基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)電力線通信技術(shù)研究

尹建軍

（云南省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)院，云南 昆明 650031）

0 引 言

化石能源減少所造成的生態(tài)污染越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注。在此背景下，綠色和可再生能源的技術(shù)將在一定程度上解決這一困境。以往的能源交易一般需要集中優(yōu)化資源配置方法，存在成本高、易受攻擊、用戶隱私以及安全性差等缺點(diǎn)。能源互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)能源雙向輸出和動(dòng)態(tài)平衡，優(yōu)化清潔能源的接入率，是能源行業(yè)未來發(fā)展的方向。能源互聯(lián)網(wǎng)是由電力結(jié)構(gòu)網(wǎng)、交通網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效組合而成的共享網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)了越來越多的弊端，如并網(wǎng)困難、能耗高、設(shè)備利用率差等。因此，探索創(chuàng)新基礎(chǔ)電網(wǎng)、充分利用清潔能源的途徑已成為相關(guān)行業(yè)的重點(diǎn)研究方向[1]。國家電網(wǎng)有限公司提出建立全球能源網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)清潔能源在全球范圍內(nèi)的最佳分布。能源互聯(lián)網(wǎng)以電力為核心，以結(jié)構(gòu)化的控制網(wǎng)絡(luò)為核心，整合各種分布式可再生能源，通過高端通信方式、電力電子等先進(jìn)技術(shù)，整合能源流之間的雙向信息流。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展概述

能源互聯(lián)網(wǎng)是1個(gè)泛能源系統(tǒng)，能源交易多元化，產(chǎn)品多元化，決策去中心化，信息透明，即時(shí)交易，如開放互聯(lián)，以用戶為中心，去中心化的P2P共享。能源互聯(lián)網(wǎng)將分布式能源整合到當(dāng)前的集中式電網(wǎng)中，無法解決不同分布式點(diǎn)的信任問題，也無法保證各方在計(jì)量、互動(dòng)、決策、控制等方面的利益不受損害，能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施還存在一些困難[2]。能源互聯(lián)網(wǎng)包括發(fā)電、電能消耗、能源儲(chǔ)存、傳輸以及電能轉(zhuǎn)換等多種設(shè)備。各種設(shè)備構(gòu)成1個(gè)巨大的結(jié)構(gòu)，各種設(shè)備之間自動(dòng)、可靠、準(zhǔn)確、平衡的實(shí)時(shí)事務(wù)是需要解決的關(guān)鍵問題。為保障能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、通信網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延設(shè)置為滿足多點(diǎn)傳輸?shù)男枨?。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。能源互聯(lián)網(wǎng)的這些特點(diǎn)導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，完成大量數(shù)據(jù)的處理。能源互聯(lián)網(wǎng)的能源局域網(wǎng)由于各種能源設(shè)備的動(dòng)態(tài)拓?fù)洳▌?dòng)較大，使得能源互聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)具有多尺度性[3]。

為有效克服電力線信道多路傳輸造成的頻率選擇性衰落，需要利用電力線通信系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的集中交易模式下，能源交易會(huì)產(chǎn)生不必要的交易成本，其原因是它需要各種第三方管理系統(tǒng)來創(chuàng)建和維護(hù)1個(gè)交易信用體系。區(qū)塊鏈的技術(shù)特性自然適合能源研究。有了能源區(qū)塊鏈，從基層建設(shè)到商業(yè)系統(tǒng)，人們可以找到能源與電力全面協(xié)調(diào)的機(jī)會(huì)。電力線通信利用電壓、電流波形中微弱的低頻變異性信號(hào)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)上的信息傳輸，具有通過配電變壓器遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、透明、開放的特性，提升了其在能源互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵意義，從而推動(dòng)了能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步。要推動(dòng)能源網(wǎng)絡(luò)中能源結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，就必須調(diào)整傳統(tǒng)的能源交易體制，完成分布式市場結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，以取代集中式的管理體制[4]。本文目的是研究當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)的能源通信，探討基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中需要解決的主要困境，并為未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成帶來相應(yīng)的理論支持。

2 電力線通信技術(shù)的基本概念及其在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 電力線載波通信的基本理論

