物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

朱振洪

（國網(wǎng)浙江余姚市供電有限公司， 浙江 余姚 315400）

0 引言

在產(chǎn)業(yè)升級(jí)與技術(shù)變革的大背景之下，電力企業(yè)需要將區(qū)塊鏈作為自主創(chuàng)新與核心技術(shù)研發(fā)的重要突破口，以推動(dòng)我國電力事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。本項(xiàng)目研究在物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備用電情況實(shí)時(shí)、真實(shí)上傳，建立了新的區(qū)塊鏈運(yùn)行監(jiān)控與數(shù)據(jù)查詢架構(gòu)，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)環(huán)境污染治理以及電力資源服務(wù)的拓展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)與電力物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)與電力物聯(lián)網(wǎng)的契合點(diǎn)

從電力物聯(lián)網(wǎng)的功能架構(gòu)方面進(jìn)行分析，大致可分成如下四層架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層與應(yīng)用層。其中，感知層主要是信息收集，網(wǎng)絡(luò)層主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，平臺(tái)層是對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，應(yīng)用層則主要是挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值。上述結(jié)構(gòu)框架與區(qū)塊鏈技術(shù)的功能框架（即區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層以及應(yīng)用層[1]），具有很高的相似度。

此外，在應(yīng)用場(chǎng)景上，電力物聯(lián)網(wǎng)也與區(qū)塊鏈技術(shù)有著諸多契合點(diǎn)。電力物聯(lián)網(wǎng)屬于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)范疇，即對(duì)應(yīng)的是私有鏈（對(duì)內(nèi)業(yè)務(wù)）與聯(lián)盟鏈（對(duì)外業(yè)務(wù)）的應(yīng)用環(huán)境。通過應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，能夠在很大程度上提升電力物聯(lián)網(wǎng)的資源匯集能力，促進(jìn)電力物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)與發(fā)展。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的挑戰(zhàn)

1.2.1 可信數(shù)據(jù)上鏈帶來的挑戰(zhàn)

從區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)機(jī)制來看，雖然鏈上的數(shù)據(jù)有著很強(qiáng)的可信度，但是，要將數(shù)據(jù)從鏈下轉(zhuǎn)移到鏈上，卻要借助很多新的技術(shù)。如需要對(duì)多方數(shù)據(jù)進(jìn)行審計(jì)，利用一系列可信的計(jì)算硬件、多方公信來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)等。在電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過程中，由于存在專網(wǎng)傳輸?shù)奶匦裕虼?，需要很多?jì)量設(shè)備共同完成對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并被不同專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量，這樣就造成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)彼此之間呈現(xiàn)弱耦合、弱關(guān)聯(lián)，難以對(duì)某一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)造假或錯(cuò)誤情況進(jìn)行有效識(shí)別[2]。

1.2.2 面向用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)模式設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用會(huì)對(duì)原有業(yè)務(wù)模式產(chǎn)生極大的沖擊，需要探索新的業(yè)務(wù)模式，并積極創(chuàng)新新的增量市場(chǎng)，這對(duì)于電力物聯(lián)網(wǎng)中區(qū)塊鏈技術(shù)的有效運(yùn)用與落地是十分重要的，也是未來發(fā)展的主要方向。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 項(xiàng)目研究背景與意義

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境之下，電力企業(yè)擁有從建筑、設(shè)備、人員到客戶、品牌、技術(shù)等豐富的資源，充分利用這些資源，可以為電力企業(yè)帶來巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)回報(bào)，并為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的用電服務(wù)。但現(xiàn)階段，大多數(shù)的電力資產(chǎn)處于閑置狀態(tài)，多數(shù)資源甚至還處于原始狀態(tài)，沒被挖掘出真正的利用價(jià)值，這對(duì)電力企業(yè)來說，是莫大的損失，也是一種浪費(fèi)。

本項(xiàng)目基于現(xiàn)有的電力資源，通過共享服務(wù)運(yùn)營模式上的創(chuàng)新，將電力服務(wù)與政府需求、企業(yè)需求、公共需求相結(jié)合，以提高供電公司資產(chǎn)利用率，盤活存量資產(chǎn)利用價(jià)值，不斷挖掘公司資源經(jīng)營管理效益，提升用電客戶服務(wù)質(zhì)量，牢固樹立國網(wǎng)公司創(chuàng)新進(jìn)取的企業(yè)形象，同時(shí)也為電力企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)利益。

