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基于区块链技术的自调节智能能源管理系统

* 来源: * 发表时间: 2019-11-04 17:28:37
【摘 要】:本文提出一种基于区块链技术的自调节能源管理系统BS-EMS
(Blockchain-based Self-adjustable Energy Management System)。它以BSEMS
节点为物理基础,能量配额为数字媒介,为智能设备提供了一种设备与设备
间的互信解决方案。基于这种解决方案,可以在能源管理系统中为各个节点建立可
信任的能源价值网络,进而能够实现自主调节的能源管理系统。在实现节能减排的
同时,最大程度地复用能源管理知识,减少对人工的依赖。
【关键词】:区块链 智能合约能源管理系统
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、技术背景

能源管理系统是以帮助工业生产企业在扩大生产的同时,合理计划和利用能源,降低单位产品能源消耗,提高经济效益,降低碳排放量为目的信息化管控系统。
依据能源管理系统行业发展现状分析与发展趋势预测报告,未来8-10年,随着产业升级、绿色节能的推广、能源资源的日趋紧张和能源需求量的日益增加,能源成本在企业操作成本中的比例逐步加大,这也使得企业管理者和生产操作者不得不从降低企业经营成本、提高企业综合竞争力的角度出发,努力加强企业能源管理工作的力度。因此,企业迫切需要获得一种能源管控一体化的解决方案,希望为企业能源信息化管理和能效持续改进提供有效的途径。
然而,现有能源管理系统的仍然受限于人工管理。能耗评估、策略设定、配额分配、设备监测等过程仍然依赖于人工的干预。在日常管理和能耗调节方面,现有工具至多做到半自动化,人工的管理仍然需要依赖于知识和经验。
近年来,区块链技术兴起,其公开透明、不可篡改的特性被利用在数字资产中。并通过转让、消耗、存储方式等来将数字资产的价值落地。区块链技术的去中心化账本功能可以被用来创建、确认、转移各种不同类型的资产及合约。智能合约不仅可以发挥智能合约在成本效率方面的优势,而且可以避免异常行为对合约正常执行的干扰。将智能合约以数字化的形式写入区块链中,由区块链技术的特性保障存储、读取、执行整个过程透明可跟踪、不可篡改。同时,由区块链自带的共识算法构建出一套状态机系统,使得智能合约能够高效地运行。
基于区块链技术和智能合约以上优势,我们提出一种基于区块链技术的自调节的能源管理系统BS-EMS (Blockchain-based Self-adjustable Energy Management System)。它以BS-EMS节点为物理基础,能量配额为数字媒介,为智能设备提供了一种设备与设备间的互信解决方案。基于这种解决方案,我们可以在能源管理系统中为各个节点建立可信任的能源价值网络,进而能够实现自主调节的能源管理系统。在实现节能减排的同时,最大程度地复用能源管理知识,减少对人工的依赖。
 

二、网络结构

在BS-EMS中, 管理者专注于系统整体的能耗输入与效能产出,而细节控制由该系统在日常运行中,依据预先定义的角色、优先级、运行模式,在网络内进行自主调节。
 
其网络结构示意图如下:
图1:网络结构图
 

三、核心概念定义

节点
在BS-EMS中,“节点”(Node)是可以进行区块运算,能量计量,设备控制的专有控制计算单元。节点在整个系统中承担着区块链哈希(Hash)运算,智能合约执行,能量计量数据采集,以及下属能耗设备的调节与控制等关键任务的执行。
根据设定,节点在紧急情况下时候可以降级为一个普通的继电器,让下属能耗设备进入直连供电的方式工作或者停止工作。
能量配额
能量配额是BS-EMS系统及各个节点可用能耗的计量概念。配额在输入BS-EMS系统时,可以与现实世界的能量消耗单位以一定的比例进行挂钩换算:如电力单位千瓦时、制冷单位冷吨等。
在输入系统后,能量配额则表现为区块链中可消耗的代币(token)。token在消耗后,即意味着配额的消耗,亦即真实的能量消耗。在同一个系统内,出于方便管理的目的,可以自行定义能量配额与能量计量的消耗挂钩比例,例如:1 token 对应 1 kwh能耗。
能耗周期
BS-EMS系统内,在某个时间段,整个网络各个节点对能源的消耗情况,即称为一个能耗周期。根据自主调节控制粒度的需要,典型的能耗周期设定为10分钟或者30分钟。
为了维持网络的容错性,BS-EMS一般为能耗节点分配足够三至五个能耗周期用的能量配额。
 

