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基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自調(diào)節(jié)智能能源管理系統(tǒng)

* 來源: * 發(fā)表時(shí)間: 2019-11-04 17:28:37
【摘 要】：本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自調(diào)節(jié)能源管理系統(tǒng)BS-EMS
（Blockchain-based Self-adjustable Energy Management System）。它以BSEMS
節(jié)點(diǎn)為物理基礎(chǔ)，能量配額為數(shù)字媒介，為智能設(shè)備提供了一種設(shè)備與設(shè)備
間的互信解決方案?；谶@種解決方案，可以在能源管理系統(tǒng)中為各個(gè)節(jié)點(diǎn)建立可
信任的能源價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)自主調(diào)節(jié)的能源管理系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的
同時(shí)，最大程度地復(fù)用能源管理知識，減少對人工的依賴。
【關(guān)鍵詞】：區(qū)塊鏈 智能合約能源管理系統(tǒng)
Blockchain-based Self-adjustable Energy Management System
Xia Yongxing, Luo Liqing Xiamen Cll System Integration Co., Ltd.
Abstract: The article introduces the Blockchain-based Self-adjustable Energy Management System. Based on BS-EMS node and energy quota as digital media, it provides a solution of mutual trust between devices for intelligent devices. Based on this solution, we can build a trusted energy value network for each node in the energy management system, and then realize the self-regulating energy  agement system. While achieving energy conservation and emission reduction, the  wledge of energy management should be reused to the greatest extent and the dependence on human resources should be reduced.
Keywords: Block Chain, Intelligent Contract, Energy Management System
 

一、技術(shù)背景

能源管理系統(tǒng)是以幫助工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在擴(kuò)大生產(chǎn)的同時(shí)，合理計(jì)劃和利用能源，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低碳排放量為目的信息化管控系統(tǒng)。
依據(jù)能源管理系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢預(yù)測報(bào)告，未來8-10年，隨著產(chǎn)業(yè)升級、綠色節(jié)能的推廣、能源資源的日趨緊張和能源需求量的日益增加，能源成本在企業(yè)操作成本中的比例逐步加大，這也使得企業(yè)管理者和生產(chǎn)操作者不得不從降低企業(yè)經(jīng)營成本、提高企業(yè)綜合競爭力的角度出發(fā)，努力加強(qiáng)企業(yè)能源管理工作的力度。因此，企業(yè)迫切需要獲得一種能源管控一體化的解決方案，希望為企業(yè)能源信息化管理和能效持續(xù)改進(jìn)提供有效的途徑。
然而，現(xiàn)有能源管理系統(tǒng)的仍然受限于人工管理。能耗評估、策略設(shè)定、配額分配、設(shè)備監(jiān)測等過程仍然依賴于人工的干預(yù)。在日常管理和能耗調(diào)節(jié)方面，現(xiàn)有工具至多做到半自動(dòng)化，人工的管理仍然需要依賴于知識和經(jīng)驗(yàn)。
近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)興起，其公開透明、不可篡改的特性被利用在數(shù)字資產(chǎn)中。并通過轉(zhuǎn)讓、消耗、存儲(chǔ)方式等來將數(shù)字資產(chǎn)的價(jià)值落地。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化賬本功能可以被用來創(chuàng)建、確認(rèn)、轉(zhuǎn)移各種不同類型的資產(chǎn)及合約。智能合約不僅可以發(fā)揮智能合約在成本效率方面的優(yōu)勢，而且可以避免異常行為對合約正常執(zhí)行的干擾。將智能合約以數(shù)字化的形式寫入?yún)^(qū)塊鏈中，由區(qū)塊鏈技術(shù)的特性保障存儲(chǔ)、讀取、執(zhí)行整個(gè)過程透明可跟蹤、不可篡改。同時(shí)，由區(qū)塊鏈自帶的共識算法構(gòu)建出一套狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)，使得智能合約能夠高效地運(yùn)行。
基于區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約以上優(yōu)勢，我們提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自調(diào)節(jié)的能源管理系統(tǒng)BS-EMS (Blockchain-based Self-adjustable Energy Management System)。它以BS-EMS節(jié)點(diǎn)為物理基礎(chǔ)，能量配額為數(shù)字媒介，為智能設(shè)備提供了一種設(shè)備與設(shè)備間的互信解決方案?；谶@種解決方案，我們可以在能源管理系統(tǒng)中為各個(gè)節(jié)點(diǎn)建立可信任的能源價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)自主調(diào)節(jié)的能源管理系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)，最大程度地復(fù)用能源管理知識，減少對人工的依賴。
 

二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在BS-EMS中， 管理者專注于系統(tǒng)整體的能耗輸入與效能產(chǎn)出，而細(xì)節(jié)控制由該系統(tǒng)在日常運(yùn)行中，依據(jù)預(yù)先定義的角色、優(yōu)先級、運(yùn)行模式，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。
 
