宋锡强 潘毅 汪萍萍 俞红权 林菲 李可宇

摘 要：新能源的普及和高速发展是时代所趋，基于区块链的智慧能源互联网是多能源融合、信息物理融合和多市场融合的产物，将深刻影响未来的能源生产、传输、存储和消费等环节，促进产能用能的高效化和清洁化。区块链技术在重构能源体系方面有着先天优势，该文分析并选取适用于电能结算的区块链技术，摒弃传统比特币及以太坊的共识算法PoW，采用EOS区块链最新一代DPoS石墨烯共识算法，进行智能微网结算系统的构建，并现场组建智能微网，以此探索“智慧能源+区块链”发展的新模式。

关键词：能源互联网；区块链；智能微网；结算系统

中图分类号：TP273 文献标志码：A

0 引言

能源互联网是服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的能源配置平台，其突出功能是可将风能、太阳能等各种一次能源转化为电能在电网中传输，可以连接各类电源和用户，实现电源和用电资源的优化配置。由于能源行业对用电稳定性有着极高的要求，而且基础建设费用和市场选择专一性高，导致目前光伏电板、风能等新能源相关产业发展受阻，因此需要对其进行高度稳定的数字化交易管理，公平透明的可信任网状媒介，以及可靠精准的直流电测量技术。未来能源互联网中，将存在大量智能发、输、配、用及储能设备，导致系统的复杂性和不确定性剧增，参与主体之间各自独立且没有信任沟通机制，无法保证能源系统的供给和交易等行为自动执行。而区块链技术的出现，使能源互联网在技术层面的实现成为可能，大量发电和用电设备的数据可以进行全网收集、保存并持续追踪更新，同步实现全网资源的统筹调配和优化配置。

1 区块链技术

在参考架构标准中，对区块链的定义为一种在对等网络环境下，通过透明和可信规则，构建不可伪造、不可篡改和可追溯的块链式数据结构，实现和管理事务处理的模式。其中，事务处理包括但不限于可信数据的产生、存取和使用等。区块链的关键特性有不可伪造、数据块链式、分布式对等、防篡改、透明可信、高可靠性等。

区块链本身的技术特色具有重构能源体系的先天优势：1）区块链和能源互联网都是去中心化且自治协同管理的，均不存在统一的管理结构，强调系统的自调度和生态化运行；2）二者都不需要第三方信任机构，目的是建立公平、开放的市场机制；3）二者都具有智能化和合约化的趋势，通过智能合约或“可编程货币”可实现合同或能源交易的自动化。

目前区块链有多种技术，典型的有比特币、以太坊、EOS等，各技术优缺点见表1。

一个面向电能结算的区块链网络，无法采用类似比特币网络所依赖的竞争性“采矿”机制，这主要是因为电能表或终端这样的设备无法驾驭专业化计算机的算力。与此同时，大规模区块鏈矿可能会更容易遭受攻击，并威胁到整个电能采集网络。EOS和以太坊之间，显著的区别是区块链共识机制以及区块链治理方法。以太坊使用的是工作量证明机制（PoW和PoS混合的机制），而EOS使用的是石墨烯技术（DPoS授权股权证明机制）。PoW工作量证明算法会在无意义的Hash值运算上浪费大量算力，是对能源的极大浪费，与绿色、节能的目标背道而驰，而DPoS石墨烯算法通过代理选举的机制，在保证了极好的分布性和安全性的前提下，使得几乎所有算力均用于核心交易的运算上，能源利用效率超过PoW上千倍。此外，一个平台如果想要商业化，那么扩展性极为重要，在扩展性方法上，EOS相对于以太坊有2个显著优势：第一，在压力测试中，EOS依赖的石墨烯技术已能达到每秒10 000～100 000笔交易；第二，EOS将使用并行技术来拓展网络，其处理能力将到达每秒百万笔交易。一旦实现，EOS将成为真正能处理商业级去中心应用的唯一平台。

经上述分析，并考虑到能源行业的特殊性，若要使电能结算在每家每户每kWh或每0.01 kWh都可进行结算，需要摒弃传统比特币以及共识算法PoW，采用最新一代DPoS石墨烯共识算法，基于最新一代的区块链3.0 EOS框架，即利用EOS.IO来实现信云能源互联网的构建，进而实现智能微网结算系统的构建。