（1）分布式供電接入中采用的電力線通信技術(shù)。能量網(wǎng)絡(luò)包括了許多分布的電力系統(tǒng)和有源負(fù)載的系統(tǒng)，而安全的信息傳輸渠道是關(guān)鍵；采用輸電線路作為通信介質(zhì)，對(duì)大規(guī)模的分布式供電進(jìn)行監(jiān)測與調(diào)度，可以使電網(wǎng)的能源得到最大程度的發(fā)揮。功率電纜的載波通信以高頻信號(hào)傳送，通信速率雖高，但僅限于相同的電壓水平。結(jié)合不同類型電力系統(tǒng)的不同接入狀況，綜合運(yùn)用這2種技術(shù)建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的信道非常經(jīng)濟(jì)。一方面，配電系統(tǒng)的并網(wǎng)投切會(huì)改變系統(tǒng)的阻抗性能，進(jìn)而對(duì)輸電線路的載波通信和工頻通信的性能產(chǎn)生一定的不利作用；而由于分布式電源并網(wǎng)裝置的大量使用，使電網(wǎng)的噪音變得更為復(fù)雜，對(duì)載波通信和工業(yè)頻率通信的信號(hào)進(jìn)行了探測[5-8]。

（2）用于可持續(xù)能量的電力線通信技術(shù)。與常規(guī)電力網(wǎng)比較，能夠充分地從自然中獲取可再生資源，降低對(duì)非更新資源的依賴性。在網(wǎng)絡(luò)中，如何對(duì)可再生資源進(jìn)行有效的管理，并可靠、高效地在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行成為主要研究內(nèi)容。因此，通過電力線路通信技術(shù)，可以對(duì)電能、電壓和功率進(jìn)行自動(dòng)的控制，從而達(dá)到對(duì)可再生資源的控制。

（3）配電網(wǎng)中采用的輸電線路通信技術(shù)。在電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營中，配電網(wǎng)具有可靠性、靈活性和高效性等特性。針對(duì)能源因特網(wǎng)的通信要求，采用電力線通信技術(shù)能夠及時(shí)檢測出電網(wǎng)中的所有問題，并通過電力線通信協(xié)助能源因特網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行兼容、集成、優(yōu)化，最后達(dá)到整體電網(wǎng)的高效解決。

2.2 電力線通信的基本原理

下行數(shù)據(jù)信息編碼開始后，即同步檢測完成后，需要進(jìn)行電壓過零變化的數(shù)據(jù)解調(diào)。如果電力線工頻通信系統(tǒng)采用主從模式，則不需要使用同步信號(hào)?；趨^(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)增加或減少參與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。這種架構(gòu)順應(yīng)了新能源在能源互聯(lián)網(wǎng)中去中心化和靈活的特性，讓新能源節(jié)點(diǎn)在不改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下穩(wěn)定高效運(yùn)行[9]。未來的能源互聯(lián)網(wǎng)將覆蓋許多生產(chǎn)者和消費(fèi)者的用戶。為了實(shí)現(xiàn)巨大的資源動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定、高效、安全的能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的主要要求。這種交易體系下的能源交易一般由交易中心負(fù)責(zé)統(tǒng)籌規(guī)劃能源結(jié)構(gòu)的總體平衡。此外，需要各種第3方組織來確保交易的安全性和可靠性。交易規(guī)模和單位不受限制，不定期或分批進(jìn)行。對(duì)于可以是機(jī)構(gòu)或個(gè)人的場外交易，市場參與者將不受限制。不同的參與者具有包容性的貿(mào)易聯(lián)系[10]。

主要設(shè)備根據(jù)信號(hào)傳輸協(xié)議預(yù)估上行信號(hào)的起始時(shí)間，并在接收端電壓過0點(diǎn)旁配置1個(gè)檢測窗口。確定電壓過0位置電流信號(hào)積差的正負(fù)進(jìn)行檢測。在電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中，功率協(xié)調(diào)信號(hào)的電力線衰減較小，傳輸延遲將被忽略。區(qū)塊鏈多輥節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的能源互聯(lián)網(wǎng)信用網(wǎng)絡(luò)將形成相互監(jiān)控、綠色發(fā)展的能源環(huán)境，建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的民主機(jī)制。與自上而下的連鎖機(jī)構(gòu)和工作實(shí)踐協(xié)調(diào)子監(jiān)控模式，幫助構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的誠信環(huán)境。能源互聯(lián)網(wǎng)擁有各種高度智能化的分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、用電設(shè)備。區(qū)塊鏈技術(shù)在智能互聯(lián)網(wǎng)能源之間建立了低成本的通信橋梁，并呈指數(shù)級(jí)增長。分布式共識(shí)架構(gòu)增強(qiáng)了架構(gòu)的交易安全性和隱私性。

3 基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)電力線通信體系結(jié)構(gòu)

3.1 區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)