其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
 

三、核心概念定義

節(jié)點(diǎn)
在BS-EMS中，“節(jié)點(diǎn)”(Node)是可以進(jìn)行區(qū)塊運(yùn)算，能量計(jì)量，設(shè)備控制的專有控制計(jì)算單元。節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著區(qū)塊鏈哈希（Hash）運(yùn)算，智能合約執(zhí)行，能量計(jì)量數(shù)據(jù)采集，以及下屬能耗設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制等關(guān)鍵任務(wù)的執(zhí)行。
根據(jù)設(shè)定，節(jié)點(diǎn)在緊急情況下時(shí)候可以降級為一個(gè)普通的繼電器，讓下屬能耗設(shè)備進(jìn)入直連供電的方式工作或者停止工作。
能量配額
能量配額是BS-EMS系統(tǒng)及各個(gè)節(jié)點(diǎn)可用能耗的計(jì)量概念。配額在輸入BS-EMS系統(tǒng)時(shí)，可以與現(xiàn)實(shí)世界的能量消耗單位以一定的比例進(jìn)行掛鉤換算：如電力單位千瓦時(shí)、制冷單位冷噸等。
在輸入系統(tǒng)后，能量配額則表現(xiàn)為區(qū)塊鏈中可消耗的代幣(token)。token在消耗后，即意味著配額的消耗，亦即真實(shí)的能量消耗。在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，出于方便管理的目的，可以自行定義能量配額與能量計(jì)量的消耗掛鉤比例，例如：1 token 對應(yīng) 1 kwh能耗。
能耗周期
BS-EMS系統(tǒng)內(nèi)，在某個(gè)時(shí)間段，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對能源的消耗情況，即稱為一個(gè)能耗周期。根據(jù)自主調(diào)節(jié)控制粒度的需要，典型的能耗周期設(shè)定為10分鐘或者30分鐘。
為了維持網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，BS-EMS一般為能耗節(jié)點(diǎn)分配足夠三至五個(gè)能耗周期用的能量配額。
 

四、節(jié)點(diǎn)

1、節(jié)點(diǎn)功能

BS-EMS的節(jié)點(diǎn)主要有以下三大功能：
·         區(qū)塊鏈Hash計(jì)算
節(jié)點(diǎn)具備Hash運(yùn)算的能力，能夠?qū)^(qū)塊的合法性進(jìn)行驗(yàn)證。
·         智能合約執(zhí)行
節(jié)點(diǎn)具備智能合約的執(zhí)行能力。當(dāng)智能合約的條件滿足時(shí)，即可觸發(fā)設(shè)備啟停、調(diào)節(jié)、能耗數(shù)據(jù)采集上報(bào)、能量配額的更新等動(dòng)作，無需人工干預(yù)。
·         能量配額接受與消耗
節(jié)點(diǎn)為完成能耗設(shè)備的節(jié)能控制，接受分配的能量配額并保存，并記錄消耗的能量配額。
 

2、節(jié)點(diǎn)類型

根據(jù)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的角色分工，節(jié)點(diǎn)可以分為以下3種類型：
·         能源輸入節(jié)點(diǎn)
能源輸入節(jié)點(diǎn)為整個(gè)系統(tǒng)接受可用的能源配額，并能夠根據(jù)分配策略向其他能耗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能源配額的分發(fā)。
·         開關(guān)型能耗節(jié)點(diǎn)
該節(jié)點(diǎn)掛載一個(gè)或一組開關(guān)型終端能耗設(shè)備，具備對傳統(tǒng)能耗設(shè)備的開關(guān)控制能力，如路燈、風(fēng)機(jī)、日用電器等。
·         數(shù)字型能耗節(jié)點(diǎn)
該節(jié)點(diǎn)掛載一個(gè)或一組數(shù)字型終端能耗設(shè)備，能夠?qū)烧{(diào)節(jié)能耗設(shè)備進(jìn)行調(diào)幅或啟停，并支持EIB、BACnet等控制協(xié)議。
 

3、節(jié)點(diǎn)硬件組成

節(jié)點(diǎn)的硬件組成根據(jù)節(jié)點(diǎn)控制器的不同，主要有以下兩種組成方式：
·         外接節(jié)點(diǎn)控制器+傳統(tǒng)能耗設(shè)備
通過電路和總線與能耗設(shè)備之間額外接入一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器的方式，可以將該外接節(jié)點(diǎn)加傳統(tǒng)能耗設(shè)備作為接入BS-EMS解決方案中的節(jié)點(diǎn)。此硬件結(jié)構(gòu)無需額外布線施工，非常適用于現(xiàn)有智能建筑的節(jié)能改造。
·         內(nèi)嵌節(jié)點(diǎn)控制器+智能能耗設(shè)備
對于包含操作系統(tǒng)或者PLC等工控處理單元的智能能耗設(shè)備，可以將節(jié)點(diǎn)控制邏輯用出廠安裝或燒錄的方式整合進(jìn)處理單元，與掛載的能耗設(shè)備一起，組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，接入BS-BMS解決方案中。此硬件結(jié)構(gòu)適用于已有智能能耗設(shè)備的升級，以及委托生產(chǎn)商定制生產(chǎn)。
 

