中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

分布式能源主要指部署在各個(gè)用戶(hù)端的綜合性能源管理平臺(tái)，具備高效能、低污染和經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)中扮演著關(guān)鍵角色，因此，分布式能源向一次能源的發(fā)展轉(zhuǎn)變已成為必然趨勢(shì)[1]。而區(qū)塊鏈技術(shù)因其去中心化、透明性、安全性和智能合約等特性，與分布式能源交易的需求高度契合，成為優(yōu)化能源交易模式的理想解決方案。由此本研究設(shè)計(jì)了一款基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易系統(tǒng)，旨在通過(guò)信息技術(shù)對(duì)能源交易各項(xiàng)流程進(jìn)行賦能。

1研究背景

1. 1 零碳園區(qū)

零碳園區(qū)是指在特定的區(qū)域范圍內(nèi)，通過(guò)應(yīng)用新能源、新信息技術(shù)及創(chuàng)新模式，最大限度地降低園區(qū)內(nèi)的碳排放水平，甚至達(dá)到零碳排放。建設(shè)零碳園區(qū)將碳減排理念深度融入城市發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)，統(tǒng)籌布局能源利用、交通運(yùn)輸、建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等多個(gè)領(lǐng)域，打造低碳環(huán)保、資源節(jié)約、生態(tài)友好的新型園區(qū)發(fā)展模式。這一模式與國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)高度一致，二者相輔相成，旨在減少溫室氣體排放，保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)向綠色可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型，是能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的具體體現(xiàn)[2]

1. 2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)分布式能源的可信存儲(chǔ)，通過(guò)部署集成智能合約的芯片設(shè)備，能源數(shù)據(jù)在生成的同時(shí)即可被加密并寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，有效防止數(shù)據(jù)篡改和虛假行為，顯著提升數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與可靠性[3] 。

區(qū)塊鏈技術(shù)為數(shù)據(jù)的安全流通提供了有力保障，通過(guò)數(shù)據(jù)所有者使用私鑰進(jìn)行簽名授權(quán)，可以精準(zhǔn)控制數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定對(duì)象的臨時(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)放，又能確保能源數(shù)據(jù)在共享過(guò)程中的安全性與可控性。

2模型建立

2.1照明系統(tǒng)模型

園區(qū)室內(nèi)照明亮度由燈具系統(tǒng)與自然陽(yáng)光的強(qiáng)弱共同作用保持，在確保室內(nèi)亮度達(dá)標(biāo)的前提下，若照明設(shè)備能夠響應(yīng)電力需求并有效利用自然光源，那么在日間電費(fèi)較高的時(shí)段，可以適度降低照明裝置的輸出功率。針對(duì)此目標(biāo)，本研究搭建照明系統(tǒng)模型，其公式如下：

P_{light，t}=F_inR_lightIL_in，t

式（1）中， P_light，t 和 IL_in，t 分別表示在特定時(shí)刻照明系統(tǒng)的功率輸出及其所產(chǎn)生的亮度水平， R_light 指實(shí)現(xiàn)單位亮度所需的功率消耗， F_in 說(shuō)明了所涉室內(nèi)空間的總面積。

為貼近實(shí)際應(yīng)用，特此設(shè)置約束函數(shù)：

IL_min?IL_in，t+IL_out，t?IL_max

式（2）中， IL_min 和 IL_max 分別表示所容許的最低與最高照明亮度水平， IL_out，t 指在時(shí)刻 χ_t 的室外光強(qiáng)度。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)模型

空調(diào)系統(tǒng)能夠確保室內(nèi)溫度處于人體舒適區(qū)間，而建筑本身的蓄熱能力與空調(diào)協(xié)同作用?；诖耍狙芯繛槭箍照{(diào)設(shè)備達(dá)到最佳的工作效能，建立了空調(diào)系統(tǒng)模型，其熱量平衡方程式表達(dá)為：

Q_light，t+Q_crowd，t+Q_new，t-Q_AC，t

式（3）中， ρ_a 代表空氣密度， c 指代空氣的比熱容， V 表示建筑物的總體積， θ_t 表示在時(shí)刻 Φ_t 的室內(nèi)溫度， B 為墻體傳熱系數(shù)， 表示時(shí)刻t的外界氣溫，Q_solar，t?Q_{infle，t}?Q_light，t?Q_crowd，t?Q_new，t 和 Q_AC，t 分別代表在時(shí)刻 χ_t 的太陽(yáng)輻射熱能、非彈性的電器負(fù)荷產(chǎn)生的熱量、照明設(shè)備負(fù)荷產(chǎn)生的熱量、人體散發(fā)的熱量、通風(fēng)系統(tǒng)散發(fā)的熱量以及空調(diào)系統(tǒng)的制冷熱量。

