智慧园区能源管理平台及能源区块链研究

摘 要：针对园区、工厂等在能源管理中普遍存在的信息孤岛、数据不可溯源等问题，面向市场交易开发了低碳数智化园区能源管理平台，给出了智慧园区能源管理平台架构和园区能源管理数据中台开发部署方案。呈现出园区能源区块链的设计架构和开发思路，创新性开发了园区能源区块链的交易流程，为能源交易、碳交易、需求响应等场景提供了技术和平台支撑。

关键词：智慧园区; 能源管理; 区块链; 能源交易; 碳交易

中图分类号： TU855

文献标志码： A

文章编号： 1674-8417（2024）11-0007-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.002

0 引 言

在当今全球气候变化和能源危机的严峻形势下，推动低碳发展已成为当务之急。园区作为承载地方产业发展的重要企业聚集地，是能源消耗的重要场所［1］。园区主要以电能作为主要能源系统。而受我国电能生产现状所限，2020年采用电网供电的园区67.8%的电力供应依然是化石能源，园区已经成为重要的碳排放载体。

随着全球对可持续发展和低碳经济的不断追求，智慧能源管理系统成为了城市能源管理的重要手段［2］。传统智慧能源管理系统在智能管控方面仍存在一些不足之处，部分系统的数据采集和监测不够精确和全面，导致无法准确掌握能源的实际使用情况，难以进行有效的分析和优化［3］。特别是，面对市场交易改革，现有能源系统面临数据缺失、数据不准确、数据不可溯源等问题，对园区层面的能源管理和市场化交易带来了巨大挑战。

本文面向能源、电力、碳排等领域的市场化交易，开发了低碳数智化园区能源管理平台，开发了园区能源区块链和交易流程，为能源交易、碳交易、需求响应等场景提供了技术和平台支撑，可为市场化环境下园区绿色低碳发展和数智化转型提供“新质生产力”支撑。

1 园区低碳数智化能源管理平台的架构设计

1.1 园区能源管理平台架构设计

园区低碳数智能源管理平台是利用工业互联网技术构建智慧园区各系统的数字底座，是整个智慧园区建设的心脏和数据融通的中枢，起到下联设备和服务，上撑管理和应用的作用。平台使用云服务器部署，极大程度方便了工业园、商业建筑、办公楼等用户的使用。同时平台集大数据、智能算法等多项高新技术，采用信息化、物联网等技术手段，帮助用户对自身能源消耗进行实时跟踪和用能分析，寻找节能空间，挖掘节能潜力，降低能源风险。园区低碳数智能源管理平台架构如图1所示。

园区低碳数智能源管理平台是一个集智能化、数字化于一体的先进系统，其架构主要包括4层。

（1） 应用层：是整个平台的核心展示与控制部分。它涵盖了能源监控与管理、数据分析与报表、智能调度等功能模块。通过直观清晰的界面，用户可以实时掌握园区内能源的使用情况，进行精细化的管理和决策。

（2） 传输层：负责数据的可靠传输。利用先进的网络技术，确保计量仪表及设备采集到的数据能够及时、准确地传送到应用层。这一中间环节如同能源数据的“高速公路”，保障了信息的流畅传递。

（3） 计量层：负责数据的计量。包括各种智能电表、水表、气表等，它们精确地测量着能源的消耗情况。这些设备分布在园区的各个角落，为平台提供了详尽的基础数据。

（4） 设备层：是数据的源头。包括照明、插座、空调等，这些设备产生的能耗数据为实现高效能源管理提供基础。

1.2 园区能源管理数据中台开发部署方案

园区能源管理数据中台是一种集中整合园区内各类能源数据的平台。它收集来自不同设备和系统的数据，通过数据清洗、存储和分析，为园区能源管理提供准确的决策依据，实现能源的高效利用和优化配置。这种将现代信息技术与能源管理领域相结合的创新模式，旨在建立一个统一的、开放的、智能的数据平台，通过数据的集成、挖掘和共享，实现区域能源生产、传输、分配和使用各环节的智能化和高效运营［4］，解决传统园区能源系统存在信息孤岛、数据来源分散、系统不互联等问题，提高园区能源的管理效能和管理水平，支撑了本文能源管理平台大屏展示、能源看板、专项分析以及运维管理等应用服务功能。

园区能源管理数据中台的部署架构如图2所示。数据中台的采集信息来源主要包括水、电、气等数据，考虑到能源数据的数据类型存在较大差异，采用本地文件、FTP服务器或者不同类型数据库进行保存，采集完成后经过网络传输到中台的MongoDB集群。该集群由多个节点组成，能源数据被分布存储在不同节点上，提高了数据的读写效率和系统的可靠性。中台运维区的管理人员使用数据中台处理数据，数据中台采用防火墙实现内部网络与其他系统网络的安全隔离，保证中台的安全运行。数据发布后办公区的内网用户可直接使用，对数据做进一步处理。

2 园区能源区块链架构设计研究

2.1 区块链技术

区块链技术是系列技术的集成，是包括数据库、数字货币、非对称加密算法等多项技术以特定方式组合后形成的一种去中心化的数据记录与存储体系。区块链技术工作原理示意图如图3所示。

2.2 园区能源区块链的架构设计

本文将园区能源管理相关数据加载到区块链上，区块链技术将用于创建一个不可改变的数据结构，其中记录的用电数据和传输到系统的电力数据不能被篡改，保护传输到智能电网系统的用电数据安全。本文面向电力交易，引入智能合约，系统运行过程中形成可溯源的交易数据，智能合约将被用来设定电力用户和电力公司之间的付费规则，如用户需求响应等规则，实现交易数据的可溯源和可信性，为园区级电力交易提供了支撑。基于区块链的园区能源管理系统构成示意图如图4所示。

