支持可再生能源绿证交易的边缘计算网关设计

刘周斌 1 谢知寒 2 徐丹露 3 王林青 4 黄柳柳 5 张宝强 6

4.5.6.杭州平旦科技有限公司 浙江杭州 310011

摘 要：随着可再生能源发电规模的不断扩大，用于可再生能源的基金已无法满足可再生能源企业的补贴需求。因此，引入绿色证书交易，通过发电量与绿色证书间的相互转化，提升可再生能源发电企业的生产积极性，优化电力资源配置。本文设计一套支持可再生能源绿证交易的边缘计算网关，实现可再生能源生产数据的采集、可再生能源发电设备的利用小时数的统计、可再生能源发电成本计算以及根据可再生能源发电数据进行绿证发放，支持可再生能源绿证交易，以更好地促进我国可再生能源规划目标的实现。

关键词：可再生能源；绿色证书交易；边缘计算网关

Design of an edge computing gateway supporting renewable energy green certificate transactions

LIU Zhoubin¹,XIE Zhihan¹,XU Danlu²,WANG Linqing²,HUANG Liuliu²,ZHANG Baoqiang²

(1. Center of mass Entrepreneurship and Innovation State Grid Zhejiang Electric Power CO. Ltd.，Hangzhou 310056,2.Hangzhou Power Design Technology Co., Ltd., Hangzhou 310011，China)

Abstract: With the continuous expansion of renewable energy generation, funds for renewable energy have been unable to meet the subsidy needs of renewable energy enterprises. Therefore, the introduction of green certificate transaction can improve the production enthusiasm of renewable energy power generation enterprises and optimize the allocation of power resources through the mutual conversion between electricity generation and green certificate. This paper designs a set of the edge of the support renewable energy green certificate transactions computing gateways, implementation of renewable energy production data collection, the use of renewable energy power generation equipment hours statistics, renewable energy power generation cost calculation, and according to the renewable energy power generation data green certificate support renewable energy green certificate transactions, In order to better promote the realization of China's renewable energy planning goals.

Key Words: renewable energy; green certificate transaction; edge computing gateway.

0 引言

当前，我国能源转型进程呈现出加速趋势，传统的化石能源发电占比大幅缩减，可再生能源发电占比快速提升，成为我国重要的电力来源之一。同传统的火力发电相比，可再生能源具有清洁、循环利用、可持续等优点。然而，可再生能源开发的技术成本或设备成本通常比传统化石能源开发更加昂贵，这已经严重影响各类可再生能源发电企业生产、电网企业接纳可再生能源电力的积极性

^{Error: Reference source not found}。因此，如何合理的实现可再生能源配额制成为当下亟需解决的关键问题。可再生能源配额制实施过程中引入绿色证书交易，将大大提升可再生能源发电企业的生产积极性。可再生能源发电量与绿色证书之间的相互转换，将推动可再生能源劣势企业规划一条成本更低的途径，进而优化可再生能源电力资源的配置，保证可再生能源配额目标的顺利实现^{Error: Reference source not found}。

结合我国电力市场实际和可再生能源发展现现状^{Error: Reference source not found}，本文设计一种支持可再生能源配额制的绿色证书交易的边缘计算网关，该网关具有对可再生能源生产可信计量，可再生能源生产预测等功能，同时为绿色证书交易机制和模型提供实时准确的数据，保障绿色证书交易过程的可靠进行。

1 绿证交易架构

绿证交易流程根据内容不同可划分为绿证核发、绿证交易和绿证核销三大步骤。绿证核发是绿证进入市场前的阶段，包括资质审查、发电计量、绿证生成和签审准发，其作用在于从绿证核发源头保证绿证市场的有序性和流通绿证的合法性。绿证交易指能源企业和用能企业在绿证交易中心完成绿证的买卖交易，在双边交易机制下，买卖双方自由协商确定绿证交易时间、绿证数量和绿证价格等相关交易信息。绿证核销指用能企业向监管部门提出绿证核销申请，将买到的绿证用于证明绿色电力消费或其他应用场景。