2.3新風(fēng)系統(tǒng)模型

新風(fēng)系統(tǒng)的工作功率和人流量相關(guān)，根據(jù)實(shí)際情況本研究建立模型，其公式為：

P_new，t=n_{crowd，t}R_newE

式（4）中， P_new，t 指時(shí)刻 χ_t 時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)的總能耗，n_crowd，t 表示時(shí)刻 χ_t 時(shí)建筑內(nèi)的總?cè)藬?shù)， R_new 表示單位新風(fēng)量的能耗值， E 為每人每小時(shí)需要的最小新風(fēng)量。為平衡通風(fēng)需求與能耗， E 的取值須結(jié)合建筑能效目標(biāo)，如《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736—2022）中明確規(guī)定：辦公建筑每人新風(fēng)量不應(yīng)低于 30m³/h 。

3方案提出

本研究提出了一種基于區(qū)塊鏈的園區(qū)能源交易方案，通過(guò)硬件設(shè)備采集并上傳樓宇間能源數(shù)據(jù)，經(jīng)智能網(wǎng)關(guān)接人區(qū)塊鏈端進(jìn)行讀取，由智能合約自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、處理與上鏈存儲(chǔ)。

3.1 整體架構(gòu)

整體架構(gòu)主要?jiǎng)澐譃?層：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、核心層和應(yīng)用層。其中，數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集能源數(shù)據(jù)與市場(chǎng)信息；數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)交易記錄、智能合約及能源資產(chǎn)權(quán)屬，采用鏈上哈希 + 鏈下數(shù)據(jù)庫(kù)的混合存儲(chǔ)策略來(lái)平衡效率與安全性；網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建P2P通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布式驗(yàn)證，支持跨鏈交互以連接電網(wǎng)管理系統(tǒng)或碳交易平臺(tái)；核心層依托智能合約實(shí)現(xiàn)交易自動(dòng)化，包括訂單匹配、實(shí)時(shí)結(jié)算及違約處理，結(jié)合鏈下計(jì)算滿(mǎn)足電網(wǎng)物理約束；應(yīng)用層面向終端用戶(hù)提供交易接口及增值服務(wù)，提升用戶(hù)體驗(yàn)與市場(chǎng)參與度。

3.2功能模塊

本研究將區(qū)塊鏈在能源交易系統(tǒng)的功能劃分為多個(gè)模塊。詳細(xì)功能模塊如圖2所示。

（1）存證溯源模塊中，能源生產(chǎn)、消費(fèi)和交易數(shù)據(jù)被完整記錄，確保不可篡改，支持跨鏈交易溯源，使得樓宇能源交易更加透明可信。

（2）身份認(rèn)證模塊保障了參與方的合法身份，確保只有授權(quán)用戶(hù)能夠參與能源交易，防止惡意節(jié)點(diǎn)干擾。

（3）隱私加解密模塊保護(hù)了用戶(hù)的敏感數(shù)據(jù)，平衡了透明性與隱私需求。

圖1園區(qū)能源交易系統(tǒng)框架

（4）智能合約模塊實(shí)現(xiàn)了能源交易的自動(dòng)化執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)交易并完成結(jié)算，顯著提升效率。（5）數(shù)據(jù)定價(jià)和交易激勵(lì)機(jī)制模塊通過(guò)經(jīng)濟(jì)學(xué)和優(yōu)化理論動(dòng)態(tài)調(diào)整能源價(jià)格，結(jié)合反饋信任機(jī)制激勵(lì)用戶(hù)參與分布式能源共享。（6）終端設(shè)備與區(qū)塊鏈的交互確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性，確保數(shù)據(jù)源頭真實(shí)可靠。（7）跨鏈與云端交互模塊支持不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同管理。（8）可信管理模塊通過(guò)評(píng)估節(jié)點(diǎn)的歷史行為降低合作風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

圖2區(qū)塊鏈能源系統(tǒng)功能模塊

3.3交易流程設(shè)計(jì)

