联盟区块链在能源互联网中的应用研究

引言

区块链技术的去中心化、透明性、公平性及公开性与能源互联网理念相吻合,可从技术层面建立公平、有序、开放的能源市场运行体系,为去中心化能源市场的交易能力赋能,可将能源生产者和消费者相连接,使得分布式实时能源交易市场的实现成为可能,并能增强其安全性,促进交易的透明度和效率,对推进能源互联网的发展具有积极作用。目前,在能源互联网中尚不具备大规模部署区块链技术的条件,因此,可尝试采用有限联盟链的方式在小范围内进行探索研究。

1联盟区块链技术

区块链系统根据应用场景和设计体系的不同,一般分为公有链、联盟链和专有链(私链)。公有链是指任何人都可读取、任何人都能发送交易且交易能获得有效确认、任何人都有机会参与其中共识过程的区块链,公有链的节点个数通常没有上限,处理交易的速度在3~20次/s。专有链各个节点的写入权限收归内部控制,而读取权限可视需求有选择性地对外开放,节点数目通常较少,处理交易的速度在1000次/s以上。联盟链的各个节点通常有与之对应的实体机构组织,通过授权后才能加入和退出网络。各机构组织组成利益相关联盟,共同维护区块链的健康运转。联盟链的节点个数通常在几个到数百个不等,处理交易的速度在1000次/s以上。

通过节点数量和交易速度的比较可知,目前在能源互联网领域核心业务层,部署联盟链是比较合适的方式。

2应用背景

传统的能源互联网采用中心化的数据存储方式,采用同步或异步的方式进行容灾备份(图1),这种方式面临集中式恶意攻击、中心节点单点失效、数据中心的存储数据被恶意篡改等信息安全问题。针对这些安全挑战,迫切需要设计安全可靠的去中心化的数据存储系统来保证智能电网的正常运行。

采用联盟区块链技术既保留区块链去中心化的特点,也兼顾了企业内部安全性、保密性、交易速度的要求,但在企业内部部署大规模区块链存在的问题包括:从顶层设计到具体实施涉及范围广、规模大、周期长,建成后对运行问题的反馈业自行购置大量区块链节点服务器部署区块链网络,前期投入和后期运维需要大量资金,为企业带来一定的经济负担:相关数据表明,大量增加服务器节点并不能有效提高交易性能,因现有网络带宽会限制其吞吐量。

基于上述问题,设计有限区块节点的联盟区块链,在现有数据中心服务器、容灾备份服务器基础上,购置1~2台服务器部署联盟区块链基础网络节点,实现去中心化的要求,保障数据安全,同时具备快速部署、节省费用、快速响应、快速系统迭代的优点。

3应用设计

传统能源互联网中,因交易产生的各种数据通过网络直接存储于数据中心,数据中心有大型服务器支持,这些服务器性能高、速度快,但往往也不能充分利用其全部资源,造成部分资源浪费:同时,为了备份数据中心服务器,有1~2个备份服务器仅完成数据备份功能:另外,交易数据源与数据中心、数据中心与备份服务器之间已经建立了较为完善的网络。

因此,有限联盟区块链可直接在原有数据源与数据中心的网络基础之上进行设计建设,与新购置的少量有限服务器共同构成联盟区块链基础网络(图2),以节约部分成本。

交易记录通过已建立的能源互联网智能合约进行处理,考虑到减少对服务器计算能力的占用,故排除比特币使用的POW(工作量证明机制)共识机制,选择区块链技术中常用的DPOS(授权股权证明机制)作为共识算法。根据这种算法,联盟链网络内持有区块链Token)通证)的人可以通过投票系统来选择区块生产者,进而生成数量可控的有限区块,从而构建有限联盟区块链,形成互为备份、去中心化、安全性高的分布式交易记录存储机制,有效利用区块链的优点,较快地实现应用部署。

4结语

随着能源互联网的快速发展,中心化的数据存储方式已经难以应对日益增多的交易数据,数据存储方式开始由集中式转向分布式。虽然区块链技术响应了去中心化的分布式存储,但现在部署较困难,联盟区块链以较小的成本开销实现了数据的分布式安全存储,可快速实现部署及实验,对能源互联网的发展将产生一定的影响。