Счетчик электрической энергии с использованием технологии Блокчейн
ELECTRIC ENERGY METER USING BLOCKCHAIN TECHNOLOGY

Область техники
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве так называемого «умного счетчика» в цифровых системах учета и контроля электрической энергии, потребляемой ее пользователями, как от централизованной электробытовой компании, так и от собственной генерации.
Для характеристики изобретения в настоящем описании будут использованы следующие термины:
Пользователь электрической энергии - домохозяйство, являющееся потребителем электрической энергии, как от централизованной электросбытовой компании (внешняя электрическая сеть), так и от собственной генерации (внутренняя электрическая сеть).
Собственная генерация - возобновляемые источники энергии, накопители, которыми владеет пользователь электроэнергии для покрытия собственных нужд.
Поставщик электроэнергии - централизованная электросбытовая компания, обеспечивающая пользователей электрической энергией от сети с традиционной централизованной генерацией.
Внешняя электрическая сеть - силовая электрическая сеть, предназначенная для транспортировки электрической энергии от поставщика электроэнергии ее пользователю, организуемая посредством электрических линий электропередач и специализированного распределительного и преобразующего оборудования.
Внутренняя электрическая сеть - силовая электрическая сеть, предназначенная для транспортировки электрической энергии от одного пользователя, владеющего собственной генерацией, другому пользователю, владеющему собственной генерацией, не связанная с другими электрическими сетями, выполненная с помощью электрической линии электропередач на постоянном электрическом напряжении.
Умный счетчик - автоматизированный прибор учета электрической энергии во внешней электрической сети, а также во внутренней электрической сети, использующий технологию Смарт контрактов Блокчейн для осуществления сделок по купле/продаже электрической энергии между пользователями, владеющими собственной генерацией.
Технология Блокчейн - распределенная база данных, содержащая информацию обо всех транзакциях, проведенных узлами сети Блокчейн, которая хранится в виде цепочки блоков Блокчейн, в каждом из которых записано определенное число транзакций, при этом все блоки неразрывно связаны между собой и любое изменение информации в цепочке блоков Блокчейн невозможно.
Транзакция, в том числе транзакция электрической энергии, представляет собой цифровой контейнер для хранения информации об объемах купленной/проданной электрической энергии, полученных/отправленных денежных средств, кода Смарт контракта Блокчейн.
Смарт контракт Блокчейн - компьютерный алгоритм, предназначенный для формирования, контроля и предоставления информации о владении чем-либо, в настоящем изобретении используется в качестве цифрового эквивалента традиционного договора купли/продажи между двумя сторонами электрической энергии, гарантом исполнения обязательств сторон по которому является использование технологии Блокчейн.
Узлы сети Блокчейн - микроконтроллеры, реализующие вычислительные функции по обеспечению функционирования технологии Блокчейн на каждом из умных счетчиков электроэнергии, находящихся во внутренней сети, обеспечивающие процесс купли/продажи электроэнергии во внутренней сети между пользователями, владеющими собственной генерацией.
Предшествующий уровень техники
Традиционная система учета электрической энергии содержит счетчик электрической энергии, отображающий количество потребленной пользователем электроэнергии киловатт-часов путем непрерывного измерения мгновенного напряжения (в вольтах) и тока (в амперах). Этот счетчик измеряет количество потребленной пользователем электроэнергии от сети с традиционной централизованной генерацией, транспортирующей электрическую энергию от поставщика. В случае, если пользователь владеет собственной генерацией, технической возможности отдать ее излишки в электрическую сеть с помощью существующего счетчика у него нет.
Технология Блокчейн способна помочь в создании умного счетчика, способного решить эту задачу. Так, из уровня техники известен интеллектуальный счетчик, использующий технологию Блокчейн для записи в базу данных всех совершенных транзакций электрической энергии (CN111080911, опубл. 27.11.2019). Этот счетчик обеспечивает измерение количества потреблённой электроэнергии и регистрацию этого количества в цепочке блоков Блокчейн. Интеллектуальный счетчик содержит несколько блоков. Блок «Электрические измерения» предназначен для измерения параметров электрического тока и напряжения с определением количества потреблённой электроэнергии. Блок «Расчет» предназначен для отправки запроса о транзакции соответствующему узлу поставщика электроэнергии в сети Блокчейн, в результате чего устанавливается независимый канал для транзакции между счетчиком и узлом этого поставщика электроэнергии в соответствии с запросом о транзакции.
