基于区块链技术的电力物联网工程的后评价场景研究

张戈力

（国网经济技术研究院有限公司，北京 102206）

0 引 言

众所周知，物联网技术的兴起是第四次工业革命的标志之一。伴随5G技术等新技术出现，物联网技术被视作是一种硬件、软件结合的信息管理的解决方案[1-3]。随着信息技术的快速发展，互联网思维[4-5]也经迅速被人们所接受，同时带动了能源互联网的发展。

互联网思维地引入，促进了电力产业升级换代，催生了新兴的制造产业，使能源互联网产业随之迅速发展。应用互联网思维、使用物联网等新兴技术形式与传统电力生产相结合，构建信息畅通的物联网络，有利于推动“两网”融合发展，提升电网的质量。特别是物联网技术与低压配电领域的紧密结合，如微电网、主动配电网等技术的发展成为了能源发展的新兴领域之一。

为了落实《网络强国建设行动计划》，推动能源革命和数字革命融合发展，实现电力100%可再生化，国家电网公司正在积极推进泛在电力物联网[6-9]建设，并促进世界一流能源企业战略实施。

近期，区块链这一数据模型成为了热点方向。我国《“十三五”国家信息化规划》将区块链技术列为战略性发展方向。2019年习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调，把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展。因此，区块链技术的重要性不言而喻。

为了有效评价物联网投资，研究未来电网物联网工程后评价的可能场景十分有必要。

1 区块链与物联网技术

1.1 区块链技术

区块链技术[10-12]是基于“链式网络”的计算网络，其对每个节点的独立性要求较高，需要具有丰富的存储能力，以及优秀的处理计算能力，来处理不同的数据。区块链的网络拓扑结构表明，本质上区块链技术是一种弱中心化、甚至是去中心化的网络[13]。从网络结构而言，区块链较传统的中心化网络，其信息链条不单一，数据获取灵活，在保证稳定性的前提下，克服了中心化网络关系单一、安全风险集中的问题，具有较高的安全性。

信息物理系统[14]是泛在电力物联网与坚强智能电网的桥梁，如图1所示，其通过信息网络、物联网络和各种计算架构，联结坚强、智能化的电力输配电网络与泛在感知的物联网络。信息物理系统包括“三域”，即物理域、信息域、社会域。物理域包括能量路由器、电子传感设备等能源互联设备，是将传统的单一方向的电能配送转换成按需转换、分配的双向流动的电力中继装置。信息域是信息交互的平台，实现市场交易、信息传输、系统监控等二次功能。社会域是人与人交互，人与信息物理社会交互的场所。

图1 信息物理系统的桥梁作用

区块链在泛在电力物联网中应用需要合理融入信息物理系统，以优化系统中各设备的使用为目标，搭建应用场景。在信息物理系统中，网络安全非常重要，是系统正常运转的基本条件。

区块链是一种基于密码学的技术，所以区块链技术在信息安全领域具有较强的优势。区块链网络的形式从拓扑上来说安全性较强，并且抗电子攻击能力较强。信息物理系统即是区块链技术的物联网载体。

目前，区块链在能源行业主要应用于能源金融交易。其利用P2P功能，实现不同交易主体在同一交易权限下，同时审批、确认交易，签订智能合约，使交易准确、快捷地完成。这一类交易功能在微网、综合能源服务中具有较大的推广前景。

1.2 物联网技术

物联网技术最早由麻省理工的奥斯汀教授提出。物联网通过有线连接（网络光纤连接）和无线连接（WiFi、5G连接）实现物物相连，起到扩展物体与物体间交互功能的作用，包括控制、人机交互、机与机交互的能力。

物联网可以产生较大的数据量，结合新的互联网思维和新形式的商业模式，这些数据包括的较多的信息可以利用大数据的方式被挖掘出来。

对于电力系统来说，物联网是原有电网与现代先进通信技术的融合升级，是物物相连的信息互联网。

2 电力物联网

2.1 配电网成为电网发展重点领域之一

工程实践中，一般粗略地将电网划分为主网、配网两部分：110 kV及以下为配网部分；110 kV以上为主网部分。一般来说，主网主要由输电网等部分组成。我国的输电网络通过积年累月的发展，形成了500 kV主干网及特高压骨干网架，750 kV，330 kV，220 kV网架发展合理的现状。输电系统运行维护的技术水平较高，发展已经相对完善。

