IOTA驱动的智能电网基础设施

几个月前，欧洲创新评估单位-欧洲创新雷达(European Innovation Radar)将IOTA基金会(IF)和其参与的+CityxChange项目下开发的能源交易平台分别评估为“关键创新者”和“高潜力创新”。

最近，这一创新的影响力得到了电信行业协会-TM论坛(www.tmforum.org)的认可，并授予IOTA基金会(IF)和其他一些合作伙伴，以表彰他们的解决方案所带来的商业影响。该奖项是TM论坛催化剂创新比赛的一部分，该比赛是该论坛旗舰活动“数字转型世界大会”的一部分，今年全在线举办，最近已于11月12日结束。

但这一成就带来的核心创新是什么呢?我们将在下面的文章中对此进行描述。

让我们从头开始……

自2018年以来，作为欧盟项目+CityXchange的一部分，IF与挪威特隆赫姆和爱尔兰利默里克的许多智能能源合作伙伴进行了合作。

在最初的设置阶段(包括用例和架构讨论)之后，最终在2020年，项目的开发阶段开始。IF与NTNU、ABB、Powel、TronderEnergi和SmartMpower合作。

基于灯塔城市利默里克和特隆赫姆的利益相关者的要求，IF测试了一个分散式能源交易平台的MVP （ 最小化可实行产品 ） 。你可以在这段视频中观看这项工作的总结，或者继续阅读这篇博客文章的其余部分以了解更多细节。

首先，能源交易意味着什么?为什么它很重要?

目前，全球能源使用有两个主要的载体：(1)建筑，其约有能源总需求的40%，(ii)交通运输，约占总能源需求的28% 。

尽管建筑能耗很高，但最近智能建筑技术的创新开始扭转这一趋势。

由于屋顶太阳能光伏等分布式可再生能源的不断发展，以及当地储能技术的改进，一些建筑现在可以成为正能源建筑（不仅不需要外部供能，还能往外输出能源）。一个例子就是位于特隆赫姆的Powerhouse Brattørkaia,如下图所示。建筑完全由太阳能电池板覆盖。

由于能够从可再生资源中生产能源，结合其他智能技术，正能源建筑就能够作为一个灵活的能源系统。这意味着它能有效地管理其能源的生产和消费，在降低其在能源网上的总负荷的同时，生产出比其运行所需更多的能源。因此，微电网可以变得更加灵活。

结合物联网和智能计量技术的改进，将历史数据与当前天气状况相结合，用人工智能算法处理，可以实时测量正能源建筑产生和消耗的能源，甚至可以进行预测。

正能量建筑创造了过剩的能量，可以储存或重新分配，这样就可以满足其他建筑和社区整体的需要。剩余的能源可以在当地进行交易和交换。不仅是建筑，即使不能产生能源过剩，城市地区也可以成为自给自足的“能源岛”。

为了实现这种智能电网的创新，需要一种新型的数字基础设施。

那么，这种数字基础设施的作用是什么呢?

为了建立一个能源交易平台，用于控制能源资产(如电池存储、太阳能电池板等)的连接代理需要一个数据共享基础设施，来发布出售可用剩余能源的报价(供应方)。与此同时，其他代理需要发布请求来购买可用能源(需求方)。

当这些信息可用时，在专门的优化算法的帮助下，交易平台可以最好地匹配需求和供应，并实现连接资产、建筑物和最终地区的市场能源平衡。这种可能性能够将能源过剩和灵活性货币化，允许在城市环境中进一步部署和整合分布的能源资源。

为什么这种数据共享的数字基础设施还没有存在?

首先，这个需求才刚刚产生。直到最近，许多技术的普及才使能源过剩成为可能。

其次，以分布式方式交易能源剩余的想法与传统的市场设计和商业模式形成对比，后者是建立在一个更集中的电力系统的前提下。

直到现在，范式的转变才开始出现。电网运营商现在认识到，通过协调当地平衡的能源市场，可以避免因整合分散的能源资源而造成昂贵的电网加固。监管机构也开始适应这种新兴的机会格局。

对可伸缩的底层数字基础设施的需求现在变得越来越明显。此外，我们还了解了这些数据是如何由一组不同的独立的涉众生成的，以及如何确保数据流及对它的处理的遵从性和透明度是至关重要的。

