基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站管理系統(tǒng)

張淇昶，任 杰

（1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710061；2.高通無線通信技術(shù)（中國）有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進的計算機技術(shù)發(fā)展迅猛，已有光伏電站借助于這些技術(shù)使得管理方式更加智能化、自動化和信息化。智能光伏電站能源管理系統(tǒng)的構(gòu)建能夠有效地提高光伏電站的管理效率和效益，保障電站的安全穩(wěn)定運行。但是隨著光伏電站建設(shè)范圍和規(guī)模的不斷擴大，智能光伏電站能源管理系統(tǒng)涉及越來越多的設(shè)備、數(shù)據(jù)和交易，進而導(dǎo)致其在設(shè)備可靠性、數(shù)據(jù)安全性和準(zhǔn)確性、交易公正性和透明性等方面容易出現(xiàn)信任問題[1-3]。因此需要建立一種可靠的信任機制來確保數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，以及交易的公正性和透明性，避免因數(shù)據(jù)泄露和損壞等原因引起系統(tǒng)癱瘓、業(yè)務(wù)中斷等嚴(yán)重問題。鑒于此，本文嘗試建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站管理系統(tǒng)，以解決以往光伏管理智能系統(tǒng)中潛在的信任問題。文中主要利用區(qū)塊鏈技術(shù)的非對稱加密技術(shù)、智能合約、分布式賬本技術(shù)，實現(xiàn)光伏電站管理系統(tǒng)的去中心化和數(shù)據(jù)不可篡改，使系統(tǒng)擁有了有效的風(fēng)險管理機制，從而盡可能地保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，保障系統(tǒng)各項交易的真實性、可追溯性和安全性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理和應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由一系列按時間順序排列的區(qū)塊組成，這些區(qū)塊使用密碼學(xué)方式進行安全鏈接和驗證，使得數(shù)據(jù)難以被篡改，并且具有去中心化的特性[4-6]。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每一個節(jié)點都保存了整個區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)副本，如果某一節(jié)點的數(shù)據(jù)被篡改，其他節(jié)點將會發(fā)現(xiàn)這一更改并將其視為無效。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一種高度安全、去中心化的數(shù)據(jù)存儲和傳輸方式，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，保證交易的真實性、可追溯性，可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如金融、醫(yī)療、版權(quán)保護等對數(shù)據(jù)安全性或交易透明性要求非常嚴(yán)格的領(lǐng)域[7-9]。區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)塊結(jié)構(gòu)

去中心化是區(qū)塊鏈的核心特性。構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)，可以將交易信息存儲在所有參與的節(jié)點上，并且任一節(jié)點都不會擁有特殊的權(quán)利和地位，任何一個節(jié)點的交易信息都不能被篡改而是會永久保留。在智能光伏電站能源管理系統(tǒng)中，為參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的逆變器、光伏環(huán)境和電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等配置唯一的設(shè)備節(jié)點，同時配置IP地址、端口號、節(jié)點名稱等節(jié)點參數(shù)。如果某些節(jié)點或參與者存在欺詐或不當(dāng)行為，其他節(jié)點將會發(fā)現(xiàn)這一更改并將其視為無效，從而保證系統(tǒng)的整體運行。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化機制能夠有效地消除傳統(tǒng)光伏電站管理系統(tǒng)中的中心化信任風(fēng)險，進而確保系統(tǒng)各項交易的公正和透明。

區(qū)塊鏈通過分布式存儲、時間戳和哈希算法保證了數(shù)據(jù)的不可篡改特性，一旦寫入數(shù)據(jù)，就不能修改和刪除，而是會一直保留。智能光伏電站能源管理系統(tǒng)涉及大量環(huán)境、設(shè)備和發(fā)電數(shù)據(jù)的采集、分析和存儲，一旦篡改數(shù)據(jù)，將會影響整個電站系統(tǒng)的正常運行。因此可以在電站系統(tǒng)的每個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都存儲光伏電站數(shù)據(jù)的完整副本，實現(xiàn)整個電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的去中心化存儲，這樣一來就不存在單點故障，也沒有單點可攻擊以篡改數(shù)據(jù)；令每個區(qū)塊都包含時間戳，任何篡改歷史記錄的行為都將被檢測出來；同時，每個區(qū)塊都包含前一個區(qū)塊的哈希值，這樣就鏈接了區(qū)塊并確定了區(qū)塊順序。如果對任一區(qū)塊的數(shù)據(jù)進行篡改，該區(qū)塊的哈希值也會改變，從而打破區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)與共識。區(qū)塊鏈技術(shù)通過分布式存儲、非對稱加密等技術(shù)，使得在系統(tǒng)中需要認(rèn)證和授權(quán)才能進行交互和交易，從而保證數(shù)據(jù)來源真實、全網(wǎng)一致、存儲安全。

綜上，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智能光伏電站管理系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)光伏發(fā)電能源數(shù)據(jù)的安全記錄和存儲，包括能源的生產(chǎn)、消耗、交易等信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和透明管理，這有助于光伏能源企業(yè)深入地進行數(shù)據(jù)分析和挖掘，進一步優(yōu)化光伏發(fā)電能源的生產(chǎn)和管理；可以實現(xiàn)光伏發(fā)電能源交易的自動化和實時結(jié)算，減少人為干預(yù)和操作失誤，提高交易效率和安全性；還可以實現(xiàn)光伏發(fā)電能源供應(yīng)鏈的透明化和智能化管理，跟蹤電力能源的生產(chǎn)、交易等全過程，提高供應(yīng)鏈的可靠性和安全性。另外，利用區(qū)塊鏈技術(shù)還可以實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，使得原本獨立的分布式和集中式光伏系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，促進光伏發(fā)電等新能源的高效利用和快速發(fā)展。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

