基于技术融合-演进模型的物联网和区块链技术在能源物联网中的应用分析

金 炜，张戈力

（1.国家电网有限公司信息通信分公司，北京 100761；
2.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209）

随着“大云物智移链”技术的不断推广应用[1-4]，未来能源行业的底层技术将得到数字化方面的较大提升。大数据技术、云计算、物联网、人工智能、移动联网、区块链技术在能源行业的各个方面的深化应用，能够全面提升行业的智能化水平，企业不仅会在运营层面推进数字化转型[5-8]，底层技术也会不断得到提升。

《第三次工业革命》中提到过未来理想条件下的能源系统是零边际成本能源系统，也可以理解为能源互联网[9-10]。通过高度发达的信息系统，减少了信息不对称带来的交易成本，实现了零边际成本的能源体系。能源的互联不仅降低了成本，还提升了能源效率。而要消除信息的不对称，还需要使数字化、信息化水平得到更大程度的提高。

能源互联网[11-20]在框架分析阶段可以分为物理层、信息层、价值层三个层面。物理层方面，底层是由传统能源系统构成的多能互补的能源体系。中间的信息层不仅是数字计算机系统的互联，在强化的互联体系下还包括物理设备高度互联而形成的物联网，以此构成高度可观、可控的设备系统。

现代能源系统（Modern Energy System, MES）通过信息物理系统（Cyber-Physics System, CPS）的构建，使得能源的生产信息交互层变得较为强大。通过高效的信息传输交互、数据的不断积累，形成高价值的用户数据资产，促进数字能源经济的发展。

近年来，区块链技术[21-26]逐渐得到普及，越来越受到各国信息界、工业界的重视。它脱胎于中本聪创造的比特币系统，该系统中弱中心甚至是无中心的构架得到了保留，分布式账本技术带来了信任构建的可靠性和便捷性，区块链的区块节点可以方便地加入或者退出而不影响整体系统的可靠性。

区块链技术能够迅速地从金融系统扩展应用到各行各业，得益于区块链技术的分布式架构，它对于交易账簿具有较高的安全性，因为安全冗余较大。区块中每发生一笔交易都会通过系统广播至全部区块，每一个节点都包含所有的交易信息。要篡改交易需要同时修改超过50%的节点信息，因此安全性较高。

“大云物智移链”技术不断深入人心的同时，传统能源技术与新兴数字技术的融合成为技术发展的大趋势。为了赋能能源革命和数字革命，推动第四次工业革命向前发展，在物联网环境下应用区块链技术解决能源互联网中各个场景下的运作问题成为了一种趋势。

本文首先介绍了物联网技术、区块链技术和能源互联网技术的发展，提出了一种基于技术叠加的融合模型框架。最后分析了在物联网条件下能源互联网中区块链的应用场景。

1.1 区块链技术源流

区块链技术源于中本聪在一个密码学组的邮件群中发表的技术论文。之后，比特币作为初始的加密货币启发了金融界的加密货币大发展。各类加密货币如雨后春笋般涌现，区块链技术也随着比特币的迅猛发展，逐渐被全世界所接受。

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。区块链技术是密码学、分布式计算、分布式存储、信息网络技术的集大成，通过巧妙的“链式网络”底层物理架构，构建了一个基于信任的网络。因此，比特币系统体系运行多年仍然保持了整体安全，可以证明区块链技术的安全价值。

区块链的去中心结构在安全上避免了集中处理存储的单一性和拓扑上的薄弱性。集中式的缺点是一旦服务器受到攻击，整个系统的安全都可能受到威胁，重要性关系可能被篡改。而区块链技术数据链条冗余大，全局修改代价大，交易安全性较为稳定。

区块链技术的弱中心结构，较为符合节点平权、社会网络扁平化、节点准入门槛降低的网络发展趋势。通过吸引同等条件的不同节点计算设备的接入，区块的发展不仅方便了计算设备上的所有人进行交易，而且随着节点的增多整体安全性也得到了提升，可谓一举两得。

比特币系统通过在系统发布计算问题得到维护和发展，系统的维系仰赖于系统中广播的数学问题，而解决了该问题，一般是提供了算力的用户可以得到系统的比特币奖励，该过程就称为“挖矿”。

图1所示的就是区块的基本构成，区块是区块链的基本单元，而一个区块是由杂凑函数驱动的分布式存储结构，即区块体。在初始的区块链结构中，交易存储在每一个分布式存储器中，通过默克尔-哈希二叉树进行简化。哈希是一个存储地址的简报算法，可以将确定地址中的内容进行简化，即简报（briefing）。

图1 区块的基本原理

区块头中记录的交易时间戳等信息，代表着区块链中上下区块的连接地址。

区块链通过信息交互和分布式存储的巧妙结合，形成了安全、快捷的交易机制。

1.2 区块链技术在能源领域的发展趋势

比特币的挖矿模式存在诸多问题：一是资源的浪费，挖矿可能带来较高的电能消耗，不利于节能降耗；
二是全球区块链的维护需要很高的算力代价，系统优化不足，带来的消费比较低。针对这些问题，应该对比特币为代表的的区块链技术进行扬弃。

区块链技术与其他新兴技术的融合成为发展的一大趋势。技术融合形成优势互补，形成合力。改进后的区块链技术可以通过博弈、拍卖、投标等方式完成交易。

区块链可以分为公有链、联盟链等形式。比特币的形式即是公有链。联盟链是具有一定入链条件的区块链，适用于企业场景。我国应用区块链的主要思路是剥离比特币的数字货币属性，而应用区块链的分布式存储、计算技术。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。未来，对于以企业为主的主流经济形式来说，联盟链将迎来较大的发展。其中的智能合约等功能将使得企业管理得到较大的数字化提升。

