張淇昶，任 杰

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710061；2.高通無線通信技術（中國）有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進的計算機技術發(fā)展迅猛，已有光伏電站借助于這些技術使得管理方式更加智能化、自動化和信息化。智能光伏電站能源管理系統(tǒng)的構建能夠有效地提高光伏電站的管理效率和效益，保障電站的安全穩(wěn)定運行。但是隨著光伏電站建設范圍和規(guī)模的不斷擴大，智能光伏電站能源管理系統(tǒng)涉及越來越多的設備、數(shù)據(jù)和交易，進而導致其在設備可靠性、數(shù)據(jù)安全性和準確性、交易公正性和透明性等方面容易出現(xiàn)信任問題[1-3]。因此需要建立一種可靠的信任機制來確保數(shù)據(jù)的安全性和準確性，以及交易的公正性和透明性，避免因數(shù)據(jù)泄露和損壞等原因引起系統(tǒng)癱瘓、業(yè)務中斷等嚴重問題。鑒于此，本文嘗試建立基于區(qū)塊鏈技術的智能光伏電站管理系統(tǒng)，以解決以往光伏管理智能系統(tǒng)中潛在的信任問題。文中主要利用區(qū)塊鏈技術的非對稱加密技術、智能合約、分布式賬本技術，實現(xiàn)光伏電站管理系統(tǒng)的去中心化和數(shù)據(jù)不可篡改，使系統(tǒng)擁有了有效的風險管理機制，從而盡可能地保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，保障系統(tǒng)各項交易的真實性、可追溯性和安全性。

1 系統(tǒng)架構

1.1 區(qū)塊鏈技術的基本原理和應用

區(qū)塊鏈技術是一種數(shù)據(jù)結構，由一系列按時間順序排列的區(qū)塊組成，這些區(qū)塊使用密碼學方式進行安全鏈接和驗證，使得數(shù)據(jù)難以被篡改，并且具有去中心化的特性[4-6]。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每一個節(jié)點都保存了整個區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)副本，如果某一節(jié)點的數(shù)據(jù)被篡改，其他節(jié)點將會發(fā)現(xiàn)這一更改并將其視為無效。因此，區(qū)塊鏈技術提供了一種高度安全、去中心化的數(shù)據(jù)存儲和傳輸方式，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，保證交易的真實性、可追溯性，可以應用于許多領域，如金融、醫(yī)療、版權保護等對數(shù)據(jù)安全性或交易透明性要求非常嚴格的領域[7-9]。區(qū)塊結構如圖1所示。

圖1 區(qū)塊結構

去中心化是區(qū)塊鏈的核心特性。構建基于區(qū)塊鏈技術的系統(tǒng)，可以將交易信息存儲在所有參與的節(jié)點上，并且任一節(jié)點都不會擁有特殊的權利和地位，任何一個節(jié)點的交易信息都不能被篡改而是會永久保留。在智能光伏電站能源管理系統(tǒng)中，為參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的逆變器、光伏環(huán)境和電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等配置唯一的設備節(jié)點，同時配置IP地址、端口號、節(jié)點名稱等節(jié)點參數(shù)。如果某些節(jié)點或參與者存在欺詐或不當行為，其他節(jié)點將會發(fā)現(xiàn)這一更改并將其視為無效，從而保證系統(tǒng)的整體運行。區(qū)塊鏈技術的去中心化機制能夠有效地消除傳統(tǒng)光伏電站管理系統(tǒng)中的中心化信任風險，進而確保系統(tǒng)各項交易的公正和透明。

