物联网环境下基于区块链技术的电力环保应用系统设计分析

朱振洪

（国网浙江余姚市供电有限公司， 浙江 余姚 315400）

0 引言

在产业升级与技术变革的大背景之下，电力企业需要将区块链作为自主创新与核心技术研发的重要突破口，以推动我国电力事业的创新发展。本项目研究在物联网与区块链的技术支持下，实现了对设备用电情况实时、真实上传，建立了新的区块链运行监控与数据查询架构，对于生产企业环境污染治理以及电力资源服务的拓展具有重要的现实意义。

1 区块链技术与电力物联网概述

1.1 区块链技术与电力物联网的契合点

从电力物联网的功能架构方面进行分析，大致可分成如下四层架构：感知层、网络层、平台层与应用层。其中，感知层主要是信息收集，网络层主要是进行数据传输，平台层是对信息数据进行管理，应用层则主要是挖掘数据的价值。上述结构框架与区块链技术的功能框架（即区块链技术的数据层、网络层、共识层、合约层以及应用层[1]），具有很高的相似度。

此外，在应用场景上，电力物联网也与区块链技术有着诸多契合点。电力物联网属于工业物联网范畴，即对应的是私有链（对内业务）与联盟链（对外业务）的应用环境。通过应用区块链技术，能够在很大程度上提升电力物联网的资源汇集能力，促进电力物联网信息化建设与发展。

1.2 区块链技术在电力物联网中应用的挑战

1.2.1 可信数据上链带来的挑战

从区块链技术的共识机制来看，虽然链上的数据有着很强的可信度，但是，要将数据从链下转移到链上，却要借助很多新的技术。如需要对多方数据进行审计，利用一系列可信的计算硬件、多方公信来对数据进行确认等。在电力数据转移过程中，由于存在专网传输的特性，因此，需要很多计量设备共同完成对节点数据的监测，并被不同专业机构进行计量，这样就造成节点数据彼此之间呈现弱耦合、弱关联，难以对某一节点的数据造假或错误情况进行有效识别[2]。

1.2.2 面向用户的产品设计和业务模式设计带来的挑战

区块链技术的应用会对原有业务模式产生极大的冲击，需要探索新的业务模式，并积极创新新的增量市场，这对于电力物联网中区块链技术的有效运用与落地是十分重要的，也是未来发展的主要方向。

2 基于区块链技术的电力环保应用系统设计分析

2.1 项目研究背景与意义

在物联网环境之下，电力企业拥有从建筑、设备、人员到客户、品牌、技术等丰富的资源，充分利用这些资源，可以为电力企业带来巨大的社会影响和经济回报，并为用户提供更为优质的用电服务。但现阶段，大多数的电力资产处于闲置状态，多数资源甚至还处于原始状态，没被挖掘出真正的利用价值，这对电力企业来说，是莫大的损失，也是一种浪费。

本项目基于现有的电力资源，通过共享服务运营模式上的创新，将电力服务与政府需求、企业需求、公共需求相结合，以提高供电公司资产利用率，盘活存量资产利用价值，不断挖掘公司资源经营管理效益，提升用电客户服务质量，牢固树立国网公司创新进取的企业形象，同时也为电力企业带来可观的经济利益。

2.2 主要研究内容

为响应政府数字化改革号召，确保国网战略落地实施，发挥电力公司资源优势，本项目利用电能监测、物联网和区块链等技术手段，结合用户侧配电房运维等相关业务，将电力资源服务与政府部门的社会治理工作相结合，为政府部门、生产企业和其他用户提供拓展服务。

2.3 系统设计原则及架构

2.3.1 总体设计原则

为满足资源共享服务需求的电力基础设施改造，整个项目建设过程要确保系统的统一性、先进性、可靠性和安全性。

1）统一性原则。系统设计遵循“四统一原则”，即统一领导、统一规划、统一标准和统一建设的原则。在按照国网公司区块链整体规划的指导下进行，符合公司整体要求[3]。

2）先进性原则。确保平台架构设计先进性、技术路线先进性、测试技术先进性以及组件选择先进性。

3）安全、可靠性原则。系统建设应充分考虑系统的安全防护、容错能力和抗干扰能力，保证系统长期稳定、安全、可靠、高效地运行。

2.3.2 结构与框架设计

项目通过在污染企业的生产设备和治污设备上安装电能监测装置，利用物联网和区块链技术，将两类设备的用电情况实时、真实地上传，并进行对比分析。当两者负荷情况与环保排放要求不匹配时，将异常状况通知给环保监管部门、企业，实现对企业生产情况的全天候、全过程监控，如图1 所示。

图1 网络架构示意图

2.3.2.1 业务架构

项目通过预言机（区块链网关）实现能源计量数据安全可信采集，基于云服务平台的区块链基础设施，将数据发布到基于区块链的环保应用系统中，同时，将应用服务分别传递至测试验证平台及综合展示层上，开展计量管理、计量统计分析和计量预警分析等业务的应用及测试，业务架构示意如图2 所示。

