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(fā)展的基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，也是國(guó)家的根本。自第四次能源革命開(kāi)始，隨著能源類型的升級(jí)和能源技術(shù)的快速發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)逐步形成了多元化能源共存、智能化系統(tǒng)控制與分布式自治的形式，同時(shí)產(chǎn)生了海量的能源數(shù)據(jù)。雖然國(guó)家與能源部門對(duì)能源數(shù)據(jù)有著嚴(yán)格的管控，但由于數(shù)據(jù)量的過(guò)于龐大及其在各個(gè)電廠之間的保存形式不一，數(shù)據(jù)無(wú)法安全有效地傳遞。同時(shí)，隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等清潔能源的大量使用，多源協(xié)同逐步成為了能源網(wǎng)絡(luò)亟待解決的問(wèn)題。然而，傳統(tǒng)的集中式?jīng)Q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(shù)據(jù)的安全，如何有效地調(diào)節(jié)各類電源之間的協(xié)同顯得至關(guān)重要。

區(qū)塊鏈作為一種共享的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和分散的P2P網(wǎng)絡(luò)，具有分布式?jīng)Q策、協(xié)同自治、防篡改、高安全性和開(kāi)放透明等特點(diǎn)[1-2]。鏈中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)還可以參與數(shù)據(jù)的交易、共享和存儲(chǔ)，有效防止數(shù)據(jù)被篡改。同時(shí)，區(qū)塊鏈中的分散分布決策技術(shù)能夠?yàn)槎嘣磪f(xié)同的調(diào)度提供解決方式[3-4]。區(qū)塊鏈在運(yùn)營(yíng)模式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安全防護(hù)等方面符合能源互聯(lián)網(wǎng)的理念，可以與能源大數(shù)據(jù)互補(bǔ)，有效解決了能源信息安全問(wèn)題，在能源領(lǐng)域具有巨大潛力。作為全球最大的能源消費(fèi)國(guó)，我國(guó)通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)在國(guó)際能源領(lǐng)域的應(yīng)用，使區(qū)塊鏈技術(shù)成為能源轉(zhuǎn)型和模式演進(jìn)的催化劑，加快區(qū)塊鏈技術(shù)在我國(guó)能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 能源數(shù)據(jù)監(jiān)管與交易的安全機(jī)制

1.1 能源數(shù)據(jù)的處理與分類

(1)

能源行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)、能源集團(tuán)和數(shù)據(jù)購(gòu)買者對(duì)電力數(shù)據(jù)的需求存在很大差異。因此，為了實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的安全管理和價(jià)值要求，數(shù)據(jù)中心對(duì)各電廠數(shù)據(jù)的哈希值進(jìn)行分析處理，并將其分為以下4類數(shù)據(jù)：①用于交易的有價(jià)值數(shù)據(jù)D1；②能源行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的監(jiān)管數(shù)據(jù)D2；③能源集團(tuán)自身的管理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以根據(jù)各自的功能需求、不同的數(shù)據(jù)端口和外界或本地的云存儲(chǔ)進(jìn)行交換，以實(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)數(shù)據(jù)D1及其散列值散列(D1)存儲(chǔ)在本地或云數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)。數(shù)據(jù)D1可用于數(shù)據(jù)事務(wù)，摘要塊中的內(nèi)容可用于數(shù)據(jù)檢索。

(2)數(shù)據(jù)D2和HashG值上傳至能源行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，以支持能源行業(yè)對(duì)能源生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的監(jiān)管職能。

(3)數(shù)據(jù)D3和HashG值存儲(chǔ)在本地或云數(shù)據(jù)庫(kù)中，以支持能源組的內(nèi)部管理功能。

1.2 基于區(qū)塊鏈的能源數(shù)據(jù)監(jiān)管與交易模型

能源數(shù)據(jù)作為一種重要的基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源，具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、地理位置分散等特點(diǎn)[5]。在正常模式下，能源數(shù)據(jù)的監(jiān)管和交易可以通過(guò)第三方平臺(tái)的建設(shè)，并通過(guò)云交易平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交易。然而，在第三方平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理模式下，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中容易被泄露和篡改，并且第三方平臺(tái)有備份和泄露能源數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)。因此，為了解決上述問(wèn)題，在分析能源數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈技術(shù)融合的基礎(chǔ)上，基于兩者的技術(shù)互補(bǔ)性與區(qū)塊鏈技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的能源鏈監(jiān)管與交易模型。該模型基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了業(yè)務(wù)鏈、監(jiān)管鏈和交易鏈如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的能源數(shù)據(jù)監(jiān)管與交易模型Fig.1 Energy data supervision and transaction model based on blockchain