能源企业首先向监管审核部门提交绿证资质审核申请，监管审核部门对能源企业的资质进行审核，审核通过后，能源企业将按照一定的计量标准申请等量的绿色证书，审核部门核发后，能源企业可将绿色证书发布到绿证交易平台，挂牌卖出。用能企业可通过绿证交易平台查询能源企业所发布的绿证信息，根据需要摘牌买入。最后，用能企业将买到的绿证用于证明绿色电力消费或其他应用场景，进行绿证核销。具体绿证交易架构如图1所示。

图1 绿证交易架构

每一模块的具体内容如下。

绿证核发：能源企业向监督管理部门提交相关材料，监督管理部门对能源企业所提交的项目资质进行审查，确认其为可再生能源发电项目。然后，通过审核的可再生能源项目按照计量标准生成等量的绿证，监审机构校核无误后予以签审，完成绿证的核发。最后，绿证数字凭证由交易平台存入相关用户的账户中。

绿证交易：能源企业在交易中心卖出绿证获得收益。首先，能源企业通过 “我的资产”页面管理绿证，自行选择绿证并将选择的绿证发布到交易中心挂牌卖出。然后，绿证成功挂牌后，买家可以在交易中心首页看到绿证相关信息及其挂价，用能企业可以根据需要摘牌买入，直接点选购买所需的绿证。最后，对应资产在区块链上转移登记，绿证转入相关账户，交易成功，买卖双方都可以看到成交记录。

绿证核销：用能企业将买到的绿证用于证明绿色电力消费或其他应用场景。首先，用能企业可以在交易平台账户中管理绿证。用能企业可以选择指定的绿证提交核销申请。然后，主管部门收到核销申请后进行审核，审核通过后进行核销。最后，企业账户中显示绿证已核销，绿证核销完成。

图1 绿证交易架构

图2 绿证核发流程

图3 绿证交易流程

2 发证网关设计

2.1 硬件设计

根据绿色证书交易边缘计算网关的实际工程需求，边缘计算网关的硬件模块与软件模块均采用可靠性设计，各模块之间协同工作的稳定性也做了充分考虑^[9-14]。本边缘计算网关的硬件模块主要由先进的工业级64位ARM335X芯片、WiFi通信模块、LoRa通信模块、4G通信模块、485通讯模块、千兆网口模块、电源模块、指示灯模块、复位按钮模块、Console模块及相关外设等组成。其中，ARM335X芯片是一款工业级微处理器，具有1GB内存和4GB FLASH，拥有串口、WiFi、CAN和以太网等多种外设资源，该芯片可被移植到实时操作系统，因此，选其作为边缘计算网关的主控芯片。

边缘计算网关内部集成无线模块及4G模块，可用于无线连接智能采集、监测装置，传输三相电量采集、电能计量、负荷统计、电能质量监测、温度测量、设备故障和状态监测数据。此外，该边缘计算网关采用无线通信方式或者有线网络连接至监控平台或者手机客户，传输生产和运行的能源数据并将数据上传至区块链平台。设备对上可通过有线网络、无线网络（包括GPRS、4G等）与后台SCADA系统、云平台及电网调度进行通讯，完成对设备的控制，操作方便、简单、高效。

为了进一步提高边缘计算网关的稳定性及可靠性，设备硬件采用高电磁兼容设计、复杂可编程CPLD技术、表面贴装技术、硬件看门狗技术、多样灵活的通信接口、丰富的规约库、无风扇运行等多种先进技术。此外，该边缘计算网关采用小型化设计及无屏幕设计，造型更加美观，并且可通过VPN网络或Web访问的形式进行信息查看、就地操作及定值操作，如现场需要屏幕，则可配置平板电脑，极大地提高了工作效率。边缘计算网关系统硬件框架结构图如图5所示。