集中式、基于云的数据共享基础设施带来了摩擦，可能与在这种分布式的生态系统中部署的开放透明市场的愿景并不兼容。黑盒方法引入了单点故障、数据或处理被操纵或篡改的威胁。此外，为了扩大规模、确保优化和引入进一步的创新，集中式基础设施将不断受到挑战，以满足日益增长的数据共享和互操作性需求。

正因为如此，分布式账本(DLTs)等新兴的开源技术，正作为开放透明的智慧城市和能源基础设施的潜在基石而受到关注。通过在一个共享的分布式基础设施上共享这些能源交易平台和它们的优化算法所需的数据，它对预先选择的一些整合者的独家访问就会被移除。因此，对这些数据的访问被民主化了，同时透明性和可追溯性得到了保证。

然而，数据共享基础设施只是这个等式的一部分。还需要什么?

答案是一个价值交换基础设施。这能被中心化吗？可以，但是，去中心化也有好处。

原因如下。产商(即生产和消费能源剩余的资产)参与能源交易应该是顺畅的，并通过直接奖励其所有者来激励他们。最理想的方法是利用接近实时且感觉不到的支付来换取交易能源盈余。为了满足这些需求，生产商向消费者支付的费用可以是对等的、实时的，并由分散的边缘能源资产本身自动管理，而不是集中、聚合、按月或按季度结算。在此场景下，就可以引入IOTA令牌，以促进此类机器对机器交易的结算。

DLT驱动的智能电网基础设施–为什么是IOTA?

由于本地能源市场的分布式特性，开发具有透明的数据共享和支付数字基础设施的可靠能源交易平台的理由变得越来越明确。为了实现这一点，应该利用分布式账本技术(DLT)。基于DLT的数字基础设施可以保证交换数据的可审核性，可再生能源供应的来源，以及处理按次付费的实时和自动的价值转移。当同一个DLT同时提供数据(data)和价值(value)事务的实时审核能力时，复杂性就会大大降低。

然而，并不是所有的DLT技术都符合这些要求。被选中的企业应该能够直接与能源资产进行整合，并达到一个地区或一个城市所设想的大量交易的规模。

IOTA Tangle符合这些要求。让我们看看这是为什么。

IOTA可以在同一个基础设施上同时处理价值和数据事务。IOTA提供了一种可直接嵌入物联网设备(即智能电表)的开源软件技术，允许将这种数字基础设施创新的范围扩展到电网的物联网边缘。能源资产可以立即共享能源过剩的需求和供应，而不需要集中的数据聚合。 IOTA Access保证了资源的真实性和共享数据的完整性，帮助客户建立声誉。由于IOTA Stream的存在，信息的机密性由其所有者控制，只能向选定的平台运营商授予访问权限。这促进了市场的灵活性和竞争。与此同时，机密性，即谁卖给谁，可以被维护，并且只能被授权方，即监管机构访问。

由于IOTA交易是无需手续费的，因此可能限制这种分散基础设施使用的不可预估的成本也就不存在了，无论是共享所需数据还是处理支付。

此外，IOTA Access将允许更动态的能源交易场景，如那些包括eMaaS(电动移动服务)的场景。

譬如，设想电动汽车(EV)需要能源来完成它的旅程。该车辆将要求附近可利用的能源充电站利用能源灵活性市场。与此同时，想想私人充电站的所有者，他们可以向附近的汽车提供一定数量的充电。一旦需求和供应被市场匹配，进入选定充电站的许可就可以直接给予被匹配的汽车，这样只有经过授权的汽车才能从充电站无缝充电。

IOTA是如何实现创新的基础设施的?

为了提供这种基础设施，我们开发了许多硬件和软件组件。下面的图中显示了已实现体系结构的简化高级概览。

我们的重点是在IOTA Tangle之上构建的数据和支付基础设施，但是，为了展示它的价值，我们实现了一些额外的组件。如前所述，IOTA基金会的目标是将这一过程的分散化带到电网的边缘，并使能源资产直接连接到基础设施上。为此，我们首先开发了IOTA资产模块。它是一种嵌入式物联网设备(使用一个PyCom板)，带有集成的电表和一个IOTA加密核心，允许每个能源资产直接在IOTA Tangle上发布数据。该模块可以连接到本地WiFi或LTE-M网络，允许其部署在一系列能源资产和场景中。它与不同的标准兼容，可以直接或通过提供的HAN端口连接的资产集成电能表(即ABB SiteEMS)测量所连接的资产能量。设备在IOTA Tangle上注册它的身份(公钥)，从而允许它对所有生成的消息进行加密和签名。