區(qū)塊鏈技術(shù)首先是以比特幣開發(fā)的去中心化集體數(shù)據(jù)庫維護(hù)技術(shù)。區(qū)塊鏈可以使體系結(jié)構(gòu)中的每個(gè)參與者在不需要各方信任的情況下完成協(xié)作，創(chuàng)建1組數(shù)據(jù)安全性強(qiáng)的防篡改數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈技術(shù)將完成從信息互聯(lián)網(wǎng)到價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，將應(yīng)用于金融、證券、交易架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)行業(yè)。節(jié)點(diǎn)可達(dá)性可視化分析是電力通信可視化的1個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。區(qū)塊鏈采用固定的共識(shí)算法，確保整個(gè)架構(gòu)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能穩(wěn)定有效地完成數(shù)據(jù)交換，無需信任和批準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到互連目的的根本原因是主機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。在一些公共場所，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，在大數(shù)據(jù)延遲的環(huán)境下，互聯(lián)網(wǎng)是1種開放的通信結(jié)構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)媒體的固有屬性?，F(xiàn)有媒體傳播的壟斷時(shí)期將不復(fù)存在[11]。

3.2 區(qū)域微電網(wǎng)信用生態(tài)系統(tǒng)

能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步是以網(wǎng)絡(luò)信息環(huán)境和智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，借鑒互聯(lián)網(wǎng)模式。在對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不能使用單一指標(biāo)作為評(píng)價(jià)條件。為了充分有效地展現(xiàn)電網(wǎng)的工作狀態(tài)，需要考慮整個(gè)電網(wǎng)，綜合考慮各個(gè)可靠性指標(biāo)。區(qū)域微電網(wǎng)按區(qū)域和節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行劃分[12]。1個(gè)微電網(wǎng)是1個(gè)鏈，不同地區(qū)的微電網(wǎng)是側(cè)鏈。電力通信體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜性強(qiáng)，根據(jù)使用場景可分為傳輸網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)和支撐網(wǎng)。一般來說，作為標(biāo)簽使用的數(shù)據(jù)信息需要清楚地分析目標(biāo)情況，而實(shí)際的標(biāo)簽需要充分了解用戶在目標(biāo)業(yè)務(wù)中的作用。

區(qū)塊鏈技術(shù)可用于創(chuàng)建電力交易系統(tǒng)，而無需改變?cè)械碾娏灰讟I(yè)務(wù)模式，整個(gè)平臺(tái)分為3個(gè)層次。由于節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交易基于固定的算法，雙方不需要公開自己的身份，而是可以借助區(qū)塊鏈上的程序性規(guī)則讓對(duì)方信任自己。各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)必須與數(shù)據(jù)庫一起存儲(chǔ)在服務(wù)器上，因此必須將這些數(shù)據(jù)從自己的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器傳輸?shù)骄哂袛?shù)據(jù)倉庫的本地服務(wù)器[13]。一般來說，能量點(diǎn)只在1個(gè)微電網(wǎng)中循環(huán)。對(duì)于地區(qū)之間的業(yè)務(wù)，能量點(diǎn)流出的一面充當(dāng)主鏈，事務(wù)鎖定能量點(diǎn)和流入方充當(dāng)側(cè)鏈來創(chuàng)建1個(gè)事務(wù)證明加密，以確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的循環(huán)點(diǎn)[14]。電力是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，創(chuàng)造穩(wěn)定有效的信息傳輸架構(gòu)需要以傳統(tǒng)的電力通信結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈允許設(shè)備滿足自我管理和維護(hù)的需求，將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒌?、自適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)[15]。在這種體系結(jié)構(gòu)中，可以滿足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)男枰瓿煞植际綌?shù)據(jù)共享的任務(wù)。

4 結(jié) 論

能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定工作需要安全有效的通信網(wǎng)絡(luò)支持。能源互聯(lián)網(wǎng)是多能源融合、網(wǎng)物融合以及多市場融合的產(chǎn)物，對(duì)未來能源生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存和消費(fèi)具有重要意義。區(qū)塊鏈具有信息去中心化、開放性、自治性和不變性的特點(diǎn)，是未來數(shù)字化浪潮的核心，也是構(gòu)建有價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)的前提。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和利用創(chuàng)造了巨大的機(jī)遇。基于區(qū)塊鏈的能源微電網(wǎng)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的建立，將加強(qiáng)能源互聯(lián)網(wǎng)之間的信任，徹底改變能源電力領(lǐng)域的傳統(tǒng)商業(yè)和管理模式。電力線信道模型應(yīng)該簡單并且能夠描述所有情況。區(qū)塊鏈技術(shù)融入能源互聯(lián)網(wǎng)后，將能夠滿足安全可靠的能源交易需求，從而完成成本優(yōu)化，推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施。