智慧園區能源管理平臺及能源區塊鏈研究

摘 要：針對園區、工廠等在能源管理中普遍存在的信息孤島、數據不可溯源等問題，面向市場交易開發了低碳數智化園區能源管理平臺，給出了智慧園區能源管理平臺架構和園區能源管理數據中臺開發部署方案。呈現出園區能源區塊鏈的設計架構和開發思路，創新性開發了園區能源區塊鏈的交易流程，為能源交易、碳交易、需求響應等場景提供了技術和平臺支撐。

關鍵詞：智慧園區; 能源管理; 區塊鏈; 能源交易; 碳交易

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）11-0007-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.002

0 引 言

在當今全球氣候變化和能源危機的嚴峻形勢下，推動低碳發展已成為當務之急。園區作為承載地方產業發展的重要企業聚集地，是能源消耗的重要場所［1］。園區主要以電能作為主要能源系統。而受我國電能生產現狀所限，2020年采用電網供電的園區67.8%的電力供應依然是化石能源，園區已經成為重要的碳排放載體。

隨著全球對可持續發展和低碳經濟的不斷追求，智慧能源管理系統成為了城市能源管理的重要手段［2］。傳統智慧能源管理系統在智能管控方面仍存在一些不足之處，部分系統的數據采集和監測不夠精確和全面，導致無法準確掌握能源的實際使用情況，難以進行有效的分析和優化［3］。特別是，面對市場交易改革，現有能源系統面臨數據缺失、數據不準確、數據不可溯源等問題，對園區層面的能源管理和市場化交易帶來了巨大挑戰。

本文面向能源、電力、碳排等領域的市場化交易，開發了低碳數智化園區能源管理平臺，開發了園區能源區塊鏈和交易流程，為能源交易、碳交易、需求響應等場景提供了技術和平臺支撐，可為市場化環境下園區綠色低碳發展和數智化轉型提供“新質生產力”支撐。

1 園區低碳數智化能源管理平臺的架構設計

1.1 園區能源管理平臺架構設計

園區低碳數智能源管理平臺是利用工業互聯網技術構建智慧園區各系統的數字底座，是整個智慧園區建設的心臟和數據融通的中樞，起到下聯設備和服務，上撐管理和應用的作用。平臺使用云服務器部署，極大程度方便了工業園、商業建筑、辦公樓等用戶的使用。同時平臺集大數據、智能算法等多項高新技術，采用信息化、物聯網等技術手段，幫助用戶對自身能源消耗進行實時跟蹤和用能分析，尋找節能空間，挖掘節能潛力，降低能源風險。園區低碳數智能源管理平臺架構如圖1所示。

園區低碳數智能源管理平臺是一個集智能化、數字化于一體的先進系統，其架構主要包括4層。

（1） 應用層：是整個平臺的核心展示與控制部分。它涵蓋了能源監控與管理、數據分析與報表、智能調度等功能模塊。通過直觀清晰的界面，用戶可以實時掌握園區內能源的使用情況，進行精細化的管理和決策。

（2） 傳輸層：負責數據的可靠傳輸。利用先進的網絡技術，確保計量儀表及設備采集到的數據能夠及時、準確地傳送到應用層。這一中間環節如同能源數據的“高速公路”，保障了信息的流暢傳遞。

（3） 計量層：負責數據的計量。包括各種智能電表、水表、氣表等，它們精確地測量著能源的消耗情況。這些設備分布在園區的各個角落，為平臺提供了詳盡的基礎數據。

（4） 設備層：是數據的源頭。包括照明、插座、空調等，這些設備產生的能耗數據為實現高效能源管理提供基礎。

1.2 園區能源管理數據中臺開發部署方案

園區能源管理數據中臺是一種集中整合園區內各類能源數據的平臺。它收集來自不同設備和系統的數據，通過數據清洗、存儲和分析，為園區能源管理提供準確的決策依據，實現能源的高效利用和優化配置。這種將現代信息技術與能源管理領域相結合的創新模式，旨在建立一個統一的、開放的、智能的數據平臺，通過數據的集成、挖掘和共享，實現區域能源生產、傳輸、分配和使用各環節的智能化和高效運營［4］，解決傳統園區能源系統存在信息孤島、數據來源分散、系統不互聯等問題，提高園區能源的管理效能和管理水平，支撐了本文能源管理平臺大屏展示、能源看板、專項分析以及運維管理等應用服務功能。