2 构建智能微网结算系统

智能微网结算系统采用万物互联的分布式能量自治单元，通过智慧电表将住宅、汽车等各类新能源设备无缝接入分布式电网中，且具有强大的灾害或恶意损坏自治修复能力。系统基于EOS区块链的智能合约部署，可实现用发电和计费的全数字化管理，优化区块链交易效率，并通过优化EOS内核代码降低区块链运力要求，进而降低智能电能表的成本。智能合约开放能力具有高度可扩展性，可市场化自动调节能源单价，实现能源丰盈低单价、能源紧缺高单价等动态调价功能。结算系统结合高精度的直流用电计量检测技术，基于可信智慧电表优化共识机制算法，采用高效的DPoS算法可避免象PoW算法带来的无效损耗，有效降低85 %以上无效运算造成的能量损耗；基于Near-by就近选路供电算法，可有效降低23 %以上的电力传输损耗，且具有自治的高鲁棒体系，可以稳定、高效、安全、自治地管理账户；运用数据分析的用电趋势分析算法，能够自动预判提供发电规划，采用透明公正的弱中心化交易网络，有效降低能源企业间的合作成本。另外，可靠的智能调控方式，可使自适应实时电价调整算法能够有效对冲能源需求的潮汐现象。

2.1 电能表功能需求及系统方案

智能微网结算系统中的每一个智能电能表需要可以连接一个至多个用发电器设施，并可以精确计量设施的用发电量。每个住宅或节点需要一个智能电能表，一个智能电能表代表一个用户、组织或机构，另外用户可获得电量使用报表、用电建议和费用等信息。结算系统采用全节点全分布式方案：

（1）要求智能电能表可运行完整的Ubuntu系统，运行本地Wallet和eosd，且接入互联网。

（2）智能电能表应当可以检测发电和用电电量值，且随之发起POST请求。

（3）智能电能表在统计完用电值进行核销时，应当有能力发起GET和POST请求。

（4）可通过Ubuntu或嵌入式开发实现通过API访问MongoDB，查询最优供电节点。

（5）电气设计可以实现稳定的换路，且不造成明显的电压波动。

（6）智能电能表性能和存储空间应当保留一定的可扩展性。

2.2 系统开发路径

基于EOS框架开发出众多智能合约，象电价实时调整、密钥遗忘异常处理等合约，以此满足能源互联网的功能要求。同时开发电价实时调控、异常情况解决的合约，保证功能的完整性和丰富性：

（1）在智能电能表中安装Linux发行版系统，最佳支持Ubuntu系统。

（2）将EOS和Contract打包编译后，植入智能电能表的Ubuntu系统中。

（3）在Ubuntu系统中运行EOS的eosd组件，并通过eosc确认。

（4）通过eosc配置EOS，连接到主链网。

（5）管理员为该用户注册account，并加入系统中。

（6）此account对应的密钥对通过wallet存储在用户智能电能表本地。

（7）管理员执行合约内规定的初始化action，完成账户初始化。

（8）账户可以正常使用。

2.3 电力支付结算过程

将能源网络与区块链技术结合，建立一个基于区块链系统的可交互微电网平台，平台上每一个绿色能源的生产者和消费者都可以不依赖第三方自由的进行绿色能源直接交易。交易并非凭空进行，而是通过特定设备为虚拟交易提供发电和用电的数据，该设备包括智能电能表的硬件层以及使用区块链智能合约的软件层，从而追踪记录家庭使用的电量情况以及管理邻居之间的电力交易。区塊链支付使交易双方可直接进行数据交互，不涉及中介机构，极大地降低了中心化支付方式的系统风险，突破了互联网价值转移的局限。在没有任何中心化机构审核与背书的情况下，帮助交易参与者解决互信问题，系统中所有节点都能够在去信任的环境下自动安全地交换数据。

3 智能微网结算系统的实施

基于区块链的智能微网现场组网图如图1所示。

图1中，光伏车棚为光伏发电组件，单个车棚发电功率为331 kW，经光伏汇流箱后，由光伏三相逆变器完成并网，接入点为园区配电柜。光伏表为交流智能电能表，上网补贴政策依据此表进行光伏发电补贴。园区内有多个配电分支箱，部署的现场模拟智能微网结算用户中，有2组新能源汽车充电桩，每组为1个60 kW直流充电桩，4个7 kW交流充电桩。2组充电桩用户间接入双向智能电能表，便可在2组充电桩之间进行电费结算。充电桩负载分别配有25 kWh的储能电池柜，且单组放电功率不小于60 kW，充电桩可根据用电成本及充电时间选择光伏用电、电网用电及储能用电3种用电方式。智能微网与电网节点安装有双向智能电能表实现馈网结算，另外，智能微网间的区块链结算通过电网收取过网服务费的形式进行定价。