五、區(qū)塊鏈

1、區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)

BS-BMS運(yùn)行期間所產(chǎn)生的以區(qū)塊鏈形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，分散保存在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，并在可設(shè)定的周期內(nèi)，向管理端發(fā)送全部記錄，形成保存在BS-EMS的外部全量數(shù)據(jù)備份。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，即可形成一個(gè)區(qū)塊鏈的檢查點(diǎn)(checkpoint)，刪除歷史數(shù)據(jù)。

2、低功耗"挖礦"算法

在區(qū)塊鏈中，“挖礦”是指通過哈希運(yùn)算來找到有效區(qū)塊，將記錄打包并廣播，區(qū)塊被網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證并接受的過程。一般的區(qū)塊鏈應(yīng)用（如比特幣等）由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不可信，引入了競爭性的挖礦機(jī)制（如工作量證明等），需要消耗巨大能量。
BS-EMS基于消息的通訊機(jī)制，雖然也不可避免地存在節(jié)點(diǎn)故障或者消息丟失，但不存在惡意節(jié)點(diǎn)。故BS-EMS設(shè)計(jì)了一種非競爭性的算法來記錄能量配額分配與消耗的變動(dòng)，無需耗費(fèi)巨大的能量來生成區(qū)塊，完成“挖礦”過程。該算法的基本流程為：
一、 在一個(gè)能耗周期結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為”領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)”
二、 領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集/接收系統(tǒng)中各個(gè)能耗節(jié)點(diǎn)自上個(gè)區(qū)塊以來，最近時(shí)間段的能耗數(shù)據(jù)
三、 領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)向能源輸入節(jié)點(diǎn)分發(fā)能耗數(shù)據(jù)
四、 能源輸入節(jié)點(diǎn)合并算力計(jì)算區(qū)塊Hash值，并將能耗數(shù)據(jù)打包成區(qū)塊
五、 領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證并接受區(qū)塊，將區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈，并向全網(wǎng)廣播最新區(qū)塊
六、 能源輸入節(jié)點(diǎn)得到最新區(qū)塊后，應(yīng)用能量配額策略，向網(wǎng)絡(luò)輸入新的能量配額
異常情況A：領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)離線
此時(shí)該時(shí)間段的區(qū)塊丟失，但不影響下一個(gè)能耗周期選出一個(gè)新的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)?？紤]到能耗節(jié)點(diǎn)總是發(fā)送含有上個(gè)區(qū)塊以來最近時(shí)間段的能耗數(shù)據(jù)，一個(gè)區(qū)塊的丟失不影響數(shù)據(jù)的完備性，最后打包成功的區(qū)塊總是包含自上個(gè)成功打包的區(qū)塊以來，完整的能耗數(shù)據(jù)。
異常情況B：能源輸入節(jié)點(diǎn)離線
某個(gè)能源輸入節(jié)點(diǎn)離線時(shí)，它所擁有的能量配額將無法及時(shí)輸入到BS-EMS。其他能源輸入節(jié)點(diǎn)仍然可以輸入能量配額，不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作和挖礦的流程。
異常情況C：能耗節(jié)點(diǎn)離線
某個(gè)能耗節(jié)點(diǎn)離線時(shí)，它所消耗的能量配額將無法及時(shí)上報(bào)給領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)BS-EMS將不為其分配新的配額，直到該節(jié)點(diǎn)恢復(fù)并上報(bào)能耗數(shù)據(jù)為止。不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作和挖礦的流程。
圖2 挖礦流程圖
 

