基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源技術(shù)

強(qiáng)東盛張立軍劉克成韓鶴松

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著人類(lèi)科技水平的不斷進(jìn)步,人們對(duì)于電力的需求越來(lái)越大[1]。荷蘭環(huán)境評(píng)估組曾在全球二氧化碳評(píng)估報(bào)告中提出,中國(guó)在2006年排放的二氧化碳較去年同比增長(zhǎng)11.8%,首次成為世界第一大碳排放國(guó)。電網(wǎng)作為我國(guó)電力運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備,每年運(yùn)輸電力時(shí)引起的溫室氣體排放量巨大。如何有效降低電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的溫室氣體成為電力運(yùn)輸領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。這時(shí),對(duì)電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源成為解決該項(xiàng)問(wèn)題的重中之重。

章志明[2]等人提出安全有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)溯源數(shù)據(jù)方法。該方法首先分析了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)包恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸路徑;再根據(jù)恢復(fù)結(jié)果對(duì)網(wǎng)絡(luò)的惡意節(jié)點(diǎn)以及攻擊數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性分析,最后通過(guò)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的溯源。該方法由于未能在數(shù)據(jù)溯源前對(duì)數(shù)據(jù)影響因素進(jìn)行分析,導(dǎo)致該方法溯源時(shí)間長(zhǎng)。

劉申[3]提出基于分布式MySQL的PC構(gòu)件數(shù)據(jù)溯源方法設(shè)計(jì)。該方法首先以MySQL為基礎(chǔ),利用Zoo Keeper分布式搭建法搭建一個(gè)數(shù)據(jù)溯源平臺(tái);再基于搭建的平臺(tái)對(duì)MySQL分表、讀寫(xiě)分離、負(fù)載均衡等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)完善;最后將采集的數(shù)據(jù)放入該平臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)測(cè)試結(jié)果完成數(shù)據(jù)溯源。該方法在搭建平臺(tái)時(shí),存在一定偏差,所以該方法在數(shù)據(jù)溯源時(shí),電網(wǎng)系統(tǒng)的吞吐量小。

喬蕊[4]等人提出基于聯(lián)盟鏈的物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)溯源機(jī)制。該方法為解決網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的安全問(wèn)題,構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型;再將實(shí)體多維授權(quán)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的結(jié)合形成雙聯(lián)盟鏈結(jié)構(gòu);最后通過(guò)節(jié)點(diǎn)列表共識(shí)算法,獲取了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的溯源機(jī)制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源。該方法在構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型時(shí)存在一定偏差,所以該方法在溯源時(shí)的可靠性較差。

區(qū)塊鏈具有分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等功能,可解決上述數(shù)據(jù)溯源方法中存在的問(wèn)題。因此,本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源技術(shù)。

1 電網(wǎng)的排放因子

1.1 OM 排放因子

電量邊際排放因子簡(jiǎn)稱(chēng)“OM”。依據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定,可將基準(zhǔn)線排放因子EFy分為容量邊際EFBMy以及電量邊際FOMy兩類(lèi)排放因子?；谖覈?guó)的電網(wǎng)來(lái)說(shuō),規(guī)模較小的可再生發(fā)電項(xiàng)目,在獲取電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)時(shí),往往較為復(fù)雜。因此需要多種方法對(duì)電量的邊際排放因子進(jìn)行獲取。通常情況下,要利用簡(jiǎn)單的OM 法對(duì)電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)單電量邊際排放因子進(jìn)行獲取,過(guò)程如式(1)所示

式中:電網(wǎng)在第y年的電量邊際排放因子標(biāo)記成EFgrid,OMsimple,y;第i種燃料的消耗總量標(biāo)記成FCi,y;第y年第i種燃料的凈熱值標(biāo)記成NCVi,y;排放因子標(biāo)記成EFCO2,i,y;電網(wǎng)的年提供電量標(biāo)記為EGy;燃料種類(lèi)為i,數(shù)據(jù)歷史年限為y。