2.2 主要研究內(nèi)容

為響應(yīng)政府?dāng)?shù)字化改革號(hào)召，確保國網(wǎng)戰(zhàn)略落地實(shí)施，發(fā)揮電力公司資源優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目利用電能監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等技術(shù)手段，結(jié)合用戶側(cè)配電房運(yùn)維等相關(guān)業(yè)務(wù)，將電力資源服務(wù)與政府部門的社會(huì)治理工作相結(jié)合，為政府部門、生產(chǎn)企業(yè)和其他用戶提供拓展服務(wù)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及架構(gòu)

2.3.1 總體設(shè)計(jì)原則

為滿足資源共享服務(wù)需求的電力基礎(chǔ)設(shè)施改造，整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)過程要確保系統(tǒng)的統(tǒng)一性、先進(jìn)性、可靠性和安全性。

1）統(tǒng)一性原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“四統(tǒng)一原則”，即統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一建設(shè)的原則。在按照國網(wǎng)公司區(qū)塊鏈整體規(guī)劃的指導(dǎo)下進(jìn)行，符合公司整體要求[3]。

2）先進(jìn)性原則。確保平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性、技術(shù)路線先進(jìn)性、測(cè)試技術(shù)先進(jìn)性以及組件選擇先進(jìn)性。

3）安全、可靠性原則。系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的安全防護(hù)、容錯(cuò)能力和抗干擾能力，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、安全、可靠、高效地運(yùn)行。

2.3.2 結(jié)構(gòu)與框架設(shè)計(jì)

項(xiàng)目通過在污染企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)備上安裝電能監(jiān)測(cè)裝置，利用物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，將兩類設(shè)備的用電情況實(shí)時(shí)、真實(shí)地上傳，并進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)兩者負(fù)荷情況與環(huán)保排放要求不匹配時(shí)，將異常狀況通知給環(huán)保監(jiān)管部門、企業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)情況的全天候、全過程監(jiān)控，如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2.3.2.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

項(xiàng)目通過預(yù)言機(jī)（區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)）實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量數(shù)據(jù)安全可信采集，基于云服務(wù)平臺(tái)的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施，將數(shù)據(jù)發(fā)布到基于區(qū)塊鏈的環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)，將應(yīng)用服務(wù)分別傳遞至測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)及綜合展示層上，開展計(jì)量管理、計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)量預(yù)警分析等業(yè)務(wù)的應(yīng)用及測(cè)試，業(yè)務(wù)架構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖

2.3.2.2 應(yīng)用架構(gòu)

預(yù)言機(jī)即部署于企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)，適配排污計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)平臺(tái)。在云服務(wù)平臺(tái)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的部署，系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，滿足使用需求。應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)將業(yè)務(wù)服務(wù)接口推送給綜合展現(xiàn)層，將應(yīng)用結(jié)果以可視化形式進(jìn)行展現(xiàn)，完成能源領(lǐng)域應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用，支撐環(huán)?？尚疟O(jiān)控等典型應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3.2.3 技術(shù)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)的部署與實(shí)施，從邏輯上可劃分為如下四大層次：展現(xiàn)層、應(yīng)用服務(wù)層、區(qū)塊鏈技術(shù)服務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖3 所示。

圖3 技術(shù)架構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化，通過預(yù)言機(jī)采用JDBC 方式實(shí)現(xiàn)企業(yè)用電數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)上傳給區(qū)塊鏈服務(wù)層。區(qū)塊鏈服務(wù)層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯、算法等后臺(tái)功能，生成符合不同業(yè)務(wù)的合約。實(shí)現(xiàn)支撐組件間的通訊，保證節(jié)點(diǎn)間共識(shí)的正常進(jìn)行、支撐全過程的系統(tǒng)監(jiān)控、支撐物理設(shè)備的可信接入，與技術(shù)支撐層之間采用Java 進(jìn)程間調(diào)用，與數(shù)據(jù)資源層之間采用JDBC 方式，節(jié)點(diǎn)間通過RPC 連接通信。應(yīng)用服務(wù)層提供區(qū)塊鏈技術(shù)服務(wù)API 接口，完成展現(xiàn)與區(qū)塊鏈平臺(tái)后臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)接，依賴區(qū)塊鏈技術(shù)服務(wù)層。展現(xiàn)層接受用戶輸入、顯示客戶界面，并向協(xié)作層發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程控制，可對(duì)外提供公用接口、對(duì)外提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)。