2.1 物联网技术源流

物联网[27-33]的提出始于MIT教授奥斯丁首次提出的IoT概念，打开了万物互联的理论大门，即物质的连接形成的互联网，是信息互联网的理论深化。物联网通过传统的光纤连接以及新兴的WiFi、5G连接，实现物-物数字相连，扩展了物质之间的信息交互、数字互动和控制交互。

物联网技术为物质的运行分析打开了一扇全新的大门。物质-数字计算机方面，以电力设备为例，设备可以通过物联网技术实现“数字孪生”，对于重点设备的运作实现数字化同步分析预测，通过先进的量测系统（Advanced Metering System, AMS），设备的物理特性数据被全部保留了下来，实现了基于物联网的计算机。

物质-物质之间也可以通过物联网的连接实现设备实时联动，这解决了很多设备操作的问题，例如设备的倒闸操作可以通过“三遥”设备加上设备物联，辅以相关的安全规则，实现自动化的倒闸操作。

信息物理社会系统包括的“三域”是物理域、信息域、社会域。其中，物理域包括的能量路由器概念是能源互联网的信息物理社会和能源互联网的融合点。信息域是电子计算机构成的数字网络。社会域是包括能量交易等经济活动、社会管理内容的场域。

2.2 物联网技术在能源领域的发展趋势

目前，电网企业正在探索物联网建设方案。一方面是建立大数据中心，通过大数据中心的建设使得物联网获得的海量数据得到有效存储，为大数据技术、区块链技术、人工智能等数字技术的融合发展和综合分析提供物质条件。二是开展物理设备场所的出租，电网拥有数量庞大的设备及变电站站内土地、空间资源，与多种运营商包括电信、卫星等形成联动经营，即多站融合，获得场地服务收入。三是布置一定数量的PMU装置，即大范围布置相位感知单元，使得调度业务的能控性、能观性得到提升，从而提升调度业务的智能化、数字化水平。布置远距离的量测设备，整合量测资源，形成合力，开展设备检修等业务。

3.1 能源互联网概念源流

能源互联网的提出者之一是《第三次工业革命》的作者、美国未来学家杰里米里夫金。它是以第四次工业革命为大背景的能源革命，目的是实现以新能源为一次能源的能源网络系统。该系统具有能源效率高、能源成本低等优点，可以实现电能、热能、生物质能、天然气等能源的高效转化和高效互补网络。

建设先进的能源互联网企业已经成为了电网公司的发展目标之一，可见其概念的重要性。在双碳背景下，能源互联网的构建需要借助互联网的概念，形成能量路由器、多能互补的物理结构，更需要实现数字化的信息层。通过信息层的构建，实现能源的高效调度、利用。

能源互联网离不开无中心网络的概念，通过构建便捷准入的微网和分布式能源环境，降低主网的双向互动门槛，实现利用民间力量提高电网的清洁程度，可以加快电网的清洁转型。

能源互联网的物理层是对现有电气先进技术的集成，应用先进的电力电子技术，构建先进的直流配电网络和输电网层面的交直流电网。并且通过信息技术和能量管理技术， 将分布式能量采集、储存装置和其余能源网络连接起来。

3.2 能源互联网技术发展趋势

目前，能源互联网仍然在概念和示范阶段。未来能源互联网将在“互联网+”行动中提高信息化水平，通过先进的电气设备的连接和高效能源路由器的研发，使得能源互联成为可能。

4.1 技术融合模型构建

将区块链技术、物联网技术、能源互联网技术进行融合分析。能源互联网技术是底层应用技术，主要作为能源经济生产的主要载体；
而区块链技术主要是作用于交易操作，所以可以作为价值层的数字构架。物联网可以作为二者之间的物理桥梁。技术融合模型如图2所示。

图2 技术融合模型

4.2 技术融合模型实现

三层物联网条件下的能源互联网如图3所示。区块链作为价值层即运营处理层的主要架构形式完成能源互联网的交易。而物联网络层作为底层物理设备的信息互联物理结构支撑价值层和物理层之间的交互连接。

图3 物联网条件下的能源互联网三层结构

4.3 物联网条件下区块链技术在能源互联网中的应用分析

首先，物联网条件下，设备层级的连接将变得比较发达，设备数据将存储得较为充分。区块链技术的P2P特性可以得到充分发挥。

基于智能合约[34-39]技术，端到端交易成为可能。设备物联使得小生产者之间可以直接交易。一家光伏发电单位可以直接与另外一家储能单位交易，或者直接给电动汽车充电。由此，电网的电力高速作用将被激活，消除信息不对称，使得区域的电力市场变得更透明，这也将有利于经济的发展。

理想条件下的能源互联网的产销者模式可以有效推动能源的高效生产，物联网技术使能源设备整合成为可能，有助于形成“虚拟电厂”等概念，提高能源系统的效率和效能。区块链技术可以有效解决这一构想下的机制检验、交易保存等问题。

区块链技术可以在物联网条件下，激励能源互联网的发展。同时也能够提高能源互联网管理方的管理水平，包括供应链管理、审计财务、办公管理等，提高管理的办公效率，降低不同主体之间信任构建的成本。

此外，利用区块链在金融界的良好应用经验，也可以为能源互联网用户提供金融服务[40-46]，提高能源互联网中参与者的社会服务水平。

区块链加物联网的技术路线将会在能源互联网发展中起到更重要的作用。区块链和物联网技术被工程界的广泛接受，使得区块链和物联网相关的软硬件信息技术将被迅速应用到实际工程中来。

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