图2 业务架构示意图

2.3.2.2 应用架构

预言机即部署于企业现场的区块链网关，适配排污计量设备的数据接口，将数据上传至云服务平台。在云服务平台基础上，实现能源领域应用服务系统的部署，系统采用B/S 架构，满足使用需求。应用服务系统将业务服务接口推送给综合展现层，将应用结果以可视化形式进行展现，完成能源领域应用服务系统的应用，支撑环保可信监控等典型应用场景。

2.3.2.3 技术架构

基于区块链技术的电力环保应用系统的部署与实施，从逻辑上可划分为如下四大层次：展现层、应用服务层、区块链技术服务层和数据层，如图3 所示。

图3 技术架构示意图

数据层实现数据的持久化，通过预言机采用JDBC 方式实现企业用电数据的采集，并将数据上传给区块链服务层。区块链服务层实现业务逻辑、算法等后台功能，生成符合不同业务的合约。实现支撑组件间的通讯，保证节点间共识的正常进行、支撑全过程的系统监控、支撑物理设备的可信接入，与技术支撑层之间采用Java 进程间调用，与数据资源层之间采用JDBC 方式，节点间通过RPC 连接通信。应用服务层提供区块链技术服务API 接口，完成展现与区块链平台后台的数据对接，依赖区块链技术服务层。展现层接受用户输入、显示客户界面，并向协作层发送指令，实现业务流程控制，可对外提供公用接口、对外提供统一数据。

2.3.2.4 数据架构

基于区块链技术的电力环保应用系统的可信监控应用组件概念数据模型，可以概括为企业排污设备、治污设备的用电数据、监控数据、业务数据和用户信息等概念域模型。

区块链系统提供能源计量数据的上链存储服务，将产生的计量数据通过云服务平台的区块链执行数据进行分布式存储。用户数据为普通用户使用区块链系统功能提供服务，用户在系统注册后，会以账户的形式参与环保监控管控等业务，并可以针对使用过程中出现的问题进行意见提报。业务信息数据平台综合展示层调用应用服务系统提供的接口服务，通过计量统计分析、计量预警分析和计量管理等业务信息，实例化智能合约，保证业务自动化触发执行。

2.4 系统应用预期带来的价值与收益

2.4.1 社会收益

基于区块链技术的电力环保应用系统项目的运用，对于美好城市的建设、和谐社会的构建、自然环境的保护以及人体的健康都能产生十分积极的影响，有利于促进城市经济建设、基础设施建设和环境建设的同步发展。实现经济效益、社会效益和环境效益的协调与统一。

1）应用此项目能够对企业污染行为进行日常监控，并对突发事件快速预警，对于保障地区生态环境，促进人居环境的改善等都有着极大的推动作用。

2）依托物联网技术与区块链技术，有效完成了“人控”到“技控”的转变，从传统的计划监察转变为状态监察，提升了基层环保监管效率，实现了对辖区企业监管的全覆盖，解决了当前低碳环保要求下污染源企业监管难的问题。

3）实现了对企业“过程+结果”的全程监管，有助于减少“偷排漏排”现象的发生，加大了源头防控的力度，对于环境质量的改善以及基层环保部门监管效果的提升都有着很大帮助。

4）工作人员借助区块链系统与业务信息数据平台，能够通过对电力数据的统计与分析，完成对企业治污数据、排污数据的关联分析，从而构建更为精准化的评价管理体系。通过自动化触发业务并执行，对可疑违规排污企业进行精准识别，精准溯源，并及时发现存在的具体违规行为，提高监管效率。在基层人员执法过程中，能够利用系统数据做到用事实说话，对违规排放行为起到震慑作用。

2.4.2 经济收益

1）用较低的成本实现了对企业“过程+结果”的全程监管。

2）系统的计量预警分析服务，能有效降低企业生产事故风险发生的概率，完成对无意超标违法行为的实时预警，提升企业的环保管理水平，实现可持续发展。

3）系统的计量统计分析服务，能够对企业用能进行优化，从而帮助企业减少因过度治理所导致的能源及成本的浪费。

4）依托区块链技术、互联网监控技术以及物联网技术，能够对企业排污设备、治污设备的用电数据实现精准监控，从而减少基层人员对企业进行现场检查的频次，提高了环保部门的工作效率。较少的人手便能完成对辖区内所有企业的监控，有效避免因现场检查对企业正常生产经营活动所造成的干扰，真正实现了政企双赢。

3 结语

将物联网技术与区块链技术应用到电力环保应用系统的设计中，能极大地提升原有电力系统的基础设施利用效率，完成区域性的电力能耗数据监测与监管。同时，在流程化电力业务中引入区块链技术，还能有效减少重复性的工作，提升工作效率。通过对电力数据进行深入研究，挖掘出电力供需间的各种行为模式，基于用户需求，对发电以及用电环节进行优化，满足政府部门、企业用户以及电力公司多方的需求。