區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

程冬玲 申晨

摘 要：目前，能源互聯(lián)網(wǎng)隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念的提出更加實(shí)質(zhì)化和具體化，同時(shí)也帶來(lái)了諸如去中心化、安全性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及異構(gòu)設(shè)備融合等問(wèn)題，傳統(tǒng)解決辦法難以從根本上解決上述問(wèn)題。因此，嘗試將區(qū)塊鏈技術(shù)與邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的短板，進(jìn)而滿(mǎn)足能源互聯(lián)網(wǎng)及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)和要求，為未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)建言獻(xiàn)策。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);泛在電力物聯(lián)網(wǎng);區(qū)塊鏈;邊緣計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：F27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.28.023

0 引言

根據(jù)2016年的《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，我國(guó)正試圖建立“互聯(lián)網(wǎng)+”能源新形態(tài)，從而達(dá)到使用智能設(shè)備、信息能夠?qū)ΨQ(chēng)、能源供應(yīng)和需求分散、交易開(kāi)放的目標(biāo)。近期召開(kāi)的2018全國(guó)能源工作會(huì)議要求，要把當(dāng)今時(shí)代能源工作的重點(diǎn)放在構(gòu)建能源體系上，而一個(gè)公平有序的市場(chǎng)運(yùn)行體系的建設(shè)則是構(gòu)建能源體系的重要內(nèi)容之一。2018年兩會(huì)上國(guó)家電網(wǎng)表態(tài)要構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，這對(duì)優(yōu)化能源資源配置，提高能源利用效率，推動(dòng)能源供應(yīng)與工業(yè)生產(chǎn)需求互聯(lián)互通具有重要意義。2019年3月，國(guó)家電網(wǎng)明確提出了建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，將能源互聯(lián)網(wǎng)的概念提升到一個(gè)新的深度和廣度。建設(shè)符合時(shí)代要求又引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的能源互聯(lián)網(wǎng)及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，既要考慮原有系統(tǒng)架構(gòu)，解決原有系統(tǒng)存在的固有問(wèn)題，又要進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，能解決當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)間的基礎(chǔ)架構(gòu)問(wèn)題，盡量避免重復(fù)建設(shè)、錯(cuò)誤建設(shè)。因此，有必要對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的新技術(shù)進(jìn)行研究和驗(yàn)證，為頂層設(shè)計(jì)提供借鑒。

目前，區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算符合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)及要求。區(qū)塊鏈去中心化、透明性、公平性以及公開(kāi)性與能源互聯(lián)網(wǎng)理念是一致的，通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)建立公平有序開(kāi)放的能源市場(chǎng)運(yùn)行體系，可將能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者相連接，使得分布式實(shí)時(shí)能源交易市場(chǎng)成為可能，增強(qiáng)了安全性，促進(jìn)交易的透明度和效率，對(duì)推進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。邊緣計(jì)算是一種新型的在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行分布式計(jì)算的模型，邊緣節(jié)點(diǎn)可以提供數(shù)據(jù)處理的第一步，從而限制傳輸?shù)街醒敕?wù)器的數(shù)據(jù)量，且邊緣設(shè)備可以解決數(shù)據(jù)與設(shè)備的異構(gòu)性問(wèn)題，對(duì)解決泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻塞問(wèn)題提供了合理解決方案。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，其主要具有以下特征：一是去中心化，區(qū)塊鏈技術(shù)最突出的特征就是去中心化，每個(gè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立存在的，都享有相等的權(quán)利和義務(wù)，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算的方式搭建之間的信任度無(wú)需第三方的介入， 擁有自己的數(shù)據(jù)維護(hù)、驗(yàn)證方式和信息的傳遞方法，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全系數(shù)。二是透明化，區(qū)塊鏈中的賬本流程是公開(kāi)的，節(jié)點(diǎn)的備份和更新都需要多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的共同認(rèn)可，信息在所有區(qū)塊中是被同步進(jìn)行的，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是不存在欺騙的情況的。三是不可篡改性，區(qū)塊鏈中的交易一旦經(jīng)過(guò)各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證后，就會(huì)永久的存儲(chǔ)下來(lái)，除非經(jīng)過(guò)51%以上的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的更改，這樣在大宗交易中若存在非法篡改，就可通過(guò)對(duì)根節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的分析來(lái)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(qū)塊鏈會(huì)自行通過(guò)該合約來(lái)判斷其可執(zhí)行性，在符合條件的情況下自動(dòng)履行條款中程序，無(wú)需第三方的介入，執(zhí)行的效率得到明顯的提升。