3.1 结算系统账户类型

运营方：负责虚拟运营网内的用电方、光伏投资人、储能投资人和电网间的结算运营。

电网：提供电力线路、收取国网费用和电网供电的用电费用。

光伏投资人：负责光伏发电设备的投资，收取运营方结算的光伏用电费用。

储能投资人：负责储能设备的投资，收取运营方结算的储能用电费用。

用电方：充电桩、用电设备等最终电力用户，付费给运营方。

基于区块链技术的计算体系：运营方采用基于区块链技术的计算体系，负责运营方、电网、光伏投资人、储能投资人和用电方之间的虚拟结算。

3.2 系统计量点设置和运行结算状态

3.2.1 系统计量点设置

计量点分为电网配电总双向电能表、光伏表、储能逆变器和储能间连接点双向电能表这4类计量点，根据布线节点进行安装，同时安装有智能信息采集交互终端，将结算电量通过4G或其他方式远程连接至区块链节点。

3.2.2 系统运行结算状态

状态1：纯电网供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给电网。

状态2：电网供电+电网给储能充电

运营方收取用户和储能设备投资人用电费用和服务费，付用电费给电网。

状态3：电网供电+光伏供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给电网和光伏投资人。

状态4：电网供电+光伏供电+储能充电

运营方收取用户和储能设备投资人用电费用和服务费，付用电费给电网和光伏投资人。

状态5：电网供电+光伏供电+储能供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给电网、光伏投资人和储能投资人。

状态6：光伏供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给光伏投资人。

状态7：光伏供电+储能充电

运营方收取用户和储能设备投资人用电费用和服务费，付用电费给光伏投资人。

状态8：光伏供电+储能供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给光伏投资人和储能投资人。

状态9：储能供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给储能投资人。

状态10：光伏供电+电网馈电

运营方收取用户用电费用和服务费以及电网馈电费用，付用电费给光伏投资人以及电网过网费给电网。

状态11：光伏供电+储能充电+电网馈电

运营方收取用户和储能设备投资人用电费用和服务费以及电网馈电费用，付用电费给光伏投资人以及电网过网费给电网。

状态12：光伏供电+储能供电+电网馈电

运营方收取用户用电费用和服务费以及电网馈电费用，付用电费给光伏投资人、储能投资人以及电网过网费给电网。

状态13：储能供电+电网馈电

运营方收取用户用电费用和服务费以及电网馈电费用，付用电费给储能投资人以及电网过网费给电网。

状态14：电网失电（光伏孤岛关闭）+储能供电

运营方收取用户用电费用和服务费，付用电费给储能投资人。

3.3 区块链节点及基于区块链的交易框架

各区块链节点，基于区块链的智能微网结算交易框图如图2所示。

基于物理位置的任一智能微网现场，可以有一个或多个客户节点。微网内结算电费基于同步冻结的现场双向智能电能表冻结数据，通过智能采集交互终端连接至每个客户节点。基于区块链的智能微网结算系统建立在以太网基础之上，每个客户节点参与区块链的计算和保存。随着节点数的增加，至少50 %以上的节点数据被篡改才会改变区块链内的数据，使结算数据的安全性得到保障。同时智能微网内存在多种类型账户，象电网、储能投资人、光伏投资人以及最终用电用户，由于基于区块链的智能微网结算系统的安全和不可篡改特性，各类账户间不存在信任问题，同时缴电费也不需要交至固定统一的电网账户，实现了各类账户间的自主安全结算。

如图2所示，每条交易产生共分为3步：第一步为当交易产生时，对应的客户节点进行全网广播并注册交易数据；第二步为通过合约机制，对当前交易进行确认；第三步为确认后的交易数据同步至区块链中，成功完成交易。此外，通过EOS的REST API以及智能合约，为结算系统开发了一套可视化管理后台软件，可在权限范围内看到电能表发电量、趋势图、代理节点健康状况等信息。在前端界面图，除了网页的用户端和后台的管理侧外，还开发了微信小程序，方便使用的同时降低了推广成本。

4 结语

传统能源行业交易封闭、信息闭塞，“能源孤岛”现象严重。随着电动汽车、光伏发电等新能源行业的高速发展，传统能源交易模式的弊端逐渐显现。该文采用基于DPoS共识算法的EOS区块链，在保证极好的分布性前提下，将互联网思想充分应用到能源行业中，形成了一套完善的能源互联网解决方案，运用数据分析、高精度直流电计量、嵌入式系统等技术，提高了运算性能，降低了算力损耗。多元融合的能源互联网可充分、广泛并有效地利用高度离散的新能源，并兼容传统电网，满足用户多样化的电力需求。此外，分析电力支付结算过程，根据智能电能表功能需求及系统开发路径，將能源与区块链相结合，构建并实施智能微网结算系统，建立基于区块链系统的可交互微电网平台，实现全数字化管理，提高了交易效率。

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