区块链技术在能源安全与多源协同下的应用

李建文

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

能源是人类生存和发展的基础，是国民经济的命脉，也是国家的根本。自第四次能源革命开始，随着能源类型的升级和能源技术的快速发展，能源结构逐步形成了多元化能源共存、智能化系统控制与分布式自治的形式，同时产生了海量的能源数据。虽然国家与能源部门对能源数据有着严格的管控，但由于数据量的过于庞大及其在各个电厂之间的保存形式不一，数据无法安全有效地传递。同时，随着风能、太阳能、水能等清洁能源的大量使用，多源协同逐步成为了能源网络亟待解决的问题。然而，传统的集中式决策模型已不能满足各能源电厂在混合供电中的效能。因此，如何智能有效地保障能源数据的安全，如何有效地调节各类电源之间的协同显得至关重要。

区块链作为一种共享的分布式数据库和分散的P2P网络，具有分布式决策、协同自治、防篡改、高安全性和开放透明等特点[1-2]。链中的每个节点还可以参与数据的交易、共享和存储，有效防止数据被篡改。同时，区块链中的分散分布决策技术能够为多源协同的调度提供解决方式[3-4]。区块链在运营模式、拓扑结构、安全防护等方面符合能源互联网的理念，可以与能源大数据互补，有效解决了能源信息安全问题，在能源领域具有巨大潜力。作为全球最大的能源消费国，我国通过区块链技术在国际能源领域的应用，使区块链技术成为能源转型和模式演进的催化剂，加快区块链技术在我国能源领域的应用。

1 能源数据监管与交易的安全机制

1.1 能源数据的处理与分类

(1)

能源行业监管机构、能源集团和数据购买者对电力数据的需求存在很大差异。因此，为了实现电力数据的安全管理和价值要求，数据中心对各电厂数据的哈希值进行分析处理，并将其分为以下4类数据：①用于交易的有价值数据D1；②能源行业监管机构要求的监管数据D2；③能源集团自身的管理数据D3；④可追溯和防篡改的哈希值HashG。其中，HashG满足式(2)：

HashG=Hash1⊕Hash2⊕…⊕Hashn

(2)

以上4种数据可以根据各自的功能需求、不同的数据端口和外界或本地的云存储进行交换，以实现以下功能。

(1)数据D1及其散列值散列(D1)存储在本地或云数据库中，散列值散列(D1)添加描述性信息(DI)，然后打包成摘要块并上传到第三方平台。数据D1可用于数据事务，摘要块中的内容可用于数据检索。

(2)数据D2和HashG值上传至能源行业监管机构，以支持能源行业对能源生产和运营数据的监管职能。

(3)数据D3和HashG值存储在本地或云数据库中，以支持能源组的内部管理功能。

1.2 基于区块链的能源数据监管与交易模型

能源数据作为一种重要的基础战略资源，具有数据量大、数据类型多、地理位置分散等特点[5]。在正常模式下，能源数据的监管和交易可以通过第三方平台的建设，并通过云交易平台实现数据交易。然而，在第三方平台的数据管理模式下，数据在传输过程中容易被泄露和篡改，并且第三方平台有备份和泄露能源数据的危险。因此，为了解决上述问题，在分析能源数据与区块链技术融合的基础上，基于两者的技术互补性与区块链技术，本文设计了基于区块链的能源链监管与交易模型。该模型基于区块链技术构建了业务链、监管链和交易链如图1所示。

图1 基于区块链的能源数据监管与交易模型Fig.1 Energy data supervision and transaction model based on blockchain

其中，业务链和监管链通过利用区块链防篡改技术构建了监管机制，实现了对各能源集团、各电厂能源生产经营数据的真实、高效监管。同时，能源行业监管部门对整个能源集团和各厂站的能源生产经营数据进行有效监管，确保了数据的真实性。交易链主要利用区块链分散和可追溯技术的特点，记录了各能源集团数据中心与电网公司之间的数据交易[6-10]。同时，基于区块链的智能合约机制构建了一个不需要第三方干预的点对点交易信任机制。

在该模型中，第三方能源数据共享交易平台是一个弱集中式平台。它不需要用户统一上传数据到平台，从而避免了网络传输、平台存储和交易过程中数据泄露的可能性，大大提高了数据的安全性。该平台能够满足能源数据交易链中每个用户身份的真实性和每个交易的可追溯性要求，并基于抽象目录树机制实现了数据交易用户的集中数据检索功能。摘要目录只存储数据摘要和用户基本信息，其数据量较小，查询速度快，使用户可以高效地查询。