图5 边缘计算网关硬件架构图

2.1.1指示灯模块

指示灯主要包括运行灯、报警灯、电源灯、485-1～485-5，这些指示灯可以实时地表征网关的运行状态。各种指示灯在不同指示状态下所代表的现象描述如表1所示。

2.1.2以太网接口模块

以太网接口主要由MAC控制器和物理接口两大部分组成，可方便的与处理器芯片接口。该边缘计算网关设有至少两路10M/100Mbps的RJ45以太网接口，使得装置的扩展性和配置的灵活性大大增强，通讯速度更快，通讯更安全。同时以太网模块还配有指示灯，当指示灯常亮表示连接正常，闪烁表示发送数据正常，不亮表明通讯异常；指示灯橙色常亮表明以太网连接为100M，闪烁表明以太网连接为10M/100M，不亮表明以太网连接异常。

2.1.3复位按钮模块

当设备出现意外情况导致系统处于“死机”或者“死循环”状态时，按住复位按钮5秒后，系统会重新进入初始默认配置，“运行”指示灯在系统恢复正常后闪烁，复位模块的设计使得边缘计算网关系统的可靠性与稳定性得到了提高。

表1 指示灯不同状态时的现象描述

指示灯名称	状态	现象描述
运行灯	闪烁	表示运行正常
	常亮或灭	表示运行不正常
报警灯	亮	表示出现故障
	灭	正常
电源灯	绿	正常
	灭	故障
	常亮或灭	表明收发数据不正常
485-1～485-5	闪烁	表示收发数据正常
	常亮或灭	表明收发数据不正常
	常亮或灭	表明收发数据不正常

2.1.4 RS-485通讯模块

RS-485 通讯是物理层通讯的标准接口，是目前仍广泛应用的传统串行接口之一。由于通过一对屏蔽的双绞线进行双向数据交换，因此接受灵敏度高。该通讯技术还支持连接到同一线路的多个收发器，即创建网络的能力，同时还具有通信线路长、传输速度快、连接简单、成本低廉等优点。本边缘计算网关应用该通讯模块，将大大地提高能源数据的传输效率以及降低运行成本。

2.1.5LoRa通讯模块

LoRa通讯是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方式。具有灵敏度高、功耗低等特点，同时具有低功耗优先模式、均衡模式、距离优先模式三种可供选择。针对工业工作环境比较恶劣的场景，本边缘计算网关采用的LoRa通信模块还支持组网方式将数据上传至后台SCADA系统、云平台及电网调度进行通讯，完成对边缘计算网关设备的控制，并且无需建立数据中心以及无需关心协议，即可实现设备到设备、设备到平台之间的数据通信。

2.1.5 Console调试口模块及电源模块

Console端口为边缘计算网关的控制端口，通过该端口可实现对边缘计算网关的初始化或远程控制，方便系统调试和维护。该边缘计算网关系统采用24V直流电源为控制芯片供电，确保边缘计算网关设备的正常运转。

2.1.6丰富的通信接口

本边缘计算网关配备多种通信接口，并可根据实际需求灵活选择通信接口，设备提供至少4路RS-485口，速率300-115200bps可设置，每个端口最大允许挂接16个接点。同时设有两路隔离的开关量输入接口，对外通信均采用隔离保护电路，可与各种不同通信速率的智能设备进行数据通信。所有通讯接口均带光电隔离电路，提供2500VDC浪涌保护。在网络驱动允许的情况下，可根据实际需要灵活配置I/O模块。

2.1.7支持多种通信规约

该边缘计算网关具有丰富的通信规约库，设备出场的基本配置包括IEC 60870-5-104、微机保护规约、智能电表通信等不同的通信规约，并且可实现规约的可在线选择，将信息按照不同规约进行转发。此外，根据使用者提供的通信协议，对协议进行转换，可实现与智能设备接口，同时对规约进行修改与扩充。

2.1.8支持多种控制策略及WEB维护功能

本边缘计算网关支持运行多种控制策略，如电站出力计划、削峰填谷、需求响应、光功率预测、电站发电效率统计。此外，该边缘计算网关可实现对相关设备参数的查看和设置，极大地方便了用户的使用与维护。通过VPN网络还可实现远程WEB维护功能，该功能可实现对边缘计算网关的远程维护与检修，无需到现场即可实现对设备的检修，极大地提高了工作效率。

