CN109978347B - 基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法 - Google Patents

基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，具体包括：确定社区内各电气设备之间的连接关系以及各电气设备的参数；构建涵盖社区内各电气设备的区块链P2P网络，建立区块链驱动的社区分布式发电自动交易和自治调度的共识机制与去中心化信任；各电气设备或量测装置分别内置区块链模块，作为区块链P2P网络中的独立节点，实时与计量模块通信，获取量测数据，参与各项共识算法，制定调度运行方案；调度运行方案存储到区块链中后，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。本发明能够促进分布式发电的就近消纳，从而实现社区能源的就近自治，减少了能源的浪费，减轻了对中心化化机构的依赖，保证了***的安全稳定运行。

Description

基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法
技术领域
本发明涉及分布式发电技术领域，特别是一种基于分布式发电的社区能源自治方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题日益突出，分布式发电取得较大进展。分布式发电是就近利用清洁能源资源、就近进行能源的生产和消费，具有能源利用率高、污染排放低等优点，代表了能源发展的新方向和新形态。此种形式下的分布式发电位于电力消费场所或与电力消费场所相邻，所发电力无需远距离及升降压传输，与集中式发电供电方式相比，具有减少电力损耗、节省输电费用以及减少对土地和空间资源占用的优点，特别是可就近利用清洁能源资源，实现分布式发电的就近消纳。
随着社区内分布式发电装置、尤其是家庭光伏电站的快速发展，对社区电力***的安全稳定运行提出了更高的要求。一方面要尽量多吸纳新能源发电，避免“弃风弃光”现象发生，促进清洁能源的消纳吸收；另一方面要保证电网安全稳定运行，避免高比例新能源发电造成的电网安全及电能质量事故。然而，目前提供的直接点对点交易方案，虽然增强了消费者的购买自主性，能反应电能的实际价格，有助于电力消费者理智用电，并降低网络流量的复杂性；但要实现社区能源的自治，避免低效管理导致的巨大能源浪费，一个虚拟的去中心化电力交易平台是不够的，并且其并不能保证能源的就近消纳及社区内电力***的安全稳定运行。
区块链技术被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新，被《经济学人》喻为“信任的机器”。区块链作为比特币的底层技术，是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账，能够安全存储简单的、有先后关系的、能在***内验证的数据。
区块链的去中心化特性与涵盖分布式发电的社区能源***的去中心化构造不谋而合，区块链中不存在一个中心化的主导节点，每个节点地位平等并通过共识机制自动自发地共同维护，对应了分布式社区能源***中用户共同协作实现自治运行维护的***需求。
在国外，LO3ENERGY公司开发的EXERGY***，通过区块链技术及相应的创新解决方案，利用EXERGY数据平台，构造基于现有电网基础设施进行能源交易的本地化能源市场，提高了能源的本地利用率。并通过在布鲁克林微电网(BrooklynMicrogrid)进行实验，用公共能源网络的概念重构了传统的能源网格模型。公用事业单位(电网公司)仍然维护电网运行并负责传输电力，但社区成员完成能源的本地生成、存储和交易，以获得更有弹性和可持续性的清洁能源模型。
美国ELONCITY初创公司试图通过采用分布式新能源社区供电+储能设备的方案，兴建社区基础电力设施，逐步完成微型社区智能电网的组并网连接，从而建立去中心化的社区电力交易市场。其有助于解决行业痛点，实现电力供需平衡，加速可再生能源发展。ELONCITY认为未来的电力基础设施将由分散的数百万个自给自足的微电网或社区组成。结合储能***社区内生产的清洁能源可实现7*24供应，并与现有公用事业直接竞争。能源价格将对所有人透明，人们使用ELONCITY的开放技术使电力几乎免费，从而实现用清洁能源为全世界供电。
然而，上述技术仍然存在一定的不足：1)量测数据在采集、传递、交换的整个过程中，不可能保证所有的数据都是准确无误的，有可能出现因设备原因或者网络原因造成数据的损坏或者偏差；另一方面黑客或其他机构可能恶意攻击某些节点，并控制节点发送错误数据，导致***无法稳定运行；2)中心化的发、配、售电模式，粗粒度的供需管理及较高的输配电价，无法实时精准匹配的发电供需，存在巨大资源浪费和电能浪费。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于区块链技术的社区能源自治方法，以促进分布式发电的就近消纳，在保证***稳定运行的基础上，减少能源的浪费。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，具体包括以下步骤：
A.根据社区电力***网架结构，确定各电气设备之间的连接关系以及各电气设备的参数；
B.构建涵盖社区内各电气设备的区块链P2P网络，建立区块链驱动的社区分布式发电自动交易和自治调度的共识机制与去中心化信任；
C.各电气设备或量测装置分别内置区块链模块，作为区块链P2P网络中的独立节点，实时与计量模块通信，获取量测数据，参与各项共识算法，制定调度运行方案；
D.调度运行方案存储到区块链中后，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。
上述基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，步骤B中所述区块链P2P网络中的独立节点根据功能划分为计算节点和轻节点，所述轻节点负责采集数据，并将数据传送给计算节点，经验证后保存到区块链中，所述计算节点具有数据存储和计算功能，负责完成各项复杂计算和验证工作，并将经过共识确认的调度运行方案下发到各节点，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。