1.3 摘要目录树构造方法

能源交易第三方平台为弱集中式数据平台，此平台能将每个能源集团的数据中心上传到第三方交易平台的哈希值(D1)，并将数据描述信息DI组成块，之后便将块按规定录入目录树中，使得树形结构基于目录树机制而实现，为数据交换用户提供集中式的数据检索功能，同时保证了点对点的数据事务共享。由于数据D1没有完全上传到第三方交易平台，因此可以避免数据D1在网络传输、平台存储和交易过程中泄漏事件的发生。第三方交易平台汇总目录树的具体生成过程如下：①数据采集与分析。各能源集团数据中心对各电厂周期性数据哈希值Hashj进行分析处理，得到所需数据D1及其哈希值hash(D1)。②生成摘要块。能源集团数据中心提取用于事务的有价值数据的哈希值哈希(D1)，并添加正文描述信息DI(主要包括数据的能源类型、数学类型、生成时间和地址信息等属性值)形成摘要块。③形成摘要树。摘要块中的DI描述数据的能量类型、生成时间和数据类型。这些属性值是摘要目录树结构的关键。树形结构设计将能源类型作为第一级节点，然后将各具体能源行业的数据类型作为第二级节点，如火电厂的发电数据，然后将区域、集团、下属单位分别作为第3、第4、第5级节点。平台获得摘要块后，可以根据摘要块中的描述信息和地址信息，按照树结构输入摘要目录树的相应节点。

2 基于多源协同的共识机制

在区块链中，节点之间的协商是以信息流的形式完成的。因此，在保证信息安全的同时，研究区块链中节点间的协商具有重要意义。能源互联网建设发展和电力体制改革的最终目标是在安全、经济地满足全社会需求的前提下，提高清洁能源的利用效率[11-14]。然而，由于风能、太阳能和水力等清洁能源的不稳定性、不可预测性和间歇性，电力系统中存在着电力波动和负荷不确定性。

在我国鼓励清洁能源大规模接入电网的前提下，研究的重点是探讨如何兼顾不同类型电厂的利益、电源侧的整体清洁度和用户侧的用电稳定性，给予更大的灵活性和开放性到能源市场下的分散调度部分。因此，迫切需要在各种能源之间建立独立、智能、部分分散的协同优化机制。区块链作为一种共享的分布式数据库技术，具有共识机制、分布式决策、协同自治、高安全性等特点，能够很好地支持清洁能源的大规模接入。各能源节点根据自身发电、成本控制与效益、电网功率平衡等约束条件，在调度部分分散化的基础上，构建自主、互信、安全的协同优化机制。区块链技术的使用保证了系统中协商机制的效率。

发电厂、电网公司和电源端的各种终端用户可以被视为区块链中的一种节点。对于终端用户在负荷端提出的需求，本文提出了采用电源端多个电厂结合电网公司输配电情况来协商确定输配电方案的方式，如图2所示。

图2 基于区块链的多源协同模型Fig.2 Multi-source collaborative model based on blockchain

多源协同需要考虑n个源节点(n>2)在一个时间段T内的能量交易量W、能量的清洁度R、社会重要度系数S和电能的销售价格M，此外，还应确定每个节点的表决权值V。并依据区块链的理论设定任何节点的投票权不能超过50%。依据上述要求给出的数学描述，可以计算出每个节点的表决权值V。数学描述如下：

(3)

在源端节点接收到需求数据后，每个源节点需要在一定时间T内就电源分配达成一致意见，并在协商后将方案广播到整个网络。源端的每个节点根据协商一致机制在时间段T中对W、R、S、M等进行统计。根据式(3)计算参与表决的节点权值V，对方案进行表决。当投票率超过50%时，程序通过；当投票率不超过50%时，重新规划并上传计划，直到最终计划确定。

3 结论

本文研究了基于区块链的能源链安全和多源协同机制。通过分析区块链的特点以及能源行业存在的问题和需求，对能源系统中的大量能源数据进行了处理和分类。构建了基于区块链的能源链监管与交易模型。设计了具有集中数据检索功能的能量数据汇总树，提出了一种适用于多源协调机制的一致性机制。同时，随着区块链概念的不断普及，区块链技术将长期快速发展。基于此，将进一步研究区块链在能源行业的应用，使所产生的能源数据更加安全，对现有能源的协调和利用越来越高效，不断拓展研究的应用范围。