可以得到充分發(fā)揮。

基于智能合約[34-39]技術(shù)，端到端交易成為可能。設(shè)備物聯(lián)使得小生產(chǎn)者之間可以直接交易。一家光伏發(fā)電單位可以直接與另外一家儲能單位交易，或者直接給電動汽車充電。由此，電網(wǎng)的電力高速作用將被激活，消除信息不對稱，使得區(qū)域的電力市場變得更透明，這也將有利于經(jīng)濟的發(fā)展。

理想條件下的能源互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)銷者模式可以有效推動能源的高效生產(chǎn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使能源設(shè)備整合成為可能，有助于形成“虛擬電廠”等概念，提高能源系統(tǒng)的效率和效能。區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效解決這一構(gòu)想下的機制檢驗、交易保存等問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)可以在物聯(lián)網(wǎng)條件下，激勵能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。同時也能夠提高能源互聯(lián)網(wǎng)管理方的管理水平，包括供應(yīng)鏈管理、審計財務(wù)、辦公管理等，提高管理的辦公效率，降低不同主體之間信任構(gòu)建的成本。

此外，利用區(qū)塊鏈在金融界的良好應(yīng)用經(jīng)驗，也可以為能源互聯(lián)網(wǎng)用戶提供金融服務(wù)[40-46]，提高能源互聯(lián)網(wǎng)中參與者的社會服務(wù)水平。

5 結(jié) 語

區(qū)塊鏈加物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)路線將會在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中起到更重要的作用。區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被工程界的廣泛接受，使得區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的軟硬件信息技術(shù)將被迅速應(yīng)用到實際工程中來。