園區(qū)能源區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如圖3所示。能源交易商須先申請(qǐng)加入園區(qū)能源區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)，完成實(shí)名認(rèn)證。認(rèn)證通過(guò)后，才能發(fā)起能源交易。當(dāng)其他用戶(hù)響應(yīng)交易并確認(rèn)相關(guān)信息后，系統(tǒng)將生成對(duì)應(yīng)的交易數(shù)據(jù)，由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選取記賬人，負(fù)責(zé)將交易數(shù)據(jù)打包生成新區(qū)塊，隨后廣播至網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)將對(duì)區(qū)塊內(nèi)的交易信息進(jìn)行驗(yàn)證。待驗(yàn)證無(wú)誤后，新區(qū)塊將被正式添加至區(qū)塊鏈，本輪能源交易告完成。若須繼續(xù)進(jìn)行下一輪交易，則流程與前述步驟相同[4]。

圖3園區(qū)能源交易流程

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用多層次的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和智能控制3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新[5]。

在信號(hào)處理層面，采用異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)，整合數(shù)字信號(hào)處理器DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA和圖形處理器GPU的協(xié)同處理能力。其中，DSP負(fù)責(zé)電能參數(shù)的精確采集與分析，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)交易信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，GPU則用于能源使用模式的深度學(xué)習(xí)分析。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)使得能源交易相關(guān)的信號(hào)處理延遲降低35% 以上，同時(shí)能夠靈活滿(mǎn)足不同規(guī)模的交易數(shù)據(jù)處理需求。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用光纖與同軸電纜混合組網(wǎng)方案，充分發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)。主干網(wǎng)絡(luò)采用支持波分復(fù)用技術(shù)的光纖傳輸，在單根光纖上實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)并行傳輸，顯著提升樓宇間能源交易數(shù)據(jù)的傳輸容量；分支網(wǎng)絡(luò)則采用同軸電纜，確保樓內(nèi)各能源計(jì)量節(jié)點(diǎn)的可靠接入。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該方案在保證傳輸質(zhì)量的前提下，可使系統(tǒng)整體傳輸成本降低 25% ，網(wǎng)絡(luò)帶寬提升3倍以上，為高頻能源交易提供可靠的通信保障。

智能控制終端以高性能嵌入式系統(tǒng)為核心，集成了溫濕度傳感器、氣體傳感器、光照傳感器等關(guān)鍵組件。引入基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)性維護(hù)算法，通過(guò)對(duì)傳感器歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析，提前識(shí)別設(shè)備潛在故障，使系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF延長(zhǎng) 25% 。同時(shí)，系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)能效優(yōu)化功能，可根據(jù)交易需求和用能狀況自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)能源利用效率 20% 的提升，為分布式能源交易提供精準(zhǔn)的計(jì)量和控制支撐。

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用分層優(yōu)化設(shè)計(jì)，在任務(wù)調(diào)度、消息處理、服務(wù)架構(gòu)和智能算法4個(gè)維度實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。

任務(wù)調(diào)度層采用混合調(diào)度算法，融合優(yōu)先級(jí)調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)機(jī)制，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)交易任務(wù)采用搶占式調(diào)度，確保關(guān)鍵交易指令的即時(shí)響應(yīng)；普通監(jiān)測(cè)任務(wù)則采用動(dòng)態(tài)時(shí)間片分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)利用。

消息中間件層基于ApacheKafka構(gòu)建分布式消息總線，引入機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)路由機(jī)制并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)載狀況。

服務(wù)層應(yīng)用微服務(wù)架構(gòu)，通過(guò)Docker容器化實(shí)現(xiàn)彈性擴(kuò)展，構(gòu)建了智能化的服務(wù)通信層。

智能算法層結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建能源交易運(yùn)行的優(yōu)化模型，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，降低整體能耗，針對(duì)區(qū)塊鏈交易開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的交易特征提取算法，提升智能合約執(zhí)行效率。

4.3智能合約設(shè)計(jì)

本文采用Solidity語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，打造一套高效的智能合約，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易機(jī)制為例。在交易雙方身份認(rèn)證均通過(guò)的前提下，由賣(mài)方調(diào)用tradeEnergy方法，輸人相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，由智能合約自動(dòng)驗(yàn)證，當(dāng)賣(mài)方能源余額大于交易量且買(mǎi)方賬號(hào)狀態(tài)有效時(shí)交易成立，進(jìn)行能源轉(zhuǎn)移，并且通知鏈上全網(wǎng)，最后在鏈上進(jìn)行token結(jié)算。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易智能合約算法如下：

