區塊鏈技術在能源安全與多源協同下的應用

李建文

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

能源是人類生存和發展的基礎，是國民經濟的命脈，也是國家的根本。自第四次能源革命開始，隨著能源類型的升級和能源技術的快速發展，能源結構逐步形成了多元化能源共存、智能化系統控制與分布式自治的形式，同時產生了海量的能源數據。雖然國家與能源部門對能源數據有著嚴格的管控，但由于數據量的過于龐大及其在各個電廠之間的保存形式不一，數據無法安全有效地傳遞。同時，隨著風能、太陽能、水能等清潔能源的大量使用，多源協同逐步成為了能源網絡亟待解決的問題。然而，傳統的集中式決策模型已不能滿足各能源電廠在混合供電中的效能。因此，如何智能有效地保障能源數據的安全，如何有效地調節各類電源之間的協同顯得至關重要。

區塊鏈作為一種共享的分布式數據庫和分散的P2P網絡，具有分布式決策、協同自治、防篡改、高安全性和開放透明等特點[1-2]。鏈中的每個節點還可以參與數據的交易、共享和存儲，有效防止數據被篡改。同時，區塊鏈中的分散分布決策技術能夠為多源協同的調度提供解決方式[3-4]。區塊鏈在運營模式、拓撲結構、安全防護等方面符合能源互聯網的理念，可以與能源大數據互補，有效解決了能源信息安全問題，在能源領域具有巨大潛力。作為全球最大的能源消費國，我國通過區塊鏈技術在國際能源領域的應用，使區塊鏈技術成為能源轉型和模式演進的催化劑，加快區塊鏈技術在我國能源領域的應用。

1 能源數據監管與交易的安全機制

1.1 能源數據的處理與分類

(1)

能源行業監管機構、能源集團和數據購買者對電力數據的需求存在很大差異。因此，為了實現電力數據的安全管理和價值要求，數據中心對各電廠數據的哈希值進行分析處理，并將其分為以下4類數據：①用于交易的有價值數據D1；②能源行業監管機構要求的監管數據D2；③能源集團自身的管理數據D3；④可追溯和防篡改的哈希值HashG。其中，HashG滿足式(2)：

HashG=Hash1⊕Hash2⊕…⊕Hashn

(2)

以上4種數據可以根據各自的功能需求、不同的數據端口和外界或本地的云存儲進行交換，以實現以下功能。

(1)數據D1及其散列值散列(D1)存儲在本地或云數據庫中，散列值散列(D1)添加描述性信息(DI)，然后打包成摘要塊并上傳到第三方平臺。數據D1可用于數據事務，摘要塊中的內容可用于數據檢索。

(2)數據D2和HashG值上傳至能源行業監管機構，以支持能源行業對能源生產和運營數據的監管職能。

(3)數據D3和HashG值存儲在本地或云數據庫中，以支持能源組的內部管理功能。

1.2 基于區塊鏈的能源數據監管與交易模型

能源數據作為一種重要的基礎戰略資源，具有數據量大、數據類型多、地理位置分散等特點[5]。在正常模式下，能源數據的監管和交易可以通過第三方平臺的建設，并通過云交易平臺實現數據交易。然而，在第三方平臺的數據管理模式下，數據在傳輸過程中容易被泄露和篡改，并且第三方平臺有備份和泄露能源數據的危險。因此，為了解決上述問題，在分析能源數據與區塊鏈技術融合的基礎上，基于兩者的技術互補性與區塊鏈技術，本文設計了基于區塊鏈的能源鏈監管與交易模型。該模型基于區塊鏈技術構建了業務鏈、監管鏈和交易鏈如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的能源數據監管與交易模型Fig.1 Energy data supervision and transaction model based on blockchain

其中，業務鏈和監管鏈通過利用區塊鏈防篡改技術構建了監管機制，實現了對各能源集團、各電廠能源生產經營數據的真實、高效監管。同時，能源行業監管部門對整個能源集團和各廠站的能源生產經營數據進行有效監管，確保了數據的真實性。交易鏈主要利用區塊鏈分散和可追溯技術的特點，記錄了各能源集團數據中心與電網公司之間的數據交易[6-10]。同時，基于區塊鏈的智能合約機制構建了一個不需要第三方干預的點對點交易信任機制。

在該模型中，第三方能源數據共享交易平臺是一個弱集中式平臺。它不需要用戶統一上傳數據到平臺，從而避免了網絡傳輸、平臺存儲和交易過程中數據泄露的可能性，大大提高了數據的安全性。該平臺能夠滿足能源數據交易鏈中每個用戶身份的真實性和每個交易的可追溯性要求，并基于抽象目錄樹機制實現了數據交易用戶的集中數據檢索功能。摘要目錄只存儲數據摘要和用戶基本信息，其數據量較小，查詢速度快，使用戶可以高效地查詢。

