智慧園區(qū)能源管理平臺(tái)及能源區(qū)塊鏈研究

摘 要：針對(duì)園區(qū)、工廠等在能源管理中普遍存在的信息孤島、數(shù)據(jù)不可溯源等問(wèn)題，面向市場(chǎng)交易開(kāi)發(fā)了低碳數(shù)智化園區(qū)能源管理平臺(tái)，給出了智慧園區(qū)能源管理平臺(tái)架構(gòu)和園區(qū)能源管理數(shù)據(jù)中臺(tái)開(kāi)發(fā)部署方案。呈現(xiàn)出園區(qū)能源區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)架構(gòu)和開(kāi)發(fā)思路，創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)了園區(qū)能源區(qū)塊鏈的交易流程，為能源交易、碳交易、需求響應(yīng)等場(chǎng)景提供了技術(shù)和平臺(tái)支撐。

關(guān)鍵詞：智慧園區(qū); 能源管理; 區(qū)塊鏈; 能源交易; 碳交易

中圖分類(lèi)號(hào)： TU855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1674-8417（2024）11-0007-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.002

0 引 言

在當(dāng)今全球氣候變化和能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，推動(dòng)低碳發(fā)展已成為當(dāng)務(wù)之急。園區(qū)作為承載地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要企業(yè)聚集地，是能源消耗的重要場(chǎng)所［1］。園區(qū)主要以電能作為主要能源系統(tǒng)。而受我國(guó)電能生產(chǎn)現(xiàn)狀所限，2020年采用電網(wǎng)供電的園區(qū)67.8%的電力供應(yīng)依然是化石能源，園區(qū)已經(jīng)成為重要的碳排放載體。

隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)的不斷追求，智慧能源管理系統(tǒng)成為了城市能源管理的重要手段［2］。傳統(tǒng)智慧能源管理系統(tǒng)在智能管控方面仍存在一些不足之處，部分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)不夠精確和全面，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確掌握能源的實(shí)際使用情況，難以進(jìn)行有效的分析和優(yōu)化［3］。特別是，面對(duì)市場(chǎng)交易改革，現(xiàn)有能源系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)不可溯源等問(wèn)題，對(duì)園區(qū)層面的能源管理和市場(chǎng)化交易帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

本文面向能源、電力、碳排等領(lǐng)域的市場(chǎng)化交易，開(kāi)發(fā)了低碳數(shù)智化園區(qū)能源管理平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了園區(qū)能源區(qū)塊鏈和交易流程，為能源交易、碳交易、需求響應(yīng)等場(chǎng)景提供了技術(shù)和平臺(tái)支撐，可為市場(chǎng)化環(huán)境下園區(qū)綠色低碳發(fā)展和數(shù)智化轉(zhuǎn)型提供“新質(zhì)生產(chǎn)力”支撐。

1 園區(qū)低碳數(shù)智化能源管理平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 園區(qū)能源管理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

園區(qū)低碳數(shù)智能源管理平臺(tái)是利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智慧園區(qū)各系統(tǒng)的數(shù)字底座，是整個(gè)智慧園區(qū)建設(shè)的心臟和數(shù)據(jù)融通的中樞，起到下聯(lián)設(shè)備和服務(wù)，上撐管理和應(yīng)用的作用。平臺(tái)使用云服務(wù)器部署，極大程度方便了工業(yè)園、商業(yè)建筑、辦公樓等用戶(hù)的使用。同時(shí)平臺(tái)集大數(shù)據(jù)、智能算法等多項(xiàng)高新技術(shù)，采用信息化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，幫助用戶(hù)對(duì)自身能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和用能分析，尋找節(jié)能空間，挖掘節(jié)能潛力，降低能源風(fēng)險(xiǎn)。園區(qū)低碳數(shù)智能源管理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

園區(qū)低碳數(shù)智能源管理平臺(tái)是一個(gè)集智能化、數(shù)字化于一體的先進(jìn)系統(tǒng)，其架構(gòu)主要包括4層。

（1） 應(yīng)用層：是整個(gè)平臺(tái)的核心展示與控制部分。它涵蓋了能源監(jiān)控與管理、數(shù)據(jù)分析與報(bào)表、智能調(diào)度等功能模塊。通過(guò)直觀清晰的界面，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)掌握?qǐng)@區(qū)內(nèi)能源的使用情況，進(jìn)行精細(xì)化的管理和決策。