struct Transaction{ address seller; /／賣(mài)方地址 address buyer; /／買(mǎi)方地址 uint256 amount ; //交易能源量 uint256 price; /／單位售價(jià)

uint256timestamp；//交易時(shí)間戳 function tradeEnergy（address_buyer，uint256_amount， uint256_price） external onlyRegistered{ /／能源轉(zhuǎn)移 buildings［msg.sender].energyBalance Σ-Σ=Σ_- amount; buildings[_buyer].energyBalance ; //生成交易記錄 transactions.push（Transaction（ msg.sender，_buyer，_amount，_price， block. timestamp ））； /／觸發(fā)交易事件 emit EnergyTraded（msg.sender，_buyer，. amount，_price，block.timestamp）;

4.4數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足分布式能源系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、事務(wù)一致性和高并發(fā)訪問(wèn)的需求，分別設(shè)計(jì)3類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)InfluxDB、緩存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL.

本研究憑借InfluxDB高效的存儲(chǔ)機(jī)制和強(qiáng)大的索引能力，針對(duì)功率、電壓和溫度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)高效管理并支持大量時(shí)序數(shù)據(jù)的快速寫(xiě)入操作[6]。同時(shí)利用Redis的數(shù)據(jù)持久化功能，將實(shí)時(shí)能源量、用戶(hù)余額、設(shè)備狀態(tài)等緩存信息按照設(shè)定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)在用戶(hù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入服務(wù)器磁盤(pán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份[7]。應(yīng)用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)交易記錄、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

表1交易記錄

表2設(shè)備信息

5系統(tǒng)性能測(cè)試

為測(cè)試基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易系統(tǒng)的性能，本研究設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)模擬區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，執(zhí)行智能合約來(lái)處理與存儲(chǔ)交易信息。交易數(shù)據(jù)涵蓋能源需求量、成交價(jià)格等內(nèi)容，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括交易成功率、系統(tǒng)響應(yīng)延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐能力等關(guān)鍵參數(shù)。

其中，交易成功率是指成功完成的交易數(shù)量占交易總量的比例；系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是從交易發(fā)起至交易確認(rèn)所經(jīng)歷的平均時(shí)長(zhǎng)；網(wǎng)絡(luò)吞吐量則指單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)能夠處理的交易總數(shù)。交易分為3個(gè)批次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表3交易成功率及平均響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

表4各時(shí)間段處理交易數(shù)及吞吐量測(cè)試結(jié)果

由上表可知，系統(tǒng)在多數(shù)批次中保持較高交易成功率，體現(xiàn)出良好的處理效率與穩(wěn)定性。部分批次接近 99% ，顯示系統(tǒng)在理想條件下具備高效執(zhí)行能力。但Batch成功率略低，表明極端情況下須優(yōu)化以提升穩(wěn)定性。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較短，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)交易需求。網(wǎng)絡(luò)吞吐量維持高位，說(shuō)明系統(tǒng)具備處理高并發(fā)交易的能力。

6結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)園區(qū)分布式能源交易提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)模型搭建、方案提出、系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)完善能源交易服務(wù)體系，最后通過(guò)系統(tǒng)性能測(cè)試得出系統(tǒng)在多數(shù)批次中保持較高交易成功率，體現(xiàn)出良好的處理效率與穩(wěn)定性。在未來(lái)，隨著科技的進(jìn)步和應(yīng)用的發(fā)展，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的能源交易方案將在未來(lái)的能源產(chǎn)業(yè)中扮演越來(lái)越關(guān)鍵的角色，為構(gòu)建可持續(xù)的能源生態(tài)做出重要貢獻(xiàn)。

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（編輯 王雪芬）

Research on energy trading application scheme of park based on blockchain

ZHANG Zihao，LIU Tianqi*，WANG Jiaming，SUN Mingchen，ZHANG Dian （Jiangsu Normal University Kewen College，Xuzhou 2211OO，China）

Abstract：Withthe development of the national economyand the proposal of zero-carbon parks，distributed energyhas become an increasingly important partof the energy market.Based on this，this study proposes a blockchain-based energy trading solution for parks.Itconstructs mathematical models for lighting，air conditioning，and fresh air systems，uses blockchain technologyto store energy transaction information，ensuring secure transmisionandreal-time sharingof distributed energy transactiondata.A peer-to-per energy trading smartcontract is also designed.Through performance testing，the systemdemonstrates high transaction success rates in most batches，ofering new insights into blockchain-based energy trading.

Key words： blockchain technology；distributed energy; energy trading