配网方面，国家能源局印发的《配电网建设改造行动计划（2015—2020年）》中，计划在5年内投资2万亿元，用于配网建设。电网投资从以输电网为重点转向能源互联网、智能电网领域。国家鼓励社会资本、电网企业加大配网投资。

此外，国家开展增量配电改革，一方面是增加市场竞争，提高投资效率；另一方面，也可以增加配网领域的投资能力，促进配网的发展。在能源电力行业实施泛在电力物联网的战略大背景下，我国配网领域实现技术升级迎来良机。

电力生产中，涉及配电网包括配电和用电环节，这两个环节是泛在电力物联网建设和应用的主要场景。一方面，由于建设电力市场、垂直一体化解绑等改革预期，配电零售交易存在进一步深化市场化建设的需要，进一步激活市场在资源配置中的主要作用，有利于在基于交易效率提升的基础上实现能源利用效率的提升。用电环节亦是如此，用户友好的用电交互界面设计，如移动端应用，可以为用户提供泛在物联的能源交易操作云平台，孕育电力消费的新型商业模式。

2.2 现阶段电力物联网的建设

建设电力物联网的战略之下，应用互联网思维发展电网，进一步构建“三型”电网。电网企业大力推动了电力物联网的建设，并做了以下探索：

（1）通过物理场所及设备出租，形成多站融合商业运营。电网拥有数量庞大的设备及变电站站内土地、空间资源，通过将北斗、5G等基站与电网的计算架构多站合一、多站融合，获得合理的商业出租收入，发掘电网企业新的利润增长点，同时也将为通信企业节约建设投资，在降电价等宏观因素对电网利润的影响下，新的利润增长点有利于企业的长期发展。

（2）基于感知的对内业务开展，如通过大范围设置的感知传感装置，采集调度需要的信息，实时开展调度分析，提升电网调度水平；通过传感器开展工程建设管理；更精确的用电负荷预测、用户画像；设备状态检测、状态检修等。

（3）基于数据分析中心的计算能力，构建边缘计算节点，形成边缘计算网络，极大地增强了电网企业地数据分析、大数据挖掘的能力，将可能产生新的商业模式和运维方法。

2.3 区块链技术特点

区块链可以分为公有链、联盟链、私有链三种形式，在智能用电领域一般使用联盟链。区块链的去中心化特点适于描述多主体参与的决策、交易的问题。多个主体在平等参与的基础上，开展交易、审批等业务，通过网络互连的方式传输信息，并且在每个节点都存储交易信息，即在每个节点分布式存储，降低统一数据库受到攻击导致商业风险的危害。由其网络结构可以看出，其链路结构较为复杂，可以适用于电网中如电力交易等开展行为复杂的商业业务场景。区块链的去中心网络如图2所示。

图2 区块链的去中心网络

区块链技术的信任机制是由“公共账本”机制构成的，依托于分布式存储，存储网络中全部交易信息或大部分交易信息，使得交易信息不易篡改，保证了交易的安全性。并且其实现了交易可追溯的功能，即某一交易从发起至完成的所有流程均可以通过链的路径被一一追溯。这一特性使得交易过程的公开透明度大为提高，其数据结构如如图3所示[15]。

图3 区块链结构

在传统的电网业务场景中，取得交易共识需要较高的沟通、谈判成本，构建交易信任的成本较高，如电力交易、招标采购、供应链管理等场景。在能源互联网环境中，电力交易[16]存在多主体参与，包括电网公司、用户、分布式能源生产商、增量配电运维商等等。区块链技术的应用，可以降低电力交易场景中的交易参与门槛。一方面，运用区块链技术中的共识算法，可以解决电力交易中信任构建问题。共识算法包括：工作量证明机制、权益证明机制、 股权授权机制和分布式一致性算法。在这些需要交易信任构建的场景中，区块链技术具有较为广阔的应用前景，可以有效降低信任构建的成本，并且实现复杂的交易关系网络构建。