1.3 摘要目錄樹構造方法

能源交易第三方平臺為弱集中式數據平臺，此平臺能將每個能源集團的數據中心上傳到第三方交易平臺的哈希值(D1)，并將數據描述信息DI組成塊，之后便將塊按規定錄入目錄樹中，使得樹形結構基于目錄樹機制而實現，為數據交換用戶提供集中式的數據檢索功能，同時保證了點對點的數據事務共享。由于數據D1沒有完全上傳到第三方交易平臺，因此可以避免數據D1在網絡傳輸、平臺存儲和交易過程中泄漏事件的發生。第三方交易平臺匯總目錄樹的具體生成過程如下：①數據采集與分析。各能源集團數據中心對各電廠周期性數據哈希值Hashj進行分析處理，得到所需數據D1及其哈希值hash(D1)。②生成摘要塊。能源集團數據中心提取用于事務的有價值數據的哈希值哈希(D1)，并添加正文描述信息DI(主要包括數據的能源類型、數學類型、生成時間和地址信息等屬性值)形成摘要塊。③形成摘要樹。摘要塊中的DI描述數據的能量類型、生成時間和數據類型。這些屬性值是摘要目錄樹結構的關鍵。樹形結構設計將能源類型作為第一級節點，然后將各具體能源行業的數據類型作為第二級節點，如火電廠的發電數據，然后將區域、集團、下屬單位分別作為第3、第4、第5級節點。平臺獲得摘要塊后，可以根據摘要塊中的描述信息和地址信息，按照樹結構輸入摘要目錄樹的相應節點。

2 基于多源協同的共識機制

在區塊鏈中，節點之間的協商是以信息流的形式完成的。因此，在保證信息安全的同時，研究區塊鏈中節點間的協商具有重要意義。能源互聯網建設發展和電力體制改革的最終目標是在安全、經濟地滿足全社會需求的前提下，提高清潔能源的利用效率[11-14]。然而，由于風能、太陽能和水力等清潔能源的不穩定性、不可預測性和間歇性，電力系統中存在著電力波動和負荷不確定性。

在我國鼓勵清潔能源大規模接入電網的前提下，研究的重點是探討如何兼顧不同類型電廠的利益、電源側的整體清潔度和用戶側的用電穩定性，給予更大的靈活性和開放性到能源市場下的分散調度部分。因此，迫切需要在各種能源之間建立獨立、智能、部分分散的協同優化機制。區塊鏈作為一種共享的分布式數據庫技術，具有共識機制、分布式決策、協同自治、高安全性等特點，能夠很好地支持清潔能源的大規模接入。各能源節點根據自身發電、成本控制與效益、電網功率平衡等約束條件，在調度部分分散化的基礎上，構建自主、互信、安全的協同優化機制。區塊鏈技術的使用保證了系統中協商機制的效率。

發電廠、電網公司和電源端的各種終端用戶可以被視為區塊鏈中的一種節點。對于終端用戶在負荷端提出的需求，本文提出了采用電源端多個電廠結合電網公司輸配電情況來協商確定輸配電方案的方式，如圖2所示。

圖2 基于區塊鏈的多源協同模型Fig.2 Multi-source collaborative model based on blockchain

多源協同需要考慮n個源節點(n>2)在一個時間段T內的能量交易量W、能量的清潔度R、社會重要度系數S和電能的銷售價格M，此外，還應確定每個節點的表決權值V。并依據區塊鏈的理論設定任何節點的投票權不能超過50%。依據上述要求給出的數學描述，可以計算出每個節點的表決權值V。數學描述如下：

(3)

在源端節點接收到需求數據后，每個源節點需要在一定時間T內就電源分配達成一致意見，并在協商后將方案廣播到整個網絡。源端的每個節點根據協商一致機制在時間段T中對W、R、S、M等進行統計。根據式(3)計算參與表決的節點權值V，對方案進行表決。當投票率超過50%時，程序通過；當投票率不超過50%時，重新規劃并上傳計劃，直到最終計劃確定。

3 結論

本文研究了基于區塊鏈的能源鏈安全和多源協同機制。通過分析區塊鏈的特點以及能源行業存在的問題和需求，對能源系統中的大量能源數據進行了處理和分類。構建了基于區塊鏈的能源鏈監管與交易模型。設計了具有集中數據檢索功能的能量數據匯總樹，提出了一種適用于多源協調機制的一致性機制。同時，隨著區塊鏈概念的不斷普及，區塊鏈技術將長期快速發展。基于此，將進一步研究區塊鏈在能源行業的應用，使所產生的能源數據更加安全，對現有能源的協調和利用越來越高效，不斷拓展研究的應用范圍。