2.2软件设计

边缘计算网关的软件设计主要是对下实现与智能电表、负荷控制器、保护装置及其他各类能源设施的通讯及规约转换，下发多种控制指，实现对设备的高级能量管理策略及运行模式切换等。对上将可再生能源设备的相关信息实时上传到站控层中心或远程云监控中心，通过站控制中心或者监控中心对设备的运行定值进行远程在线修改，掉电后保持不变。

此外，边缘计算网关控制软件可实现效率评估、功率预测、计划管理等多种控制模式，并可通过对就地设备的时序控制，实现简单运行模式切换。该边缘计算网关还具有本地自动运行和远方控制两种模式，当后台系统失去连接时，设备如果处在本地自动运行的模式下，仍按照目前的定值及策略进行控制。如果处在远方控制模式下，则自动切换为停机状态或切换到本地自动运行模式，按照预设的策略进行控制。

边缘计算网关的软件系统结构如图3所示。

图6 边缘计算网关软件系统结构

3应用实践

基于边缘计算网关搭建的绿色证书发证系统，可实现多种通信形式间信息的接入，如串行总线、现场总线和以太网。此外，该边缘网关发证系统还满足可再生能源项目厂站多种类型能源数据收集要求，并利用边缘计算能力，为能源发电量数据进行清洗、验证、标定，结合区块链进行绿证的计算和发放。

边缘计算网关内部集成无线模块以及4G模块，为可再生能源发电设备传输生产和运行的能源数据。设备采用无线通信方式或者有线网络连接上传至区块链平台，可实现效率、效率的评估与预测，以及计划管理等多种控制策略，还可对现场可再生能源设备的运行状况实现实时监控，此外，作为可再生能源设备与通信网之间的控制设备，边缘计算网关还负责数据的监控、策略控制、不同接口间匹配等任务的实施。

边缘计算网关的应用实践主要分为绿色交易凭证发行、设备安全加密及一些扩展应用实践，边缘计算网关在绿证发证系统中的应用示意图如图7所示。

图7 边缘计算网关在绿证发证系统中的应用示意

（1）绿证交易凭证发行

边缘计算网关设备对可再生能源发电企业生产的电量按照一定比例进行认证并核发相应的绿色证书，该方式也是追踪可再生能源电力的重要手段，实现了可再生能源电力的生产、交易、使用以及可再生能源配额制指标的达成情况的可见、可衡量、可追踪、可核查。

（2）设备安全加密

设备支持国密系列各种加密算法，证书发行及数据通讯采用国密非对称加密算法SM2进行签名，保证认证数据安全可靠的传输。

（3）扩展应用实践

为绿证交易提供可再生能源的发电数据、设备的利用小时数数据、发电成本数据和发电预测数据。综合掌握可再生能源发电设备的生产和运行数据，建立可再生能源发电设备的利用小时数的统计模型，并结合资产数据，建立发电成本计算模型，结合风光预测模型，对可再生能源发电数据进行短期和超短期预测。作为可再生能源边缘计算网关，可以承担可再生能源场站端大量的边缘计算任务，为可再生能源边缘计算提供灵活可调度的边缘计算资源。

4 结论

新型数字技术正在深刻改变着能源行业，为促进新能源与现代信息技术的深度融合注入了新的活力。对现场设备运行信息进行实时采集，并将采集得到的设备信息完整准确的上传至数字应用平台，对数字设备平台的指令响应是新型数字技术应用的基础和前提。本文研究了基于边缘计算网关的多类型能源设备信息接入系统，介绍了边缘计算网关的硬件设计和软件设计，为绿色证书的顺利发放提供了保障，为新型数字技术在可再生能源领域的广泛应用奠定了坚实的基础。主要内容如下：

1. 对边缘计算网关的硬件和软件进行设计，对功能框架进行描述；

2. 基于边缘计算网关对绿证的数据的采集和绿证的发放流程进行了描述；

3）对基于边缘计算网关在绿证发证系统中的应用进行了描述，为边缘计算网关的功能实现进行了应用实践。

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国家电网有限公司总部管理双创孵化培育基金项目资助

项目名称：基于区块链的绿色电力数字化凭证及交易体系研究

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