（1） 用户层：用户层为园区内的用能实体，用能实体可以是家庭、办公建筑、学校、医院、公司等用户，这些实体从给定的电力公司获取电力。该层与智能电网上的注册和认证层直接接口，允许用户注册成为系统的一部分。用户通过访问该界面注册系统，并提供必要的信息。这些信息被提交到智能电网网络，并在注册和认证层接收和处理。

（2） 注册认证层：该层由注册程序和认证程序组成。在系统上注册的用户的数据首先由验证程序接收。处理请求并为用户生成唯一的ID。这个唯一的ID标识系统上的每个用户。每当用户登录到系统时，验证程序就会使用这个唯一的ID对用户进行身份验证。在注册与认证层中的智能合约被专门设计用于发现和应对智能电网中可能存在的异常情况。在此系统上生成的智能合约已嵌入加密密钥，这使得合约能够加密激活操作生成的报告。

（3） 智能合约中心：是主权区块链网络上的报告异常状态以及生成响应动作的中心，智能合约数据库存储用户和电力公司之间约定的在违反智能合约规则时要执行的操作列表，它还存储每个操作的日志，从而在需要时为责任和审计提供一致的数据。

（4） 数据中心：数据中心直接与处理和监控层交互，接收处理到主权区块链上的数据副本，并存储用于满足负荷预测或电力营销的业务需求。

电力公司直接与数据处理和监视层接口，并且根据处理和协商节点的请求将配电操作的记录数据传送至数据处理和监视层。最后，根据每月是否支付电费将电能分配给智能电网上的电力用户。

3 园区能源区块链开发与交易流程设计

3.1 园区能源区块链的开发

目前的区块链技术按照应用范围可简单分为公有链、私有链和联盟链3种类型：

（1） 公有链所有接入节点均可参与读写数据，去中心化程度高;

（2） 私有链主要是应用于一个组织内部，没有去中心化，仅获授权的节点才可接入;

（3） 联盟链介于公有链与私有链之间，具有部分去中心化开放一定权限等特点，兼顾公有链的去中心化和私有链的高效性。

每种区块链类型都有其特点和适用场景，因此在选择能源区块链的开发类型时，需要综合考虑多个因素［5］。

鉴于园区能源管理系统的规模，本文研究构建的能源区块链平台以联盟链技术为基础，对能源区块链平台采用的共识机制进行设计，用户需要采用实名认证的方式，经过审核之后才能进入能源区块链系统进行相应的电能交易。由于能源区块链的参与节点数量远小于公有链，所以采用随机选择的共识机制来选择记账人，避免了公有链中工作量证明共识机制造成的算力浪费，并提高了系统的效率。

能源区块链中每个区块包括区块头和区块体两个部分，区块头部分封装了上一个区块的哈希（Hash）值（通过特定算法生成的唯一数值标识，用于确保单个数据块的完整性）、时间戳、随机数和Merkle根（一种在区块链和数据验证中常用的数据结构，可验证整个数据集的完整性）等数据，用来保证能源区块链的链式结构以及交易数据的不可篡改性;区块体中封装了能源交易、碳交易、需求响应等产生的各种交易数据，通过哈希函数生成Merkle根，再保存到区块头中，保证了数据的不可篡改、可追溯等特性。园区能源区块链结构设计与开发思路如图5所示。

3.2 基于园区能源区块链的交易流程设计

能源区块链以区块链技术为基础，能源数据上链保障了数据的可溯源性［5］。基于本文开发的园区能源区块链，给出了园区能源区块链交易流程。园区能源区块链结构设计与开发思路如图6所示。能源交易商首先申请进入园区能源区块链平台系统，然后进行实名认证，通过认证后方能发起能源交易，选择或判断能源交易、碳交易、需求响应等交易模式。当其他用户响应交易，并确认后将生成交易数据。区块链系统随机选择记账人对交易数据进行打包生成新区块，接着新生成的区块将被广播给其他节点，其他节点将确认新区块中的交易信息，待确认无误后新区块上链，本轮交易结束。如果进入下一轮交易，则其基本步骤与之前一致。

4 结 语

园区低碳数智能源管理平台具有重要的应用价值，本文开发了智慧园区能源管理平台架构，给出了园区能源管理数据中台开发部署方案，平台可利用先进的数字化和智能化技术，实现对能源数据的精准采集、实时监控和能源管理，为园区能源管理科学决策提供有力依据，并已在多个示范项目应用。

在现有智慧园区数智能源管理平台基础上，本文面向市场交易，提出了园区能源区块链的设计架构，给出了园区能源区块链交易流程，可为能源交易、碳交易、需求响应等场景提供技术和平台支撑。

［1］ 吴翠青，王伟，孙志伟.“双碳”目标下园区（开发区）能耗效率及低碳发展路径研究——以江西省35家园区（开发区）为例［J］.价格月刊，2023（4）：35-40.

［2］ 陈娟，龙德全，贾湘豫.电网与低碳规划相结合的智能能源管理系统设计与实现［J］.电气技术与经济，2023（10）：283-286.

［3］ 古小威，陈科帆.“双碳”背景下智慧园区建设思路探析［J］.通信与信息技术，2024（3）：83-86.

［4］ 胡贺骏.城镇小区用户用能数据中台设计与实现［D］.南宁：广西大学，2023（6）：4-10.

［5］ 刘吉成，孙嘉康，郭启蒙.能源区块链下“光-储-用”价值链增值效应仿真分析［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