區塊鏈和邊緣計算在能源互聯網中的應用研究

程冬玲 申晨

摘 要：目前，能源互聯網隨著泛在電力物聯網概念的提出更加實質化和具體化，同時也帶來了諸如去中心化、安全性、網絡負載及異構設備融合等問題，傳統解決辦法難以從根本上解決上述問題。因此，嘗試將區塊鏈技術與邊緣計算技術進行有機融合，充分發揮相關技術的優勢，彌補各自的短板，進而滿足能源互聯網及泛在電力物聯網當前發展趨勢和要求，為未來能源互聯網建設建言獻策。

關鍵詞：能源互聯網;泛在電力物聯網;區塊鏈;邊緣計算

中圖分類號：F27 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.28.023

0 引言

根據2016年的《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，我國正試圖建立“互聯網+”能源新形態，從而達到使用智能設備、信息能夠對稱、能源供應和需求分散、交易開放的目標。近期召開的2018全國能源工作會議要求，要把當今時代能源工作的重點放在構建能源體系上，而一個公平有序的市場運行體系的建設則是構建能源體系的重要內容之一。2018年兩會上國家電網表態要構建能源互聯網，這對優化能源資源配置，提高能源利用效率，推動能源供應與工業生產需求互聯互通具有重要意義。2019年3月，國家電網明確提出了建設泛在電力物聯網，將能源互聯網的概念提升到一個新的深度和廣度。建設符合時代要求又引領未來發展趨勢的能源互聯網及泛在電力物聯網，既要考慮原有系統架構，解決原有系統存在的固有問題，又要進行頂層設計，能解決當前及未來一段時間的基礎架構問題，盡量避免重復建設、錯誤建設。因此，有必要對當前出現的新技術進行研究和驗證，為頂層設計提供借鑒。

目前，區塊鏈和邊緣計算符合能源互聯網的發展趨勢及要求。區塊鏈去中心化、透明性、公平性以及公開性與能源互聯網理念是一致的，通過分布式網絡建立公平有序開放的能源市場運行體系，可將能源生產者和消費者相連接，使得分布式實時能源交易市場成為可能，增強了安全性，促進交易的透明度和效率，對推進能源互聯網的發展具有積極的推動作用。邊緣計算是一種新型的在網絡邊緣執行分布式計算的模型，邊緣節點可以提供數據處理的第一步，從而限制傳輸到中央服務器的數據量，且邊緣設備可以解決數據與設備的異構性問題，對解決泛在電力物聯網的網絡阻塞問題提供了合理解決方案。

1 相關技術

1.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術作為一種去中心化的數據庫技術，其主要具有以下特征：一是去中心化，區塊鏈技術最突出的特征就是去中心化，每個區塊節點都是獨立存在的，都享有相等的權利和義務，通過數學運算的方式搭建之間的信任度無需第三方的介入， 擁有自己的數據維護、驗證方式和信息的傳遞方法，從而提高了整個系統的安全系數。二是透明化，區塊鏈中的賬本流程是公開的，節點的備份和更新都需要多個數據節點的共同認可，信息在所有區塊中是被同步進行的，因此每個節點之間是不存在欺騙的情況的。三是不可篡改性，區塊鏈中的交易一旦經過各個數據節點的認證后，就會永久的存儲下來，除非經過51%以上的數據節點的更改，這樣在大宗交易中若存在非法篡改，就可通過對根節點的數據的分析來判斷此交易是否具有合法性了。四是智能化，智能化條約是將雙方約定的條件和流程都記錄其中，區塊鏈會自行通過該合約來判斷其可執行性，在符合條件的情況下自動履行條款中程序，無需第三方的介入，執行的效率得到明顯的提升。

1.2 邊緣計算技術

邊緣計算是一種分布式結構，可用于物聯網，是在云計算基礎之上產生的一種新的互聯網演進。邊緣計算節點可以看作分散式網絡的節點，在設備終端即可提供計算，存儲和網絡服務。也就是說邊緣計算通過在網絡邊緣設備上增加執行任務計算和數據分析的能力，將原有中心服務器的部分或全部計算遷移到網絡邊緣設備上，降低中心服務器的計算負載，減緩網絡帶寬的壓力，提高了計算的實時性。

2 存在問題分析

（1）傳統的能源互聯網采用中心化的數據存儲方式，數據備份也是同步進行的，這就使得數據存在被惡意攻擊、被惡意篡改等威脅，這就亟需使用安全可靠的非中心化的數據庫來實現智能電網的安全運行。

（2）能源互聯網最重要的特征之一是分布式能源的大量使用以及“互聯網+ 智能能源”的聯合應用，由此會產生海量的、高密度的數據交換，在保證系統穩定性和安全性，讓小型分布式能源交易接入或城市微網電能輸出都具備可信性、安全性，而傳統能源互聯網結構很難實現成本低、可信度高、大規模異構用戶交互。

（3）泛在電力物聯網需要將大量數據采集終端接入網絡，數據通過網絡傳輸至服務器計算中心進行處理，在此過程匯中，因數據量巨大，需要占用較高的網絡資源，當數據大量增加時，會造成嚴重的網絡阻塞，進而影響計算性能和響應時間。

（4）泛在電力物聯網建設過程中，為了兼容不同廠家、不同時期的數據節點，應處理大量異構節點數據接入問題。物聯網行業現有標準不統一，物理層和工業網絡各有不同標準且相互不兼容，應用層也沒有統一標準，這就使得對于同一種設備由于軟件協議的不同要實現交互也很困難。因此，還需要針對物聯網設備終端，建立微型分布式模型，為分布式網絡中心統一上傳數據。

3 區塊鏈與邊緣計算的融合設計

基于現有能源互聯網及泛在電力物聯網中存在的問題，本文嘗試設計將邊緣計算與區塊鏈相結合的方式，構建能源互聯網整體架構設計，如圖1所示。

根據泛在電力物聯網的特點，在能源互聯網數據采集終端或應用終端，引入分布式邊緣計算，首先，將眾多異構數據源點進行統一處理，屏蔽硬件差異，減少計算中心協議轉換的工作量;其次，利用邊緣設備管理大量終端傳感器，保證響應實時性的同時可實現簡單容錯處理，保證系統穩定運行;最后，將大量數據進行過濾和處理，保證關鍵數據上傳中心網絡，減輕網絡負載，使數據中心保持較高的計算性能。

經邊緣計算傳輸至系統的數據包括物聯網采集數據、系統交易數據、用戶發電及用電數據等，從不同邊緣設備上傳至核心區塊鏈網絡，由于邊緣設備的有限計算能力，從而共識算法選用DPoS（授權股權證明機制），生產能源互聯網區塊，實現去中心化的目的，通過能源互聯網智能合約和區塊鏈固有加密算法，保證交易數據、采集數據的安全性。

4 總結

本文提出了一個基于區塊鏈技術和邊緣計算技術融合能源互聯網架構模型，利用區塊鏈系統去中心化、不可篡改性來實現數據的存儲，使得數據的可靠性、安全性和數據溯源得到了充分的保障，邊緣計算的使用則解決了網絡負載嚴重，物聯網設備異構性嚴重等問題。為區塊鏈技術及邊緣計算技術在能源互聯網和泛在電力物聯網的應用落地，提供了一些參考思路。

參考文獻

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