（2） 傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，確保計(jì)量?jī)x表及設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到應(yīng)用層。這一中間環(huán)節(jié)如同能源數(shù)據(jù)的“高速公路”，保障了信息的流暢傳遞。

（3） 計(jì)量層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的計(jì)量。包括各種智能電表、水表、氣表等，它們精確地測(cè)量著能源的消耗情況。這些設(shè)備分布在園區(qū)的各個(gè)角落，為平臺(tái)提供了詳盡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4） 設(shè)備層：是數(shù)據(jù)的源頭。包括照明、插座、空調(diào)等，這些設(shè)備產(chǎn)生的能耗數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)高效能源管理提供基礎(chǔ)。

1.2 園區(qū)能源管理數(shù)據(jù)中臺(tái)開(kāi)發(fā)部署方案

園區(qū)能源管理數(shù)據(jù)中臺(tái)是一種集中整合園區(qū)內(nèi)各類(lèi)能源數(shù)據(jù)的平臺(tái)。它收集來(lái)自不同設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)和分析，為園區(qū)能源管理提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和優(yōu)化配置。這種將現(xiàn)代信息技術(shù)與能源管理領(lǐng)域相結(jié)合的創(chuàng)新模式，旨在建立一個(gè)統(tǒng)一的、開(kāi)放的、智能的數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)的集成、挖掘和共享，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源生產(chǎn)、傳輸、分配和使用各環(huán)節(jié)的智能化和高效運(yùn)營(yíng)［4］，解決傳統(tǒng)園區(qū)能源系統(tǒng)存在信息孤島、數(shù)據(jù)來(lái)源分散、系統(tǒng)不互聯(lián)等問(wèn)題，提高園區(qū)能源的管理效能和管理水平，支撐了本文能源管理平臺(tái)大屏展示、能源看板、專(zhuān)項(xiàng)分析以及運(yùn)維管理等應(yīng)用服務(wù)功能。

園區(qū)能源管理數(shù)據(jù)中臺(tái)的部署架構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)中臺(tái)的采集信息來(lái)源主要包括水、電、氣等數(shù)據(jù)，考慮到能源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型存在較大差異，采用本地文件、FTP服務(wù)器或者不同類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存，采集完成后經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街信_(tái)的MongoDB集群。該集群由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，能源數(shù)據(jù)被分布存儲(chǔ)在不同節(jié)點(diǎn)上，提高了數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)效率和系統(tǒng)的可靠性。中臺(tái)運(yùn)維區(qū)的管理人員使用數(shù)據(jù)中臺(tái)處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中臺(tái)采用防火墻實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全隔離，保證中臺(tái)的安全運(yùn)行。數(shù)據(jù)發(fā)布后辦公區(qū)的內(nèi)網(wǎng)用戶(hù)可直接使用，對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。

2 園區(qū)能源區(qū)塊鏈架構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是系列技術(shù)的集成，是包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)字貨幣、非對(duì)稱(chēng)加密算法等多項(xiàng)技術(shù)以特定方式組合后形成的一種去中心化的數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)體系。區(qū)塊鏈技術(shù)工作原理示意圖如圖3所示。

2.2 園區(qū)能源區(qū)塊鏈的架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文將園區(qū)能源管理相關(guān)數(shù)據(jù)加載到區(qū)塊鏈上，區(qū)塊鏈技術(shù)將用于創(chuàng)建一個(gè)不可改變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中記錄的用電數(shù)據(jù)和傳輸?shù)较到y(tǒng)的電力數(shù)據(jù)不能被篡改，保護(hù)傳輸?shù)街悄茈娋W(wǎng)系統(tǒng)的用電數(shù)據(jù)安全。本文面向電力交易，引入智能合約，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中形成可溯源的交易數(shù)據(jù)，智能合約將被用來(lái)設(shè)定電力用戶(hù)和電力公司之間的付費(fèi)規(guī)則，如用戶(hù)需求響應(yīng)等規(guī)則，實(shí)現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的可溯源和可信性，為園區(qū)級(jí)電力交易提供了支撐。基于區(qū)塊鏈的園區(qū)能源管理系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖4所示。