1.2 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算是一種分布式結(jié)構(gòu)，可用于物聯(lián)網(wǎng)，是在云計(jì)算基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的一種新的互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以看作分散式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，在設(shè)備終端即可提供計(jì)算，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。也就是說(shuō)邊緣計(jì)算通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上增加執(zhí)行任務(wù)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析的能力，將原有中心服務(wù)器的部分或全部計(jì)算遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，降低中心服務(wù)器的計(jì)算負(fù)載，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，提高了計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

2 存在問(wèn)題分析

（1）傳統(tǒng)的能源互聯(lián)網(wǎng)采用中心化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)備份也是同步進(jìn)行的，這就使得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

（2）能源互聯(lián)網(wǎng)最重要的特征之一是分布式能源的大量使用以及“互聯(lián)網(wǎng)+ 智能能源”的聯(lián)合應(yīng)用，由此會(huì)產(chǎn)生海量的、高密度的數(shù)據(jù)交換，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，讓小型分布式能源交易接入或城市微網(wǎng)電能輸出都具備可信性、安全性，而傳統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)成本低、可信度高、大規(guī)模異構(gòu)用戶(hù)交互。

（3）泛在電力物聯(lián)網(wǎng)需要將大量數(shù)據(jù)采集終端接入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器計(jì)算中心進(jìn)行處理，在此過(guò)程匯中，因數(shù)據(jù)量巨大，需要占用較高的網(wǎng)絡(luò)資源，當(dāng)數(shù)據(jù)大量增加時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)阻塞，進(jìn)而影響計(jì)算性能和響應(yīng)時(shí)間。

（4）泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，為了兼容不同廠家、不同時(shí)期的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)處理大量異構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接入問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，物理層和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各有不同標(biāo)準(zhǔn)且相互不兼容，應(yīng)用層也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這就使得對(duì)于同一種設(shè)備由于軟件協(xié)議的不同要實(shí)現(xiàn)交互也很困難。因此，還需要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端，建立微型分布式模型，為分布式網(wǎng)絡(luò)中心統(tǒng)一上傳數(shù)據(jù)。

3 區(qū)塊鏈與邊緣計(jì)算的融合設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有能源互聯(lián)網(wǎng)及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中存在的問(wèn)題，本文嘗試設(shè)計(jì)將邊緣計(jì)算與區(qū)塊鏈相結(jié)合的方式，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

根據(jù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，在能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端或應(yīng)用終端，引入分布式邊緣計(jì)算，首先，將眾多異構(gòu)數(shù)據(jù)源點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一處理，屏蔽硬件差異，減少計(jì)算中心協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作量;其次，利用邊緣設(shè)備管理大量終端傳感器，保證響應(yīng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單容錯(cuò)處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;最后，將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和處理，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳中心網(wǎng)絡(luò)，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，使數(shù)據(jù)中心保持較高的計(jì)算性能。

經(jīng)邊緣計(jì)算傳輸至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)、用戶(hù)發(fā)電及用電數(shù)據(jù)等，從不同邊緣設(shè)備上傳至核心區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，由于邊緣設(shè)備的有限計(jì)算能力，從而共識(shí)算法選用DPoS（授權(quán)股權(quán)證明機(jī)制），生產(chǎn)能源互聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)去中心化的目的，通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)智能合約和區(qū)塊鏈固有加密算法，保證交易數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)的安全性。

4 總結(jié)

本文提出了一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)融合能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型，利用區(qū)塊鏈系統(tǒng)去中心化、不可篡改性來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，使得數(shù)據(jù)的可靠性、安全性和數(shù)據(jù)溯源得到了充分的保障，邊緣計(jì)算的使用則解決了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載嚴(yán)重，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備異構(gòu)性嚴(yán)重等問(wèn)題。為區(qū)塊鏈技術(shù)及邊緣計(jì)算技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用落地，提供了一些參考思路。

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