招标采购中，业务环节较长，需要经过专家评标、上级部门审批、中标公示等环节，应用区块链技术可以加强此类场景中的公开透明程度，保证各环节审批信息不被篡改，保证采购物料质量，且过程合理、合规。

3 未来区块链在电力物联网中应用领域及其后评价场景研究

泛在概念强调无处不在，体现了物联网络不受地域限制的优势，但大量分散分布的传感设备，带来了信息安全的挑战。国家电网提出的泛在电力物联网“云、管、边、端”体系中，物联网是一个弱中心化的网络。网络中的智能接收设备在物理上没有一个统一的中心化服务器安全模型。如构建中心化的安全模型，会比较容易受到信息攻击。基于弱中心化的网络架构，利用哈希矩阵加密，区块链技术便可以有效解决这一安全问题。

改进后的区块链技术，可以实现博弈、拍卖、投标等方式完成交易。基于智能合约[17]机制能够应用于配电交易的许多场景，如分布式能源交易、综合能源服务等。

在信息物理环境下，区块链技术可以应用于以下三类场景，同时也是后评价重点分析方向。

（1）场景1：基于智能合约实现设备到设备的配电端电力交易

物理基础设施方面，能源互联网的发展将随着信息技术的极大提升而不断完善，适应国家发展综合能源服务的大趋势，从配电网的角度切入能源变革发展。未来电力生产场景中，用户既是消费者也是生产者，即“产消者”。能源互联网借鉴互联网思维，推动电力生产、消费向分布式对等发展，分布式能源与互联网式的交易结合将是新兴发展方向。“能量路由器”“虚拟电厂”“新能源云”的提出，为搭建初步的能源互联网架构提供了方法，但还缺乏有效、安全的交易机制和模型，区块链技术可以有效解决这一问题。

基于区块链的交易机制，既保证了交易安全开展，同时，区块链自有的激励机制也可以用于促进清洁能源的机制设计。基于此，能源互联网的有效构建，将极大地促进分布式能源地利用与开发，促进配电网建设地不断完善升级，并且灵活消纳各类清洁能源，实现带动用电方式的升级。

（2）场景2：基于智慧供应链建设的电力物资管理

企业内部管理方面，供应链管理场景是物联网与区块链技术整合的典型情境[18]，电网作为能源互联网的主体，其维护与运营需要调用大量的物资资源，应用区块链技术可以有效提高电力物联网的管理效率。

在传统物资供应链中，存在一定程度的信息不对称，在一定程度上会降低物资采购效率，而供应链管理的透明程度越高，物资供应质量越有保障。区块链技术可以实现新型的物资采购模式，基于智能合约，实现高效的物资采购及物资管理。

（3）场景3：基于移动终端的用电APP建设

目前的移动互联网条件下，在用户体验方面，用户可以使用国网APP实现网上购电。但在信息提供方面，电力物联网的建设后，可以为用户提供更丰富的用电、用能数据，为用户用电决策提供依据。

依托于移动网络终端应用及物联网传感设备网络提供的海量数据，电网企业地营销部门可以针对性地设置用电模式及典型场景，用户参与能源消费的行为将大大丰富，从而实现智慧用电。在终端应用的开发中，区块链技术、边缘计算等技术的应用可以有效提高线上交易的效率和可靠性。此外，区块链技术还可以用来提供电力消费金融等等，为电力消费带来便捷。

4 结 语

物联网相关的软、硬件信息技术将迅速应用到实际工程中来。区块链技术可以在泛在电力物联网的物理设施建设的基础上，有效扩展管理行为和交易行为的便捷性和安全性。结合国家区块链战略和企业的泛在物联网战略，区块链加物联网的技术路线将会在泛在电力物联网建设中发挥更多的作用。评价该类技术的应用时，场景也将越来越丰富。