區(qū)塊鏈通過分布式存儲、時間戳和哈希算法保證了數(shù)據(jù)的不可篡改特性，一旦寫入數(shù)據(jù)，就不能修改和刪除，而是會一直保留。智能光伏電站能源管理系統(tǒng)涉及大量環(huán)境、設備和發(fā)電數(shù)據(jù)的采集、分析和存儲，一旦篡改數(shù)據(jù)，將會影響整個電站系統(tǒng)的正常運行。因此可以在電站系統(tǒng)的每個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點都存儲光伏電站數(shù)據(jù)的完整副本，實現(xiàn)整個電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的去中心化存儲，這樣一來就不存在單點故障，也沒有單點可攻擊以篡改數(shù)據(jù)；令每個區(qū)塊都包含時間戳，任何篡改歷史記錄的行為都將被檢測出來；同時，每個區(qū)塊都包含前一個區(qū)塊的哈希值，這樣就鏈接了區(qū)塊并確定了區(qū)塊順序。如果對任一區(qū)塊的數(shù)據(jù)進行篡改，該區(qū)塊的哈希值也會改變，從而打破區(qū)塊鏈結構與共識。區(qū)塊鏈技術通過分布式存儲、非對稱加密等技術，使得在系統(tǒng)中需要認證和授權才能進行交互和交易，從而保證數(shù)據(jù)來源真實、全網(wǎng)一致、存儲安全。

綜上，將區(qū)塊鏈技術應用于智能光伏電站管理系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)光伏發(fā)電能源數(shù)據(jù)的安全記錄和存儲，包括能源的生產(chǎn)、消耗、交易等信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和透明管理，這有助于光伏能源企業(yè)深入地進行數(shù)據(jù)分析和挖掘，進一步優(yōu)化光伏發(fā)電能源的生產(chǎn)和管理；可以實現(xiàn)光伏發(fā)電能源交易的自動化和實時結算，減少人為干預和操作失誤，提高交易效率和安全性；還可以實現(xiàn)光伏發(fā)電能源供應鏈的透明化和智能化管理，跟蹤電力能源的生產(chǎn)、交易等全過程，提高供應鏈的可靠性和安全性。另外，利用區(qū)塊鏈技術還可以實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，使得原本獨立的分布式和集中式光伏系統(tǒng)有機地結合起來，促進光伏發(fā)電等新能源的高效利用和快速發(fā)展。

1.2 系統(tǒng)架構設計

考慮到光伏電站的能源數(shù)據(jù)具有實時性強、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)價值高等方面的特點，以及其在數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、安全等方面的較高需求，搭建基于區(qū)塊鏈技術的智能光伏電站系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構

數(shù)據(jù)層：主要負責光伏電站數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲，同時還要保證數(shù)據(jù)的安全性和可信度。通過各種傳感器設備采集光伏組件、逆變器、控制器和蓄電池等設備的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、發(fā)電數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)存儲采用分布式存儲，允許區(qū)塊鏈網(wǎng)絡上各個節(jié)點的參與者一起存儲和維護數(shù)據(jù)，并且不允許修改和刪除，以此來保證各項數(shù)據(jù)的真實、安全和隱私。

共識層：主要負責實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的共識機制，包括選擇合適的共識算法、確定網(wǎng)絡參數(shù)等，實現(xiàn)系統(tǒng)中光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的共識和驗證。在本系統(tǒng)中，采用了POET共識算法[10]，該算法可以省去大量運算，只須共識節(jié)點在安全區(qū)內生成一個隨機數(shù)作為等待時間，先完成等待的共識節(jié)點會在安全區(qū)內生成區(qū)塊打包權證書，交付區(qū)塊鏈驗證后獲得該區(qū)塊的打包權，以確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

智能合約層：主要負責實現(xiàn)自動執(zhí)行合約內容、記錄合約執(zhí)行結果等功能。在本系統(tǒng)中，采用智能合約自動化地管理光伏設備的狀態(tài)、控制光伏設備和管理系統(tǒng)的運行，實時監(jiān)測和記錄光伏電站的發(fā)電功率、電網(wǎng)功率、用電功率等數(shù)據(jù)，以及所在區(qū)域的實時天氣、實時發(fā)電參數(shù)、發(fā)電歷史、電池監(jiān)測、巡檢與運維工單等信息，對電站的發(fā)電量、設備運行情況、電站負荷等信息進行智能化分析和管理；系統(tǒng)根據(jù)預設的規(guī)則自動執(zhí)行相應的操作，如自動調整光伏板的角度、開關設備、故障修復等。同時，系統(tǒng)還支持用戶根據(jù)電站的具體情況自定義智能合約，以滿足自身的業(yè)務需求。