園區能源管理數據中臺的部署架構如圖2所示。數據中臺的采集信息來源主要包括水、電、氣等數據，考慮到能源數據的數據類型存在較大差異，采用本地文件、FTP服務器或者不同類型數據庫進行保存，采集完成后經過網絡傳輸到中臺的MongoDB集群。該集群由多個節點組成，能源數據被分布存儲在不同節點上，提高了數據的讀寫效率和系統的可靠性。中臺運維區的管理人員使用數據中臺處理數據，數據中臺采用防火墻實現內部網絡與其他系統網絡的安全隔離，保證中臺的安全運行。數據發布后辦公區的內網用戶可直接使用，對數據做進一步處理。

2 園區能源區塊鏈架構設計研究

2.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術是系列技術的集成，是包括數據庫、數字貨幣、非對稱加密算法等多項技術以特定方式組合后形成的一種去中心化的數據記錄與存儲體系。區塊鏈技術工作原理示意圖如圖3所示。

2.2 園區能源區塊鏈的架構設計

本文將園區能源管理相關數據加載到區塊鏈上，區塊鏈技術將用于創建一個不可改變的數據結構，其中記錄的用電數據和傳輸到系統的電力數據不能被篡改，保護傳輸到智能電網系統的用電數據安全。本文面向電力交易，引入智能合約，系統運行過程中形成可溯源的交易數據，智能合約將被用來設定電力用戶和電力公司之間的付費規則，如用戶需求響應等規則，實現交易數據的可溯源和可信性，為園區級電力交易提供了支撐。基于區塊鏈的園區能源管理系統構成示意圖如圖4所示。

（1） 用戶層：用戶層為園區內的用能實體，用能實體可以是家庭、辦公建筑、學校、醫院、公司等用戶，這些實體從給定的電力公司獲取電力。該層與智能電網上的注冊和認證層直接接口，允許用戶注冊成為系統的一部分。用戶通過訪問該界面注冊系統，并提供必要的信息。這些信息被提交到智能電網網絡，并在注冊和認證層接收和處理。

（2） 注冊認證層：該層由注冊程序和認證程序組成。在系統上注冊的用戶的數據首先由驗證程序接收。處理請求并為用戶生成唯一的ID。這個唯一的ID標識系統上的每個用戶。每當用戶登錄到系統時，驗證程序就會使用這個唯一的ID對用戶進行身份驗證。在注冊與認證層中的智能合約被專門設計用于發現和應對智能電網中可能存在的異常情況。在此系統上生成的智能合約已嵌入加密密鑰，這使得合約能夠加密激活操作生成的報告。

（3） 智能合約中心：是主權區塊鏈網絡上的報告異常狀態以及生成響應動作的中心，智能合約數據庫存儲用戶和電力公司之間約定的在違反智能合約規則時要執行的操作列表，它還存儲每個操作的日志，從而在需要時為責任和審計提供一致的數據。

（4） 數據中心：數據中心直接與處理和監控層交互，接收處理到主權區塊鏈上的數據副本，并存儲用于滿足負荷預測或電力營銷的業務需求。

電力公司直接與數據處理和監視層接口，并且根據處理和協商節點的請求將配電操作的記錄數據傳送至數據處理和監視層。最后，根據每月是否支付電費將電能分配給智能電網上的電力用戶。

3 園區能源區塊鏈開發與交易流程設計

3.1 園區能源區塊鏈的開發

目前的區塊鏈技術按照應用范圍可簡單分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈3種類型：

（1） 公有鏈所有接入節點均可參與讀寫數據，去中心化程度高;

