区块链和边缘计算在能源互联网中的应用研究

摘 要：目前，能源互联网随着泛在电力物联网概念的提出更加实质化和具体化，同时也带来了诸如去中心化、安全性、网络负载及异构设备融合等问题，传统解决办法难以从根本上解决上述问题。因此，尝试将区块链技术与边缘计算技术进行有机融合，充分发挥相关技术的优势，弥补各自的短板，进而满足能源互联网及泛在电力物联网当前发展趋势和要求，为未来能源互联网建设建言献策。

关键词：能源互联网;泛在电力物联网;区块链;边缘计算

中图分类号：F27 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.28.023

0 引言

根据2016年的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，我国正试图建立“互联网+”能源新形态，从而达到使用智能设备、信息能够对称、能源供应和需求分散、交易开放的目标。近期召开的2018全国能源工作会议要求，要把当今时代能源工作的重点放在构建能源体系上，而一个公平有序的市场运行体系的建设则是构建能源体系的重要内容之一。2018年两会上国家电网表态要构建能源互联网，这对优化能源资源配置，提高能源利用效率，推动能源供应与工业生产需求互联互通具有重要意义。2019年3月，国家电网明确提出了建设泛在电力物联网，将能源互联网的概念提升到一个新的深度和广度。建设符合时代要求又引领未来发展趋势的能源互联网及泛在电力物联网，既要考虑原有系统架构，解决原有系统存在的固有问题，又要进行顶层设计，能解决当前及未来一段时间的基础架构问题，尽量避免重复建设、错误建设。因此，有必要对当前出现的新技术进行研究和验证，为顶层设计提供借鉴。

目前，区块链和边缘计算符合能源互联网的发展趋势及要求。区块链去中心化、透明性、公平性以及公开性与能源互联网理念是一致的，通过分布式网络建立公平有序开放的能源市场运行体系，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成为可能，增强了安全性，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的推动作用。边缘计算是一种新型的在网络边缘执行分布式计算的模型，边缘节点可以提供数据处理的第一步，从而限制传输到中央服务器的数据量，且边缘设备可以解决数据与设备的异构性问题，对解决泛在电力物联网的网络阻塞问题提供了合理解决方案。

1 相关技术

1.1 区块链技术

区块链技术作为一种去中心化的数据库技术，其主要具有以下特征：一是去中心化，区块链技术最突出的特征就是去中心化，每个区块节点都是独立存在的，都享有相等的权利和义务，通过数学运算的方式搭建之间的信任度无需第三方的介入， 拥有自己的数据维护、验证方式和信息的传递方法，从而提高了整个系统的安全系数。二是透明化，区块链中的账本流程是公开的，节点的备份和更新都需要多个数据节点的共同认可，信息在所有区块中是被同步进行的，因此每个节点之间是不存在欺骗的情况的。三是不可篡改性，区块链中的交易一旦经过各个数据节点的认证后，就会永久的存储下来，除非经过51%以上的数据节点的更改，这样在大宗交易中若存在非法篡改，就可通过对根节点的数据的分析来判断此交易是否具有合法性了。四是智能化，智能化条约是将双方约定的条件和流程都记录其中，区块链会自行通过该合约来判断其可执行性，在符合条件的情况下自动履行条款中程序，无需第三方的介入，执行的效率得到明显的提升。

1.2 边缘计算技术

边缘计算是一种分布式结构，可用于物联网，是在云计算基础之上产生的一种新的互联网演进。边缘计算节点可以看作分散式网络的节点，在设备终端即可提供计算，存储和网络服务。也就是说边缘计算通过在网络边缘设备上增加执行任务计算和数据分析的能力，将原有中心服务器的部分或全部计算迁移到网络边缘设备上，降低中心服务器的计算负载，减缓网络带宽的压力，提高了计算的实时性。

2 存在问题分析

（1）传统的能源互联网采用中心化的数据存储方式，数据备份也是同步进行的，这就使得数据存在被恶意攻击、被恶意篡改等威胁，这就亟需使用安全可靠的非中心化的数据库来实现智能电网的安全运行。

（2）能源互联网最重要的特征之一是分布式能源的大量使用以及“互联网+ 智能能源”的联合应用，由此会产生海量的、高密度的数据交换，在保证系统稳定性和安全性，让小型分布式能源交易接入或城市微网电能输出都具备可信性、安全性，而传统能源互联网结构很难实现成本低、可信度高、大规模异构用户交互。

（3）泛在电力物联网需要将大量数据采集终端接入网络，数据通过网络传输至服务器计算中心进行处理，在此过程汇中，因数据量巨大，需要占用较高的网络资源，当数据大量增加时，会造成严重的网络阻塞，进而影响计算性能和响应时间。

（4）泛在电力物联网建设过程中，为了兼容不同厂家、不同时期的数据节点，应处理大量异构节点数据接入问题。物联网行业现有标准不统一，物理层和工业网络各有不同标准且相互不兼容，应用层也没有统一标准，这就使得对于同一种设备由于软件协议的不同要实现交互也很困难。因此，还需要针对物联网设备终端，建立微型分布式模型，为分布式网络中心統一上传数据。

3 区块链与边缘计算的融合设计

基于现有能源互联网及泛在电力物联网中存在的问题，本文尝试设计将边缘计算与区块链相结合的方式，构建能源互联网整体架构设计，如图1所示。

根据泛在电力物联网的特点，在能源互联网数据采集终端或应用终端，引入分布式边缘计算，首先，将众多异构数据源点进行统一处理，屏蔽硬件差异，减少计算中心协议转换的工作量;其次，利用边缘设备管理大量终端传感器，保证响应实时性的同时可实现简单容错处理，保证系统稳定运行;最后，将大量数据进行过滤和处理，保证关键数据上传中心网络，减轻网络负载，使数据中心保持较高的计算性能。

经边缘计算传输至系统的数据包括物联网采集数据、系统交易数据、用户发电及用电数据等，从不同边缘设备上传至核心区块链网络，由于边缘设备的有限计算能力，从而共识算法选用DPoS（授权股权证明机制），生产能源互联网区块，实现去中心化的目的，通过能源互联网智能合约和区块链固有加密算法，保证交易数据、采集数据的安全性。

4 总结

本文提出了一个基于区块链技术和边缘计算技术融合能源互联网架构模型，利用区块链系统去中心化、不可篡改性来实现数据的存储，使得数据的可靠性、安全性和数据溯源得到了充分的保障，边缘计算的使用则解决了网络负载严重，物联网设备异构性严重等问题。为区块链技术及边缘计算技术在能源互联网和泛在电力物联网的应用落地，提供了一些参考思路。

参考文献

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[2]高洁，闫献国，梁波，等.基于区块链的边缘计算IIOT架构研究[J].计算机应用研究，2019，（07）.

[3]亓越.区块链技术在物联网中的应用分析[J].数字技术与应用，2018，36（07）：94-95.

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