1.2 計(jì)算方法

在計(jì)算電網(wǎng)溫室氣體排放量時(shí)[5],若直接使用簡(jiǎn)單OM 方法,對(duì)致使計(jì)算出的溫室排放氣體出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致的氣候變化出現(xiàn)影響,所以需要提出具有真實(shí)準(zhǔn)確性的電力排放因子計(jì)算方法。

首先設(shè)定電網(wǎng)產(chǎn)生的碳排放[6]為電網(wǎng)的全部碳排放,并將式(1)改為式(2)所示

式中:電網(wǎng)在第y年的排放因子為EFgrid,y;第i種燃料的消耗量為FCi,y;凈熱值為NCVi,y,第y年的GHG 排放因子標(biāo)記成EFGHG,i,y;其中GHG 排放因子包括CO2、SF6。過(guò)程中EFCH4與EFN2O要與之對(duì)應(yīng)的全球增溫潛勢(shì)值相乘,依據(jù)結(jié)果將其轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量,電力系統(tǒng)向電網(wǎng)輸入的電量標(biāo)記成EGy。

通常情況下,電網(wǎng)在電量輸入時(shí),與上述過(guò)程相同,在電網(wǎng)排放的溫室氣體中加入其他電網(wǎng)的輸入電量以及相對(duì)應(yīng)的輸出電量的排放因子相乘,從而獲取電網(wǎng)溫室氣體總排放量,再將獲取的總排放量除以輸入輸出的電量和,取得的結(jié)果就是電網(wǎng)的排放因子。

2 數(shù)據(jù)溯源技術(shù)

2.1 構(gòu)建模型

基于區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制,構(gòu)建電網(wǎng)系統(tǒng)的不變網(wǎng)絡(luò)模型。

2.1.1 區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制[7]也可稱(chēng)作區(qū)塊鏈的一致性問(wèn)題,在進(jìn)行電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源前,需要通過(guò)POW 共識(shí)機(jī)制構(gòu)建電網(wǎng)系統(tǒng)的不變網(wǎng)絡(luò)模型。

POW 共識(shí)機(jī)制是一種具有不對(duì)稱(chēng)性的經(jīng)濟(jì)對(duì)策。通常情況下,需要經(jīng)過(guò)一定的復(fù)雜運(yùn)算,快速的對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該共識(shí)機(jī)制需要記錄電網(wǎng)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡,并幫助新區(qū)塊鏈的快速生成,從而提高數(shù)據(jù)的溯源效率。

該機(jī)制算法簡(jiǎn)單,系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間不需復(fù)雜轉(zhuǎn)換就可直接達(dá)成共識(shí)。

2.1.2 不變網(wǎng)絡(luò)模型

電網(wǎng)系統(tǒng)需要通過(guò)不變網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線圖模型,結(jié)合區(qū)塊鏈POW 共識(shí)機(jī)制對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的時(shí)間序列進(jìn)行擬合,構(gòu)建電網(wǎng)系統(tǒng)的不變網(wǎng)絡(luò)模型。過(guò)程中,電網(wǎng)系統(tǒng)中的時(shí)間序列對(duì)被映射成模型中的節(jié)點(diǎn),通過(guò)一定的整合過(guò)程,組成電網(wǎng)系統(tǒng)的功能單元。

首先設(shè)定電網(wǎng)系統(tǒng)中存在A、B2個(gè)電流強(qiáng)度,二者之間的關(guān)系如式(3)所示

式中:A、B2個(gè)電流強(qiáng)度在t時(shí)刻的產(chǎn)生數(shù)值標(biāo)記成xt( ) 和yt( ) ;時(shí)間序列在t時(shí)刻的時(shí)刻數(shù)值標(biāo)記成m和n;模型系數(shù)為ai和bi;A、B之間的電流延時(shí)標(biāo)記成k;二者在逼近狀態(tài)T下的強(qiáng)度值為φt( ) ;電流系數(shù)為θ。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,采用最小二乘法[8]獲取模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的擬合誤差,結(jié)果如式(4)所示

式中:時(shí)間序列的平均值標(biāo)記成;電網(wǎng)系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)值標(biāo)記成( ) ;模型擬合程度用F_netθ( ) 形式表示;時(shí)間序列的數(shù)量為N。

