基于区块链的能源互联网电力线通信技术研究

尹建军

（云南省电子信息产品检验院，云南 昆明 650031）

0 引 言

化石能源减少所造成的生态污染越来越受到社会各界的关注。在此背景下，绿色和可再生能源的技术将在一定程度上解决这一困境。以往的能源交易一般需要集中优化资源配置方法，存在成本高、易受攻击、用户隐私以及安全性差等缺点。能源互联网将实现能源双向输出和动态平衡，优化清洁能源的接入率，是能源行业未来发展的方向。能源互联网是由电力结构网、交通网络、天然气网络等网络结构有效组合而成的共享网络系统。传统网络系统出现了越来越多的弊端，如并网困难、能耗高、设备利用率差等。因此，探索创新基础电网、充分利用清洁能源的途径已成为相关行业的重点研究方向[1]。国家电网有限公司提出建立全球能源网络，以实现清洁能源在全球范围内的最佳分布。能源互联网以电力为核心，以结构化的控制网络为核心，整合各种分布式可再生能源，通过高端通信方式、电力电子等先进技术，整合能源流之间的双向信息流。

1 能源互联网发展概述

能源互联网是1个泛能源系统，能源交易多元化，产品多元化，决策去中心化，信息透明，即时交易，如开放互联，以用户为中心，去中心化的P2P共享。能源互联网将分布式能源整合到当前的集中式电网中，无法解决不同分布式点的信任问题，也无法保证各方在计量、互动、决策、控制等方面的利益不受损害，能源互联网的实施还存在一些困难[2]。能源互联网包括发电、电能消耗、能源储存、传输以及电能转换等多种设备。各种设备构成1个巨大的结构，各种设备之间自动、可靠、准确、平衡的实时事务是需要解决的关键问题。为保障能源互联网的稳定高效运行，能源互联网通信网络将数据传输的优先级、数据传输的稳定、通信网络的低时延设置为满足多点传输的需求。只有这样，才能实现能源互联网通信网络的稳定高效运行。能源互联网的这些特点导致能源互联网通信网络复杂，完成大量数据的处理。能源互联网的能源局域网由于各种能源设备的动态拓扑波动较大，使得能源互联网的动态具有多尺度性[3]。

为有效克服电力线信道多路传输造成的频率选择性衰落，需要利用电力线通信系统。在传统的集中交易模式下，能源交易会产生不必要的交易成本，其原因是它需要各种第三方管理系统来创建和维护1个交易信用体系。区块链的技术特性自然适合能源研究。有了能源区块链，从基层建设到商业系统，人们可以找到能源与电力全面协调的机会。电力线通信利用电压、电流波形中微弱的低频变异性信号实现电网上的信息传输，具有通过配电变压器远程传输的特点。区块链技术去中心化、透明、开放的特性，提升了其在能源互联网中的关键意义，从而推动了能源互联网技术的进步。要推动能源网络中能源结构的进步，就必须调整传统的能源交易体制，完成分布式市场结构的转型，以取代集中式的管理体制[4]。本文目的是研究当前能源结构互联网的能源通信，探讨基于区块链的能源互联网建设中需要解决的主要困境，并为未来异构网络的集成带来相应的理论支持。

2 电力线通信技术的基本概念及其在能源互联网中的应用

2.1 电力线载波通信的基本理论

（1）分布式供电接入中采用的电力线通信技术。能量网络包括了许多分布的电力系统和有源负载的系统，而安全的信息传输渠道是关键；采用输电线路作为通信介质，对大规模的分布式供电进行监测与调度，可以使电网的能源得到最大程度的发挥。功率电缆的载波通信以高频信号传送，通信速率虽高，但仅限于相同的电压水平。结合不同类型电力系统的不同接入状况，综合运用这2种技术建立监测数据的信道非常经济。一方面，配电系统的并网投切会改变系统的阻抗性能，进而对输电线路的载波通信和工频通信的性能产生一定的不利作用；而由于分布式电源并网装置的大量使用，使电网的噪音变得更为复杂，对载波通信和工业频率通信的信号进行了探测[5-8]。

（2）用于可持续能量的电力线通信技术。与常规电力网比较，能够充分地从自然中获取可再生资源，降低对非更新资源的依赖性。在网络中，如何对可再生资源进行有效的管理，并可靠、高效地在网络环境下运行成为主要研究内容。因此，通过电力线路通信技术，可以对电能、电压和功率进行自动的控制，从而达到对可再生资源的控制。

（3）配电网中采用的输电线路通信技术。在电力网络的运营中，配电网具有可靠性、灵活性和高效性等特性。针对能源因特网的通信要求，采用电力线通信技术能够及时检测出电网中的所有问题，并通过电力线通信协助能源因特网对配电网进行兼容、集成、优化，最后达到整体电网的高效解决。