Блок «Расчет» содержит в себе блок «оплаты» и блок «мониторинга», при этом блок «оплаты» используется пользователем в независимом канале транзакций для расчета количества потребленной электроэнергии, а блок «мониторинга» отслеживает транзакцию между пользователем - «потребителем» и пользователем - «поставщиком» электроэнергии при помощи умного счетчика. Таким образом, блок «Расчет», реализуя технологию Блокчейн, обеспечивает помещение данных о транзакциях электроэнергии в цепочки блоков Блокчейн. Блок «Хранение» обеспечивает хранение данных о транзакциях электроэнергии в памяти счетчика. Блок «Управление» обеспечивает связь между блоком «Электрические измерения» и блоком «Расчет».
Функциональные возможности известного умного счетчика ограничены его использованием только в сети с традиционной централизованной генерацией, транспортирующей электрическую энергию от централизованной электробытовой компании ее пользователю.
Технические ограничения такого рода не дают возможности пользователям, владеющим собственной генерацией, продавать ее излишки другим пользователям, владеющим собственной генерацией, которые в этой энергии нуждаются.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей умного счетчика за счет его использования в сети пользователей, владеющих собственной генерацией.
Для этого предложен счетчик электрической энергии с использованием технологии Блокчейн, содержащий связанные между собой блоки:
- блок «Электрические измерения», предназначенный для измерения параметров электрического тока и напряжения с определением количества полученной/отправленной энергии;
- блок «Реле», предназначенный для коммутации силовой электрической нагрузки пользователя электроэнергии между внутренней и внешней сетью с целью покупки электроэнергии, как из внешней сети, так и из внутренней;
- блок «Электронно-вычислительный узел Блокчейн», предназначенный для заключения сделок между пользователями электрической энергии, владеющих собственной генерацией, управления силовыми электрическими сетями, подачи команд на включение соответствующих реле в блоке «Реле», хранения всех транзакций в энергонезависимой памяти счетчика, предоставления пользователю, владеющему собственной генерацией, информации о текущем статусе счетчика;
- блок «Коммуникации», предназначенный для организации связи и обмена данными между счетчиками пользователей электроэнергии, владеющих собственной генерацией;
- блок «Представления», предназначенный для взаимодействия пользователя электроэнергии, владеющего собственной генерацией, со счетчиком посредством веб-интерфейса «личного кабинета».
Блок «Электронно-вычислительный узел Блокчейн», являющийся основным блоком счетчика, представляет собой микроконтроллер, который сконфигурирован с возможностью накапливать данные, полученные от измерительных элементов и от других умных счетчиков на карте SD (энергонезависимая память), обрабатывать их по заданному алгоритму, запоминать интегральные данные о количестве потребленной электроэнергии, управлять блоками «Коммуникации» и «Представления». Самостоятельно, на основании алгоритмов анализировать параметры электрических сетей, такие как уровень текущего потребления, избыток/недостаток мощности, заключать Смарт - контракт Блокчейн на покупку/продажу электрической энергии, обрабатывать входящие/исходящие транзакции, объединяемые в блоки, притом, что каждый блок содержит сведения о публичном ключе счетчика, его расположении, текущих требованиях мощности, собственной максимально располагаемой мощности.
Кроме того, микроконтроллер формирует запросы на покупку/продажу электрической энергии во внутренней электрической сети на основе алгоритма Смарт контракт Блокчейн, формирует пул из потенциальных поставщиков электроэнергии в рамках текущей необходимости для внутренней электрической сети, находя при этом наиболее выгодные для пользователя, владеющего собственной генерацией, ценовые условия.
Микроконтроллер, кроме использования основного Wi-Fi канала, может также взаимодействовать посредствам SMS-сообщения с другим микроконтроллером, входящим в состав умного счетчика, расположенным с ним в одной внутренней сети (если основной канал Wi-Fi не доступен) и/или посредствам электронных сообщений через Интернет и, в конечном итоге, изменять рыночную стратегию поведения пользователей электрической энергии, владеющих собственной генерацией, через личный кабинет пользователя.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в технической возможности счетчика обеспечить транспортировку излишков электроэнергии, получаемой пользователем от собственной генерации, другим пользователям электроэнергии, владеющим собственной генерацией, обеспечивая при этом автоматизацию и информационную безопасность за счет использования технологии Блокчейн.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется рисунком, где на фиг.1 изображена общая, функциональная структурная схема заявленного счетчика; на фиг.2 - составные элементы блока «Электронно-вычислительный узел Блокчейн», соединенные с другими блоками; на фиг.3 - составные элементы блоков «Коммуникации» и «Реле», соединенные с блоком «Электронно-вычислительный узел Блокчейн».
Осуществление изобретения
Счетчик содержит связанные между собой блоки «Реле», «Электрические измерения», «Электронно-вычислительный узел Блокчейн», блоки «Коммуникации» и «Представления».