其中，業(yè)務(wù)鏈和監(jiān)管鏈通過(guò)利用區(qū)塊鏈防篡改技術(shù)構(gòu)建了監(jiān)管機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各能源集團(tuán)、各電廠能源生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)的真實(shí)、高效監(jiān)管。同時(shí)，能源行業(yè)監(jiān)管部門對(duì)整個(gè)能源集團(tuán)和各廠站的能源生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效監(jiān)管，確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。交易鏈主要利用區(qū)塊鏈分散和可追溯技術(shù)的特點(diǎn)，記錄了各能源集團(tuán)數(shù)據(jù)中心與電網(wǎng)公司之間的數(shù)據(jù)交易[6-10]。同時(shí)，基于區(qū)塊鏈的智能合約機(jī)制構(gòu)建了一個(gè)不需要第三方干預(yù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易信任機(jī)制。

在該模型中，第三方能源數(shù)據(jù)共享交易平臺(tái)是一個(gè)弱集中式平臺(tái)。它不需要用戶統(tǒng)一上傳數(shù)據(jù)到平臺(tái)，從而避免了網(wǎng)絡(luò)傳輸、平臺(tái)存儲(chǔ)和交易過(guò)程中數(shù)據(jù)泄露的可能性，大大提高了數(shù)據(jù)的安全性。該平臺(tái)能夠滿足能源數(shù)據(jù)交易鏈中每個(gè)用戶身份的真實(shí)性和每個(gè)交易的可追溯性要求，并基于抽象目錄樹(shù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交易用戶的集中數(shù)據(jù)檢索功能。摘要目錄只存儲(chǔ)數(shù)據(jù)摘要和用戶基本信息，其數(shù)據(jù)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(shù)構(gòu)造方法

能源交易第三方平臺(tái)為弱集中式數(shù)據(jù)平臺(tái)，此平臺(tái)能將每個(gè)能源集團(tuán)的數(shù)據(jù)中心上傳到第三方交易平臺(tái)的哈希值(D1)，并將數(shù)據(jù)描述信息DI組成塊，之后便將塊按規(guī)定錄入目錄樹(shù)中，使得樹(shù)形結(jié)構(gòu)基于目錄樹(shù)機(jī)制而實(shí)現(xiàn)，為數(shù)據(jù)交換用戶提供集中式的數(shù)據(jù)檢索功能，同時(shí)保證了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)事務(wù)共享。由于數(shù)據(jù)D1沒(méi)有完全上傳到第三方交易平臺(tái)，因此可以避免數(shù)據(jù)D1在網(wǎng)絡(luò)傳輸、平臺(tái)存儲(chǔ)和交易過(guò)程中泄漏事件的發(fā)生。第三方交易平臺(tái)匯總目錄樹(shù)的具體生成過(guò)程如下：①數(shù)據(jù)采集與分析。各能源集團(tuán)數(shù)據(jù)中心對(duì)各電廠周期性數(shù)據(jù)哈希值Hashj進(jìn)行分析處理，得到所需數(shù)據(jù)D1及其哈希值hash(D1)。②生成摘要塊。能源集團(tuán)數(shù)據(jù)中心提取用于事務(wù)的有價(jià)值數(shù)據(jù)的哈希值哈希(D1)，并添加正文描述信息DI(主要包括數(shù)據(jù)的能源類型、數(shù)學(xué)類型、生成時(shí)間和地址信息等屬性值)形成摘要塊。③形成摘要樹(shù)。摘要塊中的DI描述數(shù)據(jù)的能量類型、生成時(shí)間和數(shù)據(jù)類型。這些屬性值是摘要目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。樹(shù)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將能源類型作為第一級(jí)節(jié)點(diǎn)，然后將各具體能源行業(yè)的數(shù)據(jù)類型作為第二級(jí)節(jié)點(diǎn)，如火電廠的發(fā)電數(shù)據(jù)，然后將區(qū)域、集團(tuán)、下屬單位分別作為第3、第4、第5級(jí)節(jié)點(diǎn)。平臺(tái)獲得摘要塊后，可以根據(jù)摘要塊中的描述信息和地址信息，按照樹(shù)結(jié)構(gòu)輸入摘要目錄樹(shù)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