（1） 用戶(hù)層：用戶(hù)層為園區(qū)內(nèi)的用能實(shí)體，用能實(shí)體可以是家庭、辦公建筑、學(xué)校、醫(yī)院、公司等用戶(hù)，這些實(shí)體從給定的電力公司獲取電力。該層與智能電網(wǎng)上的注冊(cè)和認(rèn)證層直接接口，允許用戶(hù)注冊(cè)成為系統(tǒng)的一部分。用戶(hù)通過(guò)訪問(wèn)該界面注冊(cè)系統(tǒng)，并提供必要的信息。這些信息被提交到智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并在注冊(cè)和認(rèn)證層接收和處理。

（2） 注冊(cè)認(rèn)證層：該層由注冊(cè)程序和認(rèn)證程序組成。在系統(tǒng)上注冊(cè)的用戶(hù)的數(shù)據(jù)首先由驗(yàn)證程序接收。處理請(qǐng)求并為用戶(hù)生成唯一的ID。這個(gè)唯一的ID標(biāo)識(shí)系統(tǒng)上的每個(gè)用戶(hù)。每當(dāng)用戶(hù)登錄到系統(tǒng)時(shí)，驗(yàn)證程序就會(huì)使用這個(gè)唯一的ID對(duì)用戶(hù)進(jìn)行身份驗(yàn)證。在注冊(cè)與認(rèn)證層中的智能合約被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)中可能存在的異常情況。在此系統(tǒng)上生成的智能合約已嵌入加密密鑰，這使得合約能夠加密激活操作生成的報(bào)告。

（3） 智能合約中心：是主權(quán)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)告異常狀態(tài)以及生成響應(yīng)動(dòng)作的中心，智能合約數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用戶(hù)和電力公司之間約定的在違反智能合約規(guī)則時(shí)要執(zhí)行的操作列表，它還存儲(chǔ)每個(gè)操作的日志，從而在需要時(shí)為責(zé)任和審計(jì)提供一致的數(shù)據(jù)。

（4） 數(shù)據(jù)中心：數(shù)據(jù)中心直接與處理和監(jiān)控層交互，接收處理到主權(quán)區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)副本，并存儲(chǔ)用于滿(mǎn)足負(fù)荷預(yù)測(cè)或電力營(yíng)銷(xiāo)的業(yè)務(wù)需求。

電力公司直接與數(shù)據(jù)處理和監(jiān)視層接口，并且根據(jù)處理和協(xié)商節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求將配電操作的記錄數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理和監(jiān)視層。最后，根據(jù)每月是否支付電費(fèi)將電能分配給智能電網(wǎng)上的電力用戶(hù)。

3 園區(qū)能源區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)與交易流程設(shè)計(jì)

3.1 園區(qū)能源區(qū)塊鏈的開(kāi)發(fā)

目前的區(qū)塊鏈技術(shù)按照應(yīng)用范圍可簡(jiǎn)單分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈3種類(lèi)型：

（1） 公有鏈所有接入節(jié)點(diǎn)均可參與讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，去中心化程度高;

（2） 私有鏈主要是應(yīng)用于一個(gè)組織內(nèi)部，沒(méi)有去中心化，僅獲授權(quán)的節(jié)點(diǎn)才可接入;

（3） 聯(lián)盟鏈介于公有鏈與私有鏈之間，具有部分去中心化開(kāi)放一定權(quán)限等特點(diǎn)，兼顧公有鏈的去中心化和私有鏈的高效性。

每種區(qū)塊鏈類(lèi)型都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，因此在選擇能源區(qū)塊鏈的開(kāi)發(fā)類(lèi)型時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素［5］。

鑒于園區(qū)能源管理系統(tǒng)的規(guī)模，本文研究構(gòu)建的能源區(qū)塊鏈平臺(tái)以聯(lián)盟鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)能源區(qū)塊鏈平臺(tái)采用的共識(shí)機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶(hù)需要采用實(shí)名認(rèn)證的方式，經(jīng)過(guò)審核之后才能進(jìn)入能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的電能交易。由于能源區(qū)塊鏈的參與節(jié)點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)小于公有鏈，所以采用隨機(jī)選擇的共識(shí)機(jī)制來(lái)選擇記賬人，避免了公有鏈中工作量證明共識(shí)機(jī)制造成的算力浪費(fèi)，并提高了系統(tǒng)的效率。