（2） 私有鏈主要是應用于一個組織內部，沒有去中心化，僅獲授權的節點才可接入;

（3） 聯盟鏈介于公有鏈與私有鏈之間，具有部分去中心化開放一定權限等特點，兼顧公有鏈的去中心化和私有鏈的高效性。

每種區塊鏈類型都有其特點和適用場景，因此在選擇能源區塊鏈的開發類型時，需要綜合考慮多個因素［5］。

鑒于園區能源管理系統的規模，本文研究構建的能源區塊鏈平臺以聯盟鏈技術為基礎，對能源區塊鏈平臺采用的共識機制進行設計，用戶需要采用實名認證的方式，經過審核之后才能進入能源區塊鏈系統進行相應的電能交易。由于能源區塊鏈的參與節點數量遠小于公有鏈，所以采用隨機選擇的共識機制來選擇記賬人，避免了公有鏈中工作量證明共識機制造成的算力浪費，并提高了系統的效率。

能源區塊鏈中每個區塊包括區塊頭和區塊體兩個部分，區塊頭部分封裝了上一個區塊的哈希（Hash）值（通過特定算法生成的唯一數值標識，用于確保單個數據塊的完整性）、時間戳、隨機數和Merkle根（一種在區塊鏈和數據驗證中常用的數據結構，可驗證整個數據集的完整性）等數據，用來保證能源區塊鏈的鏈式結構以及交易數據的不可篡改性;區塊體中封裝了能源交易、碳交易、需求響應等產生的各種交易數據，通過哈希函數生成Merkle根，再保存到區塊頭中，保證了數據的不可篡改、可追溯等特性。園區能源區塊鏈結構設計與開發思路如圖5所示。

3.2 基于園區能源區塊鏈的交易流程設計

能源區塊鏈以區塊鏈技術為基礎，能源數據上鏈保障了數據的可溯源性［5］。基于本文開發的園區能源區塊鏈，給出了園區能源區塊鏈交易流程。園區能源區塊鏈結構設計與開發思路如圖6所示。能源交易商首先申請進入園區能源區塊鏈平臺系統，然后進行實名認證，通過認證后方能發起能源交易，選擇或判斷能源交易、碳交易、需求響應等交易模式。當其他用戶響應交易，并確認后將生成交易數據。區塊鏈系統隨機選擇記賬人對交易數據進行打包生成新區塊，接著新生成的區塊將被廣播給其他節點，其他節點將確認新區塊中的交易信息，待確認無誤后新區塊上鏈，本輪交易結束。如果進入下一輪交易，則其基本步驟與之前一致。

4 結 語

園區低碳數智能源管理平臺具有重要的應用價值，本文開發了智慧園區能源管理平臺架構，給出了園區能源管理數據中臺開發部署方案，平臺可利用先進的數字化和智能化技術，實現對能源數據的精準采集、實時監控和能源管理，為園區能源管理科學決策提供有力依據，并已在多個示范項目應用。

在現有智慧園區數智能源管理平臺基礎上，本文面向市場交易，提出了園區能源區塊鏈的設計架構，給出了園區能源區塊鏈交易流程，可為能源交易、碳交易、需求響應等場景提供技術和平臺支撐。

［1］ 吳翠青，王偉，孫志偉.“雙碳”目標下園區（開發區）能耗效率及低碳發展路徑研究——以江西省35家園區（開發區）為例［J］.價格月刊，2023（4）：35-40.

［2］ 陳娟，龍德全，賈湘豫.電網與低碳規劃相結合的智能能源管理系統設計與實現［J］.電氣技術與經濟，2023（10）：283-286.

［3］ 古小威，陳科帆.“雙碳”背景下智慧園區建設思路探析［J］.通信與信息技術，2024（3）：83-86.

［4］ 胡賀駿.城鎮小區用戶用能數據中臺設計與實現［D］.南寧：廣西大學，2023（6）：4-10.

［5］ 劉吉成，孫嘉康，郭啟蒙.能源區塊鏈下“光-儲-用”價值鏈增值效應仿真分析［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