六、智能合約

BS-EMS定義了一組智能合約，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)配額策略的需要來執(zhí)行。包括：
1、 能量配額分發(fā)合約
當(dāng)新的區(qū)塊生成后（亦即能耗周期的完成），能量輸入節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量配額策略，向網(wǎng)絡(luò)分發(fā)新的能量配額。
2、 能量配額消耗合約
在能耗周期內(nèi)，能耗節(jié)點(diǎn)根據(jù)所掛在的設(shè)備能耗情況，扣除可用的能量配額。
3、 設(shè)備啟停合約
當(dāng)擁有能量配額時(shí)，節(jié)點(diǎn)依次啟動(dòng)其所掛載的能耗設(shè)備，直到全部能耗設(shè)備啟動(dòng)完畢為止。當(dāng)能量配額低時(shí)，節(jié)點(diǎn)依次停止其所掛載的設(shè)備運(yùn)行，直到能量配額耗盡，全部能耗設(shè)備停止為止。
4、 設(shè)備調(diào)節(jié)合約
當(dāng)擁有能量配額時(shí)，節(jié)點(diǎn)調(diào)高其所掛載的能耗設(shè)備的功率，直到設(shè)備滿負(fù)荷工作或者達(dá)到預(yù)設(shè)指標(biāo)為止。當(dāng)能量配額低時(shí)，節(jié)點(diǎn)調(diào)低其所掛載的能耗設(shè)備的功率，直到能量配額耗盡，能耗設(shè)備停止工作為止。
5、 設(shè)備離線合約
節(jié)點(diǎn)控制器與能耗設(shè)備失去連接，則標(biāo)記為設(shè)備離線。設(shè)備離線合約執(zhí)行后，節(jié)點(diǎn)不接受新的能量配額，不消耗已有的能量配額，也不被選舉為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。
6、 舒適度調(diào)節(jié)合約
7、 當(dāng)擁有能量配額時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)舒適度設(shè)定，調(diào)高或調(diào)低其所掛載的能耗設(shè)備的功率，直到達(dá)到舒適度指標(biāo)為止。當(dāng)能量配額低，不足夠支持達(dá)到舒適度指標(biāo)時(shí)，能耗設(shè)備停止工作。與“設(shè)備調(diào)節(jié)合約”的區(qū)別在于，所掛載的能耗設(shè)備系智能設(shè)備，具備對環(huán)境指標(biāo)（如溫度、濕度、照度）的監(jiān)測能力，并可以將指標(biāo)參數(shù)反饋回節(jié)點(diǎn)控制器。
8、 能耗上報(bào)合約
當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選出時(shí)，節(jié)點(diǎn)即向領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)上報(bào)能耗情況。
9、 區(qū)塊廣播合約
區(qū)塊打包完成后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)接受并同時(shí)自動(dòng)廣播新區(qū)塊。
 
10、  用戶自定義合約
用戶可以根據(jù)實(shí)際情況，可使用圖靈完備的智能合約語言（如Solidity）自定義合約。
 

七、能量配額策略

能量配額的分配由BS-EMS網(wǎng)絡(luò)自行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)決定，但可以使用以下三種分配策略對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建筑全局級別的節(jié)能指導(dǎo)：
·         平均分配
將某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的token按時(shí)間平均分配給節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)供給能耗設(shè)備使用。該策略適用于功耗穩(wěn)定的設(shè)備和場景。
·         高低峰分配
將某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的token按高低峰時(shí)間分配給節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)調(diào)度能耗設(shè)備使用。該策略適用于居民、學(xué)校、寫字樓等具備顯著高低峰用電的場景。
·         舒適度分配
在能量配額足夠的情況下，分配給節(jié)點(diǎn)更多的token。節(jié)點(diǎn)調(diào)度能耗設(shè)備，以提高人體舒適度為目標(biāo)進(jìn)行工作。適用于供能無虞的建筑場所。

緊急情況

當(dāng)系統(tǒng)接收到外部出發(fā)的報(bào)警信號（如火警、盜警、地震等）時(shí)，則放棄能量配額的調(diào)度執(zhí)行，降級到傳統(tǒng)的直連供電模式。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在具備正常工作能力的情況下，仍然持續(xù)進(jìn)行能耗的計(jì)量，供日后緊急情況的分析用。
 

八、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

BA-EMS 藉由區(qū)塊鏈技術(shù)，在能耗設(shè)備之間建立價(jià)值信任，并通過能量配額的概念，以token的形式向能耗節(jié)點(diǎn)分配能量配額，有機(jī)地統(tǒng)一了供配電、樓宇控制、節(jié)能監(jiān)測等環(huán)節(jié)，整合出一套具有自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)的節(jié)能減排的能源管理系統(tǒng)。
BA-EMS利用最新技術(shù)，在達(dá)到傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的效用、有效降低能源消耗的同時(shí)，又在能源管理監(jiān)測和管理的過程中，極大地?cái)[脫了對于“人”的依賴因素。擺脫人工干預(yù)的依賴，是能源管理的一個(gè)革命性改進(jìn)，大幅降低了使用成本和管理成本，從而促進(jìn)能源管理系統(tǒng)的普及，為智能建筑提供了一個(gè)更加高效、節(jié)能、安全、舒適的能源管理環(huán)境。
BA-EMS的出現(xiàn)，將能源管理與區(qū)塊鏈、智能合約等前沿技術(shù)結(jié)合，是區(qū)塊鏈技術(shù)一個(gè)優(yōu)秀的落地應(yīng)用。它將從根本上改變?nèi)藗儗δ茉垂芾淼恼J(rèn)知，幫助把綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的概念落實(shí)到每一棟智能建筑中去。