2.2 电力线通信的基本原理

下行数据信息编码开始后，即同步检测完成后，需要进行电压过零变化的数据解调。如果电力线工频通信系统采用主从模式，则不需要使用同步信号。基于区块链的能源互联网可以根据实际需要动态增加或减少参与节点的数量。这种架构顺应了新能源在能源互联网中去中心化和灵活的特性，让新能源节点在不改变网络架构的情况下稳定高效运行[9]。未来的能源互联网将覆盖许多生产者和消费者的用户。为了实现巨大的资源动态平衡，稳定、高效、安全的能源系统是能源互联网的主要要求。这种交易体系下的能源交易一般由交易中心负责统筹规划能源结构的总体平衡。此外，需要各种第3方组织来确保交易的安全性和可靠性。交易规模和单位不受限制，不定期或分批进行。对于可以是机构或个人的场外交易，市场参与者将不受限制。不同的参与者具有包容性的贸易联系[10]。

主要设备根据信号传输协议预估上行信号的起始时间，并在接收端电压过0点旁配置1个检测窗口。确定电压过0位置电流信号积差的正负进行检测。在电网的数据传输中，功率协调信号的电力线衰减较小，传输延迟将被忽略。区块链多辊节点构建的能源互联网信用网络将形成相互监控、绿色发展的能源环境，建立基于区块链技术的民主机制。与自上而下的连锁机构和工作实践协调子监控模式，帮助构建能源互联网行业的诚信环境。能源互联网拥有各种高度智能化的分布式发电、储能、用电设备。区块链技术在智能互联网能源之间建立了低成本的通信桥梁，并呈指数级增长。分布式共识架构增强了架构的交易安全性和隐私性。

3 基于区块链的能源互联网电力线通信体系结构

3.1 区块链技术特点

区块链技术首先是以比特币开发的去中心化集体数据库维护技术。区块链可以使体系结构中的每个参与者在不需要各方信任的情况下完成协作，创建1组数据安全性强的防篡改数据库。区块链技术将完成从信息互联网到价值互联网的转变，将应用于金融、证券、交易架构、物联网等多个行业。节点可达性可视化分析是电力通信可视化的1个关键环节。区块链采用固定的共识算法，确保整个架构中的每个节点都能稳定有效地完成数据交换，无需信任和批准。计算机能够达到互连目的的根本原因是主机与终端之间的数据传输。在一些公共场所，网络环境较差，在大数据延迟的环境下，互联网是1种开放的通信结构，是网络媒体的固有属性。现有媒体传播的垄断时期将不复存在[11]。

3.2 区域微电网信用生态系统

能源互联网技术的进步是以网络信息环境和智能电网为基础，借鉴互联网模式。在对电网进行评价时，不能使用单一指标作为评价条件。为了充分有效地展现电网的工作状态，需要考虑整个电网，综合考虑各个可靠性指标。区域微电网按区域和节点数进行划分[12]。1个微电网是1个链，不同地区的微电网是侧链。电力通信体系结构复杂性强，根据使用场景可分为传输网、业务网和支撑网。一般来说，作为标签使用的数据信息需要清楚地分析目标情况，而实际的标签需要充分了解用户在目标业务中的作用。

区块链技术可用于创建电力交易系统，而无需改变原有的电力交易业务模式，整个平台分为3个层次。由于节点之间的数据交易基于固定的算法，双方不需要公开自己的身份，而是可以借助区块链上的程序性规则让对方信任自己。各种网络数据必须与数据库一起存储在服务器上，因此必须将这些数据从自己的网络管理服务器传输到具有数据仓库的本地服务器[13]。一般来说，能量点只在1个微电网中循环。对于地区之间的业务，能量点流出的一面充当主链，事务锁定能量点和流入方充当侧链来创建1个事务证明加密，以确保在整个网络能量的循环点[14]。电力是能源互联网的核心，创造稳定有效的信息传输架构需要以传统的电力通信结构为基础。区块链允许设备满足自我管理和维护的需求，将整个体系结构转变为分散的、自适应的体系结构[15]。在这种体系结构中，可以满足点对点传输的需要，完成分布式数据共享的任务。

4 结 论

能源互联网的稳定工作需要安全有效的通信网络支持。能源互联网是多能源融合、网物融合以及多市场融合的产物，对未来能源生产、传输、储存和消费具有重要意义。区块链具有信息去中心化、开放性、自治性和不变性的特点，是未来数字化浪潮的核心，也是构建有价值互联网的前提。区块链技术的出现为能源互联网的发展和利用创造了巨大的机遇。基于区块链的能源微电网系统和生态系统的建立，将加强能源互联网之间的信任，彻底改变能源电力领域的传统商业和管理模式。电力线信道模型应该简单并且能够描述所有情况。区块链技术融入能源互联网后，将能够满足安全可靠的能源交易需求，从而完成成本优化，推动能源互联网的实施。