资产管理器(Asset Manager)的界面如下所示，它允许所有者使用参数配置模块，例如出售的能源成本或购买的能源价格。支付直接从设备上执行，设备上有一个IOTA钱包，可以使用相同的UI进行支付。所需数量的令牌可以使用相同的UI从中心钱包移动到设备钱包。当本地钱包余额低于阈值时，也可以设置警报，以及当钱包余额超过预定义的限制时定期取款。设备所涉及的所有事务都被登录到IOTA Tangle上，并使用UI中的功能进行检查。

在初始配置之后，该模块根据预定义的参数自动生成连接资产的能源过剩报价和需求，并使用Stream通道将其发布到Tangle基础设施上。

许多标准API允许我们的后端( 为示范目的而开发 )或任何其他交易平台后端提取这些要求并提供(如果访问相关流已被其所有者授予)，验证的源的完整性并自动匹配他们，以给出一个最大的产出。

在这个阶段，一个非常简单的匹配策略在连接投标管理器中被实施(即，超额提供的能量大于需求的能量，价格低于报价)。但是，使用提供的API连接的平台可以采用任何更复杂的策略。一旦创建了匹配项，Tangle基础设施上的“结算”模块(使用相同的标准API)将存储商定的出价，用于审计目的，并将通知发送给相关的生产者和消费者资产。

然后，能量交换可以由结算模块监控，结算模块通过在为此特定目的而打开的专用流通道中生产和消耗资产来观察被提交的能量测量。在资产层面上发送和接收的能量由连接的IOTA资产模块进行测量。一旦确认了能量交换，就会触发“支付和审计”模块，从消费者到生产者的支付请求也会记录在同一个流中。IOTA模块监视请求的IOTA支付被处理，然后触发争端解决程序。

在当前实现中，可以使用在Tangle基础设施上共享的信息演示以下工作流。

接下来是什么…?

IOTA基金会的任务是使新的解决方案能够受益于IOTA账本的使用和其他技术。在本文中，我们讨论了如何改进智能电网基础设施，使当地能源平台和市场成为可能。

通过使用用于无缝资产集成的标准物联网api(如FIWARE)和用于数据交换的标准协议(如OASIS eMIX)进一步扩展数字基础设施，可以支持生产企业连接到不同市场的能力。与此同时，平台运营商还将能够连接不同的配电能源运营商(DSO)和优化算法。

为了实现这种互操作性，还需要额外的构件，包括:

• 基于标准开放api的互连网关，允许访问任何资产和任何DSO、优化算法。为此，我们将探讨各种标准，包括OASIS WG规范。
• 将能源资产与标准数字双胞胎连接起来的物联网开发库和硬件集成，以及与完全分散的事物身份的集成，以保证数据的完整性、来源的真实性，并允许为其所有者建立声誉和能源信用。

要了解更多关于如何支持此基础设施扩展以及开发所需构建块的信息，请通过integrations@iota.org与IOTA基金会团队联系。在这个阶段我们最期待研究和学术机构的参与。

行动号召：表达兴趣

这个基础设施和市场目前正在部署和使用，用于连接能源生产资产(如光伏电池板阵列)和消费资产(包括部署在“Zero Energy Building零能耗建筑”中的电池和电动汽车充电器)。零能耗建筑是位于特隆赫姆的NTNU校园，用于研究可再生能源的生活实验室。

为了促进在+CityxChange项目和合作伙伴之外使用和采用这种数字基础设施，并促进新型智慧城市和城市点对点能源交易解决方案的开发，IOTA基金会还与Alpha Venturi合作。Alpha Venturi是挪威一家专门从事新兴技术的创新和创业工作室，孵化了一家衍生企业，并利用+CityXchange项目和本文中介绍的组件开展相关研究和创新活动。

为了利用这一基础设施，加速市场就绪解决方案的开发和商业化，Alpha Venturi欢迎来自以下方面的兴趣表达:

• 能源、房地产、城市、合作社和其他行业的潜在用户和受益者
• 热切欢迎未来的试点计划的试验平台和生活实验室
• 来自行业、研究、学术界或协会的开发和交付合作伙伴

您可通过 wilfried@alpha-venturi.com 与 Alpha Venturi 的 Wilfried Pimenta de Miranda  取得联系。