應用層：主要負責為用戶提供包括數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)監(jiān)控、遠程控制等功能的接口和服務。具體功能包括：用戶管理功能，包括電站管理用戶登錄、權限管理、查看操作記錄等；數(shù)據(jù)分析和處理功能，對電站的各項數(shù)據(jù)和信息進行統(tǒng)計、分析和處理，提供相應的報告和建議；報警和通知功能，對電站的異常情況進行及時報警和通知，以便用戶及時處理和解決；設備管理功能，包括光伏設備信息維護、設備故障報修、設備維修記錄等；任務管理功能，包括任務創(chuàng)建、任務分配、任務跟蹤等，以便用戶對電站的日常運維進行管理。應用層提供了簡單易用的界面和操作方式，降低了用戶的學習成本和使用難度，以較快的速度提高了用戶的使用體驗。

跨鏈交互層：主要負責實現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的跨鏈交互，包括數(shù)據(jù)交換、合約調用等。系統(tǒng)采用跨鏈協(xié)議和橋接技術，識別和適配不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的交互和價值交換，包括身份認證、數(shù)據(jù)驗證、價值交換等方面的互通。該層設計考慮到了不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、價值交換方式等方面的差異，實現(xiàn)跨鏈交互的安全、可靠和高效。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設計

基于區(qū)塊鏈技術的智能光伏電站系統(tǒng)的硬件設計如圖3所示。其中最重要的是在以往的智能光伏電站能源管理系統(tǒng)硬件基礎上重點考慮了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡硬件設備的布置。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡硬件是系統(tǒng)的核心部分，包括多個運行區(qū)塊鏈軟件的設備節(jié)點和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡，其中使用了一些具有強大計算能力和存儲能力的服務器和設備作為節(jié)點，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖3 系統(tǒng)硬件設計

2.2 系統(tǒng)軟件設計

基于區(qū)塊鏈技術的智能光伏電站系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。先對系統(tǒng)進行初始化操作，包括系統(tǒng)設備初始化、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡創(chuàng)建等；系統(tǒng)通過各種傳感器硬件采集環(huán)境參數(shù)、設備運行狀態(tài)和發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上；通過區(qū)塊鏈技術，為數(shù)據(jù)分配獨立的ID，并進行加密簽名，進而對采集的數(shù)據(jù)進行驗證和存儲。基于區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)，運行設備和能源管理子程序，例如設備和能源監(jiān)控、能源調度、能源交易等，使用智能合約，自動執(zhí)行設備和能源管理的操作，當設備狀態(tài)或能源數(shù)據(jù)異常時，執(zhí)行自動報警操作。利用ECharts將環(huán)境參數(shù)、光伏設備狀態(tài)、發(fā)電數(shù)據(jù)等生成用戶個性化定制的可視化圖表，并展示在可視化大屏、電腦端、移動端等監(jiān)控設備上供用戶查看。除上述流程之外，還會定期進行系統(tǒng)的維護和更新，包括硬件和軟件的維護、升級等。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

3 結 語

為了最大可能地降低智能光伏電站能源管理系統(tǒng)中存在的信任風險，本文提出構建基于區(qū)塊鏈技術的智能光伏電站管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用非對稱加密算法來確保數(shù)據(jù)的真實和可信；采用分布式賬本技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互操作性，同時確保數(shù)據(jù)的真實性和可信度；采用智能合約技術，對系統(tǒng)和電站設備進行自動化管理和操作，減少人為控制容易產(chǎn)生的失誤?；趨^(qū)塊鏈技術的智能光伏電站能源管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲和共享、自動化交易執(zhí)行、分布式控制等功能，有助于提高光伏電站的運行效率和安全性，降低光伏能源管理成本，促進可再生能源的發(fā)展。