將F_netθ( ) ≥70設(shè)定為時(shí)間序列之間存在的不變鏈接,并依據(jù)模型的大小對(duì)成m、n、k的取值范圍進(jìn)行劃定,根據(jù)劃定的取值范圍完成時(shí)間序列不變鏈接的檢測(cè),結(jié)果如式(5)所示

式中:時(shí)間序列不變鏈接檢測(cè)值為R t( ) ;不變網(wǎng)絡(luò)模型的擬合誤差標(biāo)記成εmax。

2.2 注入溫室氣體排放因子

利用半監(jiān)督的傳播算法,將上述獲取的電網(wǎng)系統(tǒng)排放因子注入進(jìn)不變網(wǎng)絡(luò)模型中。設(shè)定不變網(wǎng)絡(luò)模型中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為M,排放因子為Fi,模型的擴(kuò)散過(guò)程如下。

(1)依據(jù)模型中時(shí)間序列節(jié)點(diǎn)之間的不變連接,生成鄰接矩陣W,生成矩陣過(guò)程中,有下列幾種情況。

當(dāng)時(shí)間序列xi和xj之間存在不變鏈接,則二者之間矩陣Wij=1;當(dāng)xi和xj之間無(wú)法生成不變鏈接時(shí),Wij為0。設(shè)定Wii=0,以此避免模型進(jìn)行自身傳播。

(2)基于上述分析結(jié)果,構(gòu)建鄰接矩陣W的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,結(jié)果如式(6)所示

式中:對(duì)角矩陣標(biāo)記為D,對(duì)稱(chēng)矩陣為W,標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為。

(3)進(jìn)行排放因子注入建模。首先需要將電網(wǎng)年均排放因子的數(shù)值與總排放因子的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,獲取模型的約束條件,過(guò)程如式(7)所示

式中:約束因子標(biāo)記成α;排放因子在0時(shí)刻的排放的溫室氣體量為F0( ) ;Wii為矩陣中第i行第i的排放量。

(4)設(shè)定能夠容納的排放因子極限為F*,根據(jù)式(8)獲取擴(kuò)散后的排放因子擴(kuò)散程度

式中:電網(wǎng)中第t時(shí)刻的排放因子標(biāo)記為F t( ) ;擴(kuò)散系數(shù)標(biāo)記成I形式。

2.3 局部擬合

基于上述的排放因子擴(kuò)散結(jié)果,將排放因子進(jìn)行排序處理,排名越高說(shuō)明該排放因子排放的溫室氣體量越高。

將排列順序與該電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間序列進(jìn)行擬合,從而完成對(duì)電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)的溯源。二者之間的擬合程度如式(9)所示

式中:電網(wǎng)系統(tǒng)中排放溫室氣體最高的n個(gè)節(jié)點(diǎn)以及m個(gè)組件的組合標(biāo)記成VD;溫室氣體的實(shí)際排放量為N,擴(kuò)散后的排放量為N′;xi節(jié)點(diǎn)注入排放因子后標(biāo)記為of_xi形式;歐氏距離標(biāo)記為D(N) ;余弦距離標(biāo)記為cos(N) 。

設(shè)定fitscorexi為電網(wǎng)排放因子與時(shí)間序列的擬合分?jǐn)?shù),并通過(guò)式(10)完成擬合分?jǐn)?shù)的計(jì)算

式中:歸一化函數(shù)[9]標(biāo)記為Norm;各個(gè)排放因子的排放量標(biāo)記成N;擴(kuò)散后的排放量;獲取的擬合分?jǐn)?shù)越低,說(shuō)明擬合效果越好;xi為根源性的時(shí)間序列的可能性就越大。最后,通過(guò)計(jì)算出的擬合分?jǐn)?shù),完成對(duì)電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)的溯源。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證上述溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源方法的整體有效性,需要對(duì)此方法進(jìn)行測(cè)試。