Блок «Электрические измерения» представлен трансформатором тока, трансформатором напряжения, осуществляющих дискретные измерения параметров электрического тока и напряжения с определением количества полученной/отправленной энергии.
Блок «Реле» состоит из электромеханических реле W199AX-10 ElectromechanicalRelay DPST-NO 40A 240VAC 1.2KOhm, осуществляющих переключение силовой электрической нагрузки между внутренней и внешней сетями. Катушки управления через силовые Mosfet подключены к выходам D9D10 «Электронно-вычислительного узла Блокчейн» через медные проводники. Блок «Электронно-вычислительный узел Блокчейн» представляет собой микроконтроллер ESP8266 NODEMCU BOARD с подключенным на выходы D5,D6,D7,D8(GPIO 6,14,4,15) через интерфейс SPI, двумя внешними, дублирующими друг друга модулями памяти (SD-картами 128Гб), на котором развернут «Fullnode» Блокчейн.
Блок «Коммуникации» представляет собой телекоммуникационную сеть, безотказное функционирование которой обеспечивается двумя взаимозаменяемыми каналами связи, основного и резервного, причем основной канал уже встроен в ESP8266 и обеспечивает взаимодействие по Wi-Fi, а резервный представлен GSM модемом SIM800L GPRS GSM, подключенным на выходы D5,D6,D7,D8(GPIO 6,14,4,15) через интерфейс SPI, и обеспечивает взаимодействие через сеть мобильного оператора, в случае если Wi-Fi не доступен.
Блок «Представления» обеспечивает взаимодействие пользователя электрической энергии со счетчиком посредством интерфейса «личного кабинета», предоставляющего доступ к текущему стоянию умного счетчика посредством https-страницы, которая хранится во внутренней памяти микроконтроллера. В случае обращения пользователя к этой странице, ему может быть представлено текущее состояние счетчика, источник потребления (внутренняя, внешняя сеть), ценовые характеристики купленной им электроэнергии или проданной от собственной генерации. Таким образом, Блок «Представления» предоставляет пользователю возможность изменять стратегии поведения на рынке электроэнергии во внутренней сети, а также устанавливать различные ограничения на покупку энергии из внешней сети.
Счетчик устанавливают на вводе от поставщика электроэнергии к пользователю. Параллельно организуется внутренняя электрическая сеть между пользователями, владеющими собственной генерацией. Все дискретные измерения параметров электрического тока и напряжения с определением количества полученной/отправленной энергии силовой внутренней сети выполняются блоком «Электрические измерения».
При работе счетчика преобразованный аналоговый сигнал тока и напряжения блока «Электрические измерения» преобразуется в цифровой шестнадцатеричный формат при помощи двух микросхем АЦП нового поколения с самокалибровкой ADE9153A. Измерения передаются по проколу SPI в «Электронно-вычислительный узел Блокчейн», который подключен на D5 (GPIO 14)SCLK, D6 (GPIO 12) MISO, D7 (GPIO 13) MOSI выходы микросхемы при помощи экранированных медных проводников, и обеспечивает учет электроэнергии от силовой внутренней и внешней электрической сети. Блок «Электронно-вычислительный узел Блокчейн» контролирует все операции приема/передачи электрической энергии у пользователя, анализируя потоки полученной/отправленной энергии, реализует алгоритмы Блокчейн по заключению Смарт контрактов.
Взаимодействие счетчика с другими счетчиками осуществляется посредствам блока «Коммуникации» - телекоммуникационной сети, которая реализована на двух взаимно-резервируемых каналах Wi-Fi, GSM. Счетчик обеспечивает переключение пользователя между внутренней или внешней сетью при помощи блока «Реле» на основании данных о потоках мощности. Когда пользователь электроэнергии полностью удовлетворяет свою потребность за счет собственной генерации, реле S1 закрыто. Если счетчик обнаруживает недостаток энергии, узел согласно компьютерному алгоритму Блокчейн запрашивает покупку электроэнергии и замыкает реле S2 для её получения в случае покупки из внутренней электрической сети пользователей или от внешней электрической сети, замыкая при этом реле S1. В случае, если у пользователя имеются излишки энергии, соответствующий узел сети Блокчейн выходит на рынок и продает энергию, замкнув выключатель S3. Когда нет обмена энергией между узлом и сетью, выключатель S4 действует в качестве буфера между двумя узлами сети Блокчейн, и остается подключенным к сети.
Таким образом, заявленный счетчик позволяет обеспечить транспортировку излишков электроэнергии, получаемой пользователем от собственной генерации, другим пользователям электроэнергии, владеющим собственной генерацией, обеспечивая при этом автоматизацию и информационную безопасность за счет использования технологии Блокчейн.