能源區(qū)塊鏈中每個(gè)區(qū)塊包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩個(gè)部分，區(qū)塊頭部分封裝了上一個(gè)區(qū)塊的哈希（Hash）值（通過(guò)特定算法生成的唯一數(shù)值標(biāo)識(shí)，用于確保單個(gè)數(shù)據(jù)塊的完整性）、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)和Merkle根（一種在區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)驗(yàn)證中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可驗(yàn)證整個(gè)數(shù)據(jù)集的完整性）等數(shù)據(jù)，用來(lái)保證能源區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)以及交易數(shù)據(jù)的不可篡改性;區(qū)塊體中封裝了能源交易、碳交易、需求響應(yīng)等產(chǎn)生的各種交易數(shù)據(jù)，通過(guò)哈希函數(shù)生成Merkle根，再保存到區(qū)塊頭中，保證了數(shù)據(jù)的不可篡改、可追溯等特性。園區(qū)能源區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)思路如圖5所示。

3.2 基于園區(qū)能源區(qū)塊鏈的交易流程設(shè)計(jì)

能源區(qū)塊鏈以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，能源數(shù)據(jù)上鏈保障了數(shù)據(jù)的可溯源性［5］?；诒疚拈_(kāi)發(fā)的園區(qū)能源區(qū)塊鏈，給出了園區(qū)能源區(qū)塊鏈交易流程。園區(qū)能源區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)思路如圖6所示。能源交易商首先申請(qǐng)進(jìn)入園區(qū)能源區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)，然后進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，通過(guò)認(rèn)證后方能發(fā)起能源交易，選擇或判斷能源交易、碳交易、需求響應(yīng)等交易模式。當(dāng)其他用戶(hù)響應(yīng)交易，并確認(rèn)后將生成交易數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)隨機(jī)選擇記賬人對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行打包生成新區(qū)塊，接著新生成的區(qū)塊將被廣播給其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)將確認(rèn)新區(qū)塊中的交易信息，待確認(rèn)無(wú)誤后新區(qū)塊上鏈，本輪交易結(jié)束。如果進(jìn)入下一輪交易，則其基本步驟與之前一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

園區(qū)低碳數(shù)智能源管理平臺(tái)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，本文開(kāi)發(fā)了智慧園區(qū)能源管理平臺(tái)架構(gòu)，給出了園區(qū)能源管理數(shù)據(jù)中臺(tái)開(kāi)發(fā)部署方案，平臺(tái)可利用先進(jìn)的數(shù)字化和智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控和能源管理，為園區(qū)能源管理科學(xué)決策提供有力依據(jù)，并已在多個(gè)示范項(xiàng)目應(yīng)用。

在現(xiàn)有智慧園區(qū)數(shù)智能源管理平臺(tái)基礎(chǔ)上，本文面向市場(chǎng)交易，提出了園區(qū)能源區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)架構(gòu)，給出了園區(qū)能源區(qū)塊鏈交易流程，可為能源交易、碳交易、需求響應(yīng)等場(chǎng)景提供技術(shù)和平臺(tái)支撐。

［1］ 吳翠青，王偉，孫志偉.“雙碳”目標(biāo)下園區(qū)（開(kāi)發(fā)區(qū)）能耗效率及低碳發(fā)展路徑研究——以江西省35家園區(qū)（開(kāi)發(fā)區(qū)）為例［J］.價(jià)格月刊，2023（4）：35-40.

［2］ 陳娟，龍德全，賈湘豫.電網(wǎng)與低碳規(guī)劃相結(jié)合的智能能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2023（10）：283-286.

［3］ 古小威，陳科帆.“雙碳”背景下智慧園區(qū)建設(shè)思路探析［J］.通信與信息技術(shù)，2024（3）：83-86.

［4］ 胡賀駿.城鎮(zhèn)小區(qū)用戶(hù)用能數(shù)據(jù)中臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南寧：廣西大學(xué)，2023（6）：4-10.

［5］ 劉吉成，孫嘉康，郭啟蒙.能源區(qū)塊鏈下“光-儲(chǔ)-用”價(jià)值鏈增值效應(yīng)仿真分析［J］.科技管理研究，2022（4）：173-181.

Research on a Market-Oriented Smart Park Energy Management

Platform and Energy Blockchain

Abstract：

In response to the existing problems of information silos and untraceable data in energy management system（EMS） in parks，factories，etc.，this article develops a low-carbon digital intelligent park energy management platform for market trading，which provides the architecture of the smart park energy management platform and EMS data platform;Then，the design architecture and development ideas of the park’s energy blockchain were presented，and the trading process of the park’s energy blockchain was developed，which providing technical and platform support for energy trading，carbon trading，and demand response.

Key words：

smart park; energy management system（EMS）; blockchain; energy trading; carbon trading