3.1 試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源技術(shù)的有效性,對(duì)其進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)分析。測(cè)試的環(huán)境是:i5-23203.00 GHz的i5-23203.00 GHz處理器、4 GB 內(nèi)存、Windows7旗艦版本64位操作系統(tǒng)、postgreSQL9.1.3、Java語(yǔ)言編寫(xiě)程序。分別采用基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源技術(shù)(方法1)、安全有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)溯源數(shù)據(jù)方法(方法2)、基于分布式MySQL 的PC構(gòu)件數(shù)據(jù)溯源方法設(shè)計(jì)(方法3)進(jìn)行測(cè)試。

3.2 結(jié)果及分析

(1)系統(tǒng)的所在環(huán)境,對(duì)數(shù)據(jù)溯源時(shí)間會(huì)產(chǎn)生一定的影響。設(shè)定高溫環(huán)境為環(huán)境1,低溫環(huán)境為環(huán)境2,采用方法1、方法2以及方法3對(duì)數(shù)據(jù)的溯源時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的數(shù)據(jù)溯源時(shí)間檢測(cè)結(jié)果

分析圖1可知,數(shù)據(jù)數(shù)量的不同,系統(tǒng)數(shù)據(jù)的溯源時(shí)間也不相同。整體來(lái)看,低溫環(huán)境中所檢測(cè)出的溯源時(shí)間要高于高溫環(huán)境,方法3是3種方法中,溯源時(shí)間最長(zhǎng)的溯源方法。方法2雖然檢測(cè)出的溯源時(shí)間低于方法3,但是不論在高溫環(huán)境中,還是在低溫環(huán)境中,所檢測(cè)出的溯源時(shí)間皆高于方法1。方法1所檢測(cè)出的溯源時(shí)間低于方法2以及方法3。因此,方法1在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)溯源時(shí)的溯源時(shí)間短。

(2)系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源時(shí),會(huì)對(duì)系統(tǒng)的吞吐量產(chǎn)生影響。采用方法1、方法2以及方法3對(duì)系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法在數(shù)據(jù)溯源時(shí)的電網(wǎng)吞吐量檢測(cè)結(jié)果

分析圖2可知,隨著溯源時(shí)間的不斷增長(zhǎng),系統(tǒng)的吞吐量出現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。綜合來(lái)看,在低溫環(huán)境中,溯源時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的吞吐量影響較大,高溫環(huán)境中,溯源時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的吞吐量影響低于低溫環(huán)境。方法1在數(shù)據(jù)溯源時(shí),對(duì)系統(tǒng)吞吐量產(chǎn)生的影響小于其他2種方法。由此可知,方法1 在進(jìn)行電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源過(guò)程中,對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)吞吐量產(chǎn)生的影響小。

(3)基于上述試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)方法1、方法2和方法3對(duì)數(shù)據(jù)溯源過(guò)程中的可靠性進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溯源方法的可靠性檢測(cè)結(jié)果

分析圖3可知,隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的不斷增加,3種溯源方法的可靠性均有所下降。實(shí)驗(yàn)初期,3種方法檢測(cè)出的可靠性差距不明顯,但是隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加,3種溯源方法的可靠性出現(xiàn)差距,方法3的可靠性較差,方法2檢測(cè)出的可靠性高于方法3,方法1的可靠性較其他2種方法來(lái)看,高于其他2種方法。這主要是因?yàn)榉椒?在進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源前,分析了數(shù)據(jù)的影響因素,所以該方法在數(shù)據(jù)溯源時(shí)的可靠性高。

4 結(jié)論

由于電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源方法中存在溯源時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,提出一種基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)溯源技術(shù)。利用簡(jiǎn)單的OM 法對(duì)電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)單電量邊際排放因子進(jìn)行獲取,通過(guò)節(jié)點(diǎn)列表共識(shí)算法,獲取了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的溯源機(jī)制,通過(guò)不變網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線圖模型,結(jié)合區(qū)域塊共識(shí)機(jī)制對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的時(shí)間序列進(jìn)行擬合,構(gòu)建電網(wǎng)系統(tǒng)的不變網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)溫室氣體排放數(shù)據(jù)的溯源,該方法由于在排放因子注入過(guò)程中還存在一定問(wèn)題,今后會(huì)針對(duì)該項(xiàng)缺陷繼續(xù)對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化。