四、节点

1、节点功能

BS-EMS的节点主要有以下三大功能:
·         区块链Hash计算
节点具备Hash运算的能力,能够对区块的合法性进行验证。
·         智能合约执行
节点具备智能合约的执行能力。当智能合约的条件满足时,即可触发设备启停、调节、能耗数据采集上报、能量配额的更新等动作,无需人工干预。
·         能量配额接受与消耗
节点为完成能耗设备的节能控制,接受分配的能量配额并保存,并记录消耗的能量配额。
 

2、节点类型

根据节点在系统中的角色分工,节点可以分为以下3种类型:
·         能源输入节点
能源输入节点为整个系统接受可用的能源配额,并能够根据分配策略向其他能耗节点进行能源配额的分发。
·         开关型能耗节点
该节点挂载一个或一组开关型终端能耗设备,具备对传统能耗设备的开关控制能力,如路灯、风机、日用电器等。
·         数字型能耗节点
该节点挂载一个或一组数字型终端能耗设备,能够对可调节能耗设备进行调幅或启停,并支持EIB、BACnet等控制协议。
 

3、节点硬件组成

节点的硬件组成根据节点控制器的不同,主要有以下两种组成方式:
·         外接节点控制器+传统能耗设备
通过电路和总线与能耗设备之间额外接入一个节点控制器的方式,可以将该外接节点加传统能耗设备作为接入BS-EMS解决方案中的节点。此硬件结构无需额外布线施工,非常适用于现有智能建筑的节能改造。
·         内嵌节点控制器+智能能耗设备
对于包含操作系统或者PLC等工控处理单元的智能能耗设备,可以将节点控制逻辑用出厂安装或烧录的方式整合进处理单元,与挂载的能耗设备一起,组成一个节点,接入BS-BMS解决方案中。此硬件结构适用于已有智能能耗设备的升级,以及委托生产商定制生产。
 

五、区块链

1、区块链的存储

BS-BMS运行期间所产生的以区块链形式存储的数据,分散保存在各个节点中,并在可设定的周期内,向管理端发送全部记录,形成保存在BS-EMS的外部全量数据备份。数据导出后,即可形成一个区块链的检查点(checkpoint),删除历史数据。

2、低功耗"挖矿"算法

在区块链中,“挖矿”是指通过哈希运算来找到有效区块,将记录打包并广播,区块被网络验证并接受的过程。一般的区块链应用(如比特币等)由于网络节点的不可信,引入了竞争性的挖矿机制(如工作量证明等),需要消耗巨大能量。
BS-EMS基于消息的通讯机制,虽然也不可避免地存在节点故障或者消息丢失,但不存在恶意节点。故BS-EMS设计了一种非竞争性的算法来记录能量配额分配与消耗的变动,无需耗费巨大的能量来生成区块,完成“挖矿”过程。该算法的基本流程为:
一、 在一个能耗周期结束时,系统随机选择一个节点作为”领导节点”
二、 领导节点负责采集/接收系统中各个能耗节点自上个区块以来,最近时间段的能耗数据
三、 领导节点向能源输入节点分发能耗数据
四、 能源输入节点合并算力计算区块Hash值,并将能耗数据打包成区块
五、 领导节点验证并接受区块,将区块加入区块链,并向全网广播最新区块
六、 能源输入节点得到最新区块后,应用能量配额策略,向网络输入新的能量配额
异常情况A:领导节点离线
此时该时间段的区块丢失,但不影响下一个能耗周期选出一个新的领导节点。考虑到能耗节点总是发送含有上个区块以来最近时间段的能耗数据,一个区块的丢失不影响数据的完备性,最后打包成功的区块总是包含自上个成功打包的区块以来,完整的能耗数据。
异常情况B:能源输入节点离线
某个能源输入节点离线时,它所拥有的能量配额将无法及时输入到BS-EMS。其他能源输入节点仍然可以输入能量配额,不影响整个系统的运作和挖矿的流程。
异常情况C:能耗节点离线
某个能耗节点离线时,它所消耗的能量配额将无法及时上报给领导节点。此时BS-EMS将不为其分配新的配额,直到该节点恢复并上报能耗数据为止。不影响整个系统的运作和挖矿的流程。
图2 挖矿流程图
 