2 基于多源協(xié)同的共識(shí)機(jī)制

在區(qū)塊鏈中，節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商是以信息流的形式完成的。因此，在保證信息安全的同時(shí)，研究區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商具有重要意義。能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展和電力體制改革的最終目標(biāo)是在安全、經(jīng)濟(jì)地滿足全社會(huì)需求的前提下，提高清潔能源的利用效率[11-14]。然而，由于風(fēng)能、太陽(yáng)能和水力等清潔能源的不穩(wěn)定性、不可預(yù)測(cè)性和間歇性，電力系統(tǒng)中存在著電力波動(dòng)和負(fù)荷不確定性。

在我國(guó)鼓勵(lì)清潔能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的前提下，研究的重點(diǎn)是探討如何兼顧不同類型電廠的利益、電源側(cè)的整體清潔度和用戶側(cè)的用電穩(wěn)定性，給予更大的靈活性和開(kāi)放性到能源市場(chǎng)下的分散調(diào)度部分。因此，迫切需要在各種能源之間建立獨(dú)立、智能、部分分散的協(xié)同優(yōu)化機(jī)制。區(qū)塊鏈作為一種共享的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，具有共識(shí)機(jī)制、分布式?jīng)Q策、協(xié)同自治、高安全性等特點(diǎn)，能夠很好地支持清潔能源的大規(guī)模接入。各能源節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身發(fā)電、成本控制與效益、電網(wǎng)功率平衡等約束條件，在調(diào)度部分分散化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建自主、互信、安全的協(xié)同優(yōu)化機(jī)制。區(qū)塊鏈技術(shù)的使用保證了系統(tǒng)中協(xié)商機(jī)制的效率。

發(fā)電廠、電網(wǎng)公司和電源端的各種終端用戶可以被視為區(qū)塊鏈中的一種節(jié)點(diǎn)。對(duì)于終端用戶在負(fù)荷端提出的需求，本文提出了采用電源端多個(gè)電廠結(jié)合電網(wǎng)公司輸配電情況來(lái)協(xié)商確定輸配電方案的方式，如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的多源協(xié)同模型Fig.2 Multi-source collaborative model based on blockchain

多源協(xié)同需要考慮n個(gè)源節(jié)點(diǎn)(n>2)在一個(gè)時(shí)間段T內(nèi)的能量交易量W、能量的清潔度R、社會(huì)重要度系數(shù)S和電能的銷售價(jià)格M，此外，還應(yīng)確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的表決權(quán)值V。并依據(jù)區(qū)塊鏈的理論設(shè)定任何節(jié)點(diǎn)的投票權(quán)不能超過(guò)50%。依據(jù)上述要求給出的數(shù)學(xué)描述，可以計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的表決權(quán)值V。數(shù)學(xué)描述如下：

(3)

在源端節(jié)點(diǎn)接收到需求數(shù)據(jù)后，每個(gè)源節(jié)點(diǎn)需要在一定時(shí)間T內(nèi)就電源分配達(dá)成一致意見(jiàn)，并在協(xié)商后將方案廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。源端的每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)商一致機(jī)制在時(shí)間段T中對(duì)W、R、S、M等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)式(3)計(jì)算參與表決的節(jié)點(diǎn)權(quán)值V，對(duì)方案進(jìn)行表決。當(dāng)投票率超過(guò)50%時(shí)，程序通過(guò)；當(dāng)投票率不超過(guò)50%時(shí)，重新規(guī)劃并上傳計(jì)劃，直到最終計(jì)劃確定。

3 結(jié)論

本文研究了基于區(qū)塊鏈的能源鏈安全和多源協(xié)同機(jī)制。通過(guò)分析區(qū)塊鏈的特點(diǎn)以及能源行業(yè)存在的問(wèn)題和需求，對(duì)能源系統(tǒng)中的大量能源數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分類。構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的能源鏈監(jiān)管與交易模型。設(shè)計(jì)了具有集中數(shù)據(jù)檢索功能的能量數(shù)據(jù)匯總樹(shù)，提出了一種適用于多源協(xié)調(diào)機(jī)制的一致性機(jī)制。同時(shí)，隨著區(qū)塊鏈概念的不斷普及，區(qū)塊鏈技術(shù)將長(zhǎng)期快速發(fā)展?；诖耍瑢⑦M(jìn)一步研究區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應(yīng)用，使所產(chǎn)生的能源數(shù)據(jù)更加安全，對(duì)現(xiàn)有能源的協(xié)調(diào)和利用越來(lái)越高效，不斷拓展研究的應(yīng)用范圍。