2.3.2.4 數(shù)據(jù)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)的可信監(jiān)控應(yīng)用組件概念數(shù)據(jù)模型，可以概括為企業(yè)排污設(shè)備、治污設(shè)備的用電數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和用戶信息等概念域模型。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)提供能源計(jì)量數(shù)據(jù)的上鏈存儲(chǔ)服務(wù)，將產(chǎn)生的計(jì)量數(shù)據(jù)通過云服務(wù)平臺(tái)的區(qū)塊鏈執(zhí)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)。用戶數(shù)據(jù)為普通用戶使用區(qū)塊鏈系統(tǒng)功能提供服務(wù)，用戶在系統(tǒng)注冊(cè)后，會(huì)以賬戶的形式參與環(huán)保監(jiān)控管控等業(yè)務(wù)，并可以針對(duì)使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行意見提報(bào)。業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)平臺(tái)綜合展示層調(diào)用應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)提供的接口服務(wù)，通過計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)量預(yù)警分析和計(jì)量管理等業(yè)務(wù)信息，實(shí)例化智能合約，保證業(yè)務(wù)自動(dòng)化觸發(fā)執(zhí)行。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用預(yù)期帶來的價(jià)值與收益

2.4.1 社會(huì)收益

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)項(xiàng)目的運(yùn)用，對(duì)于美好城市的建設(shè)、和諧社會(huì)的構(gòu)建、自然環(huán)境的保護(hù)以及人體的健康都能產(chǎn)生十分積極的影響，有利于促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境建設(shè)的同步發(fā)展。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

1）應(yīng)用此項(xiàng)目能夠?qū)ζ髽I(yè)污染行為進(jìn)行日常監(jiān)控，并對(duì)突發(fā)事件快速預(yù)警，對(duì)于保障地區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人居環(huán)境的改善等都有著極大的推動(dòng)作用。

2）依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)，有效完成了“人控”到“技控”的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的計(jì)劃監(jiān)察轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)監(jiān)察，提升了基層環(huán)保監(jiān)管效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轄區(qū)企業(yè)監(jiān)管的全覆蓋，解決了當(dāng)前低碳環(huán)保要求下污染源企業(yè)監(jiān)管難的問題。

3）實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)“過程+結(jié)果”的全程監(jiān)管，有助于減少“偷排漏排”現(xiàn)象的發(fā)生，加大了源頭防控的力度，對(duì)于環(huán)境質(zhì)量的改善以及基層環(huán)保部門監(jiān)管效果的提升都有著很大幫助。

4）工作人員借助區(qū)塊鏈系統(tǒng)與業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)平臺(tái)，能夠通過對(duì)電力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，完成對(duì)企業(yè)治污數(shù)據(jù)、排污數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，從而構(gòu)建更為精準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)管理體系。通過自動(dòng)化觸發(fā)業(yè)務(wù)并執(zhí)行，對(duì)可疑違規(guī)排污企業(yè)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，精準(zhǔn)溯源，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的具體違規(guī)行為，提高監(jiān)管效率。在基層人員執(zhí)法過程中，能夠利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)做到用事實(shí)說話，對(duì)違規(guī)排放行為起到震懾作用。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)收益

1）用較低的成本實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)“過程+結(jié)果”的全程監(jiān)管。

2）系統(tǒng)的計(jì)量預(yù)警分析服務(wù)，能有效降低企業(yè)生產(chǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，完成對(duì)無意超標(biāo)違法行為的實(shí)時(shí)預(yù)警，提升企業(yè)的環(huán)保管理水平，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3）系統(tǒng)的計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)，能夠?qū)ζ髽I(yè)用能進(jìn)行優(yōu)化，從而幫助企業(yè)減少因過度治理所導(dǎo)致的能源及成本的浪費(fèi)。

4）依托區(qū)塊鏈技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)ζ髽I(yè)排污設(shè)備、治污設(shè)備的用電數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控，從而減少基層人員對(duì)企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查的頻次，提高了環(huán)保部門的工作效率。較少的人手便能完成對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有企業(yè)的監(jiān)控，有效避免因現(xiàn)場(chǎng)檢查對(duì)企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)所造成的干擾，真正實(shí)現(xiàn)了政企雙贏。

3 結(jié)語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到電力環(huán)保應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，能極大地提升原有電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施利用效率，完成區(qū)域性的電力能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與監(jiān)管。同時(shí)，在流程化電力業(yè)務(wù)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，還能有效減少重復(fù)性的工作，提升工作效率。通過對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，挖掘出電力供需間的各種行為模式，基于用戶需求，對(duì)發(fā)電以及用電環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，滿足政府部門、企業(yè)用戶以及電力公司多方的需求。