六、智能合约

BS-EMS定义了一组智能合约,由各个节点根据配额策略的需要来执行。包括:
1、 能量配额分发合约
当新的区块生成后(亦即能耗周期的完成),能量输入节点根据能量配额策略,向网络分发新的能量配额。
2、 能量配额消耗合约
在能耗周期内,能耗节点根据所挂在的设备能耗情况,扣除可用的能量配额。
3、 设备启停合约
当拥有能量配额时,节点依次启动其所挂载的能耗设备,直到全部能耗设备启动完毕为止。当能量配额低时,节点依次停止其所挂载的设备运行,直到能量配额耗尽,全部能耗设备停止为止。
4、 设备调节合约
当拥有能量配额时,节点调高其所挂载的能耗设备的功率,直到设备满负荷工作或者达到预设指标为止。当能量配额低时,节点调低其所挂载的能耗设备的功率,直到能量配额耗尽,能耗设备停止工作为止。
5、 设备离线合约
节点控制器与能耗设备失去连接,则标记为设备离线。设备离线合约执行后,节点不接受新的能量配额,不消耗已有的能量配额,也不被选举为领导节点。
6、 舒适度调节合约
7、 当拥有能量配额时,节点根据舒适度设定,调高或调低其所挂载的能耗设备的功率,直到达到舒适度指标为止。当能量配额低,不足够支持达到舒适度指标时,能耗设备停止工作。与“设备调节合约”的区别在于,所挂载的能耗设备系智能设备,具备对环境指标(如温度、湿度、照度)的监测能力,并可以将指标参数反馈回节点控制器。
8、 能耗上报合约
当领导节点选出时,节点即向领导节点上报能耗情况。
9、 区块广播合约
区块打包完成后,各个节点接受并同时自动广播新区块。
 
10、  用户自定义合约
用户可以根据实际情况,可使用图灵完备的智能合约语言(如Solidity)自定义合约。
 

七、能量配额策略

能量配额的分配由BS-EMS网络自行实时调节决定,但可以使用以下三种分配策略对网络进行建筑全局级别的节能指导:
·         平均分配
将某个时间段内的token按时间平均分配给节点,通过节点供给能耗设备使用。该策略适用于功耗稳定的设备和场景。
·         高低峰分配
将某个时间段内的token按高低峰时间分配给节点,通过节点调度能耗设备使用。该策略适用于居民、学校、写字楼等具备显著高低峰用电的场景。
·         舒适度分配
在能量配额足够的情况下,分配给节点更多的token。节点调度能耗设备,以提高人体舒适度为目标进行工作。适用于供能无虞的建筑场所。

紧急情况

当系统接收到外部出发的报警信号(如火警、盗警、地震等)时,则放弃能量配额的调度执行,降级到传统的直连供电模式。各个节点在具备正常工作能力的情况下,仍然持续进行能耗的计量,供日后紧急情况的分析用。
 

八、经济与社会效益

BA-EMS 藉由区块链技术,在能耗设备之间建立价值信任,并通过能量配额的概念,以token的形式向能耗节点分配能量配额,有机地统一了供配电、楼宇控制、节能监测等环节,整合出一套具有自适应优化调节的节能减排的能源管理系统。
BA-EMS利用最新技术,在达到传统能源管理系统的效用、有效降低能源消耗的同时,又在能源管理监测和管理的过程中,极大地摆脱了对于“人”的依赖因素。摆脱人工干预的依赖,是能源管理的一个革命性改进,大幅降低了使用成本和管理成本,从而促进能源管理系统的普及,为智能建筑提供了一个更加高效、节能、安全、舒适的能源管理环境。
BA-EMS的出现,将能源管理与区块链、智能合约等前沿技术结合,是区块链技术一个优秀的落地应用。它将从根本上改变人们对能源管理的认知,帮助把绿色节能、低碳环保的概念落实到每一栋智能建筑中去。