考慮到光伏電站的能源數(shù)據(jù)具有實時性強、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)價值高等方面的特點，以及其在數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、安全等方面的較高需求，搭建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：主要負(fù)責(zé)光伏電站數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲，同時還要保證數(shù)據(jù)的安全性和可信度。通過各種傳感器設(shè)備采集光伏組件、逆變器、控制器和蓄電池等設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、發(fā)電數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)存儲采用分布式存儲，允許區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的參與者一起存儲和維護數(shù)據(jù)，并且不允許修改和刪除，以此來保證各項數(shù)據(jù)的真實、安全和隱私。

共識層：主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識機制，包括選擇合適的共識算法、確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等，實現(xiàn)系統(tǒng)中光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的共識和驗證。在本系統(tǒng)中，采用了POET共識算法[10]，該算法可以省去大量運算，只須共識節(jié)點在安全區(qū)內(nèi)生成一個隨機數(shù)作為等待時間，先完成等待的共識節(jié)點會在安全區(qū)內(nèi)生成區(qū)塊打包權(quán)證書，交付區(qū)塊鏈驗證后獲得該區(qū)塊的打包權(quán)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

智能合約層：主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)自動執(zhí)行合約內(nèi)容、記錄合約執(zhí)行結(jié)果等功能。在本系統(tǒng)中，采用智能合約自動化地管理光伏設(shè)備的狀態(tài)、控制光伏設(shè)備和管理系統(tǒng)的運行，實時監(jiān)測和記錄光伏電站的發(fā)電功率、電網(wǎng)功率、用電功率等數(shù)據(jù)，以及所在區(qū)域的實時天氣、實時發(fā)電參數(shù)、發(fā)電歷史、電池監(jiān)測、巡檢與運維工單等信息，對電站的發(fā)電量、設(shè)備運行情況、電站負(fù)荷等信息進行智能化分析和管理；系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則自動執(zhí)行相應(yīng)的操作，如自動調(diào)整光伏板的角度、開關(guān)設(shè)備、故障修復(fù)等。同時，系統(tǒng)還支持用戶根據(jù)電站的具體情況自定義智能合約，以滿足自身的業(yè)務(wù)需求。

應(yīng)用層：主要負(fù)責(zé)為用戶提供包括數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等功能的接口和服務(wù)。具體功能包括：用戶管理功能，包括電站管理用戶登錄、權(quán)限管理、查看操作記錄等；數(shù)據(jù)分析和處理功能，對電站的各項數(shù)據(jù)和信息進行統(tǒng)計、分析和處理，提供相應(yīng)的報告和建議；報警和通知功能，對電站的異常情況進行及時報警和通知，以便用戶及時處理和解決；設(shè)備管理功能，包括光伏設(shè)備信息維護、設(shè)備故障報修、設(shè)備維修記錄等；任務(wù)管理功能，包括任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)分配、任務(wù)跟蹤等，以便用戶對電站的日常運維進行管理。應(yīng)用層提供了簡單易用的界面和操作方式，降低了用戶的學(xué)習(xí)成本和使用難度，以較快的速度提高了用戶的使用體驗。

跨鏈交互層：主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的跨鏈交互，包括數(shù)據(jù)交換、合約調(diào)用等。系統(tǒng)采用跨鏈協(xié)議和橋接技術(shù)，識別和適配不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的交互和價值交換，包括身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)驗證、價值交換等方面的互通。該層設(shè)計考慮到了不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、價值交換方式等方面的差異，實現(xiàn)跨鏈交互的安全、可靠和高效。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖3所示。其中最重要的是在以往的智能光伏電站能源管理系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上重點考慮了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的布置。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)硬件是系統(tǒng)的核心部分，包括多個運行區(qū)塊鏈軟件的設(shè)備節(jié)點和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，其中使用了一些具有強大計算能力和存儲能力的服務(wù)器和設(shè)備作為節(jié)點，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。先對系統(tǒng)進行初始化操作，包括系統(tǒng)設(shè)備初始化、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建等；系統(tǒng)通過各種傳感器硬件采集環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)和發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上；通過區(qū)塊鏈技術(shù)，為數(shù)據(jù)分配獨立的ID，并進行加密簽名，進而對采集的數(shù)據(jù)進行驗證和存儲?；趨^(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)，運行設(shè)備和能源管理子程序，例如設(shè)備和能源監(jiān)控、能源調(diào)度、能源交易等，使用智能合約，自動執(zhí)行設(shè)備和能源管理的操作，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)或能源數(shù)據(jù)異常時，執(zhí)行自動報警操作。利用ECharts將環(huán)境參數(shù)、光伏設(shè)備狀態(tài)、發(fā)電數(shù)據(jù)等生成用戶個性化定制的可視化圖表，并展示在可視化大屏、電腦端、移動端等監(jiān)控設(shè)備上供用戶查看。除上述流程之外，還會定期進行系統(tǒng)的維護和更新，包括硬件和軟件的維護、升級等。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

3 結(jié) 語

為了最大可能地降低智能光伏電站能源管理系統(tǒng)中存在的信任風(fēng)險，本文提出構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用非對稱加密算法來確保數(shù)據(jù)的真實和可信；采用分布式賬本技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互操作性，同時確保數(shù)據(jù)的真實性和可信度；采用智能合約技術(shù)，對系統(tǒng)和電站設(shè)備進行自動化管理和操作，減少人為控制容易產(chǎn)生的失誤?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的智能光伏電站能源管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲和共享、自動化交易執(zhí)行、分布式控制等功能，有助于提高光伏電站的運行效率和安全性，降低光伏能源管理成本，促進可再生能源的發(fā)展。