上述基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，步骤B中所述共识机制为利用DPOS-PBFT的分布式共识调度机制，首先利用DPOS在社区网络中选取部分节点为计算节点，负责某一时间间隔内***调度方案的计算，计算节点彼此之间权利完全相等，计算节点按一定顺序循环执行，每个计算节点负责一个时间间隔内调度运行方案的计算和制定。
上述基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，所述步骤C包括独立节点的数据上链和计算节点的调度运行方案确定。
上述基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，所述独立节点采集到数据时，通过P2P网络广播给临近节点，临近节点收到数据后，依据历史数据及***当前收集到的其他节点数据，通过电力***状态估计算法，进行数据有效性和准确性的验证；并依据共识算法，当数据通过2/3节点验证后进行保存，并上链存储。
上述基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，所述临近节点的范围选择依据网络拓扑结构设定，综合考虑通信半径及节点个数。
上述基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，所述计算节点的调度运行方案确定具体包括以下步骤：某一时间周期t内负责调度运行方案制定的计算节点从区块链中读取进过验证后的各项数据，利用社区全网某一时间断面数据，进行电力***分析计算，计算节点在完成各项计算后，生成新的调度运行方案，并将新的调度运行方案向全网的其他计算节点进行广播，其他计算节点收到新的调度运行方案后，立即对新的调度运行方案的可行性及安全性进行验证，验证通过后，将验证签名完成的验证调度运行方案立即返回计算节点；当该计算节点收到了2f其他计算节点对新的调度运行方案的结果确认后，将验证调度运行方案存储到区块链中，所有节点按验证调度运行方案统一自动调度执行。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明利用区块链技术存储各终端实时采集的数据，利用DPOS-PBFT共识机制，通过预选计算节点，完成社区电网的安全校验、电能质量分析，并生成调度运行方案，针对调度运行方案利用PBFT算法，经其他计算节点确认后，自动执行调度运行方案，来促进分布式发电的就近消纳，从而实现社区能源的就近自治，减少了能源的浪费，减轻了对中心化化机构的依赖，保证了***的安全稳定运行。
本发明在量测数据采集、传输以及交换过程中，基于区块链共识机制，通过临近节点间的校验和认证，保证数据的正确和安全；同时依托区块链技术非对称加密技术，所有数据将被加密存储，即时黑客截取数据密文，也不能单相推导出明文，确保数据的高度安全、不可篡改，为***的稳定运行提供了可靠保障。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明步骤C中所述独立节点数据上链的流程图；
图3为本发明步骤C所述计算节点制定调度运行方案的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种含分布式发电的社区能源自治方法，基于区块链技术，利用DPOS-PBFT共识机制，制定调度运行方案来促进分布式发电的就近消纳，从而实现社区能源的就近自治，其流程如图1所示，具体包括以下步骤。
A.根据社区电力***网架结构，确定拓扑信息和网络参数。拓扑结构是指各电气设备之间的连接关系，网络参数是指各电气设备的参数。
B.构建涵盖社区内各电气设备的区块链P2P网络，建立区块链驱动的社区分布式发电自动交易和自治调度的共识机制与去中心化信任。
本步骤所述的区块链P2P网络中的独立节点根据功能划分为计算节点和轻节点，所述轻节点负责采集数据，并将数据传送给计算节点，经验证后保存到区块链中，所述计算节点具有数据存储和计算功能，负责完成各项复杂计算和验证工作，并将经过共识确认的调度运行方案下发到各节点，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。
共识机制为利用DPOS-PBFT的分布式共识调度机制，DPOS-PBFT(DeligatedProofofStake-Practical Byzantine Fault Tolerance)是DPOS(分布式委任权益证明)与PBFT(实用拜占庭容错算法)共识算法的融合。首先利用DPOS在社区网络中选取部分节点为计算节点，负责某一时间间隔内***调度方案的计算，计算节点彼此之间权利完全相等，计算节点按一定顺序循环执行，每个计算节点负责一个时间间隔内调度运行方案的计算和制定。
C.各电气设备或量测装置分别内置区块链模块，作为区块链P2P网络中的独立节点，实时与计量模块通信，获取量测数据，参与各项共识算法，制定调度运行方案。本步骤主要包括两个方面的内容：独立节点的数据上链和计算节点的调度运行方案确定。
独立节点的数据上链过程包括数据的采集、校验和上链保存，其流程图如图2所示，具体如下。
C11.独立节点根据量测装置类型的不同，采集相应电气设备的运行参数或计量数据。
C12.采集的数据通过P2P网络广播给临近节点，临近节点的范围选择依据网络拓扑结构设定，综合考虑通信半径及节点个数。
C13.临近节点收到数据后，依据历史数据及***当前收集到的其他节点数据，通过电力***状态估计算法，进行数据有效性和准确性的验证。
C14.依据共识算法，当数据通过2/3节点验证后进行保存，并上链存储。
计算节点调度运行方案的确定主要包括数据的采集、数据的计算以及调度运行方案的制定与验证，其流程如图3所示，具体如下。
C21.某一时间周期t内负责调度运行方案制定的计算节点从区块链中读取进过验证后的各项数据。
C22.计算节点利用社区全网某一时间断面数据，进行电力***分析计算，比如潮流计算、安全分析等，计算节点在完成各项计算后，生成新的调度运行方案。
C23.将新的调度运行方案向全网的其他计算节点进行广播，对应PBFT的预准备Pre-Prepare阶段。
C24.其他计算节点收到新的调度运行方案后，模拟执行新的调度运行方案，验证新的调度运行方案的可行性及安全性。验证通过后，存入预备列表，并将验证签名完成的验证调度运行方案立即返回计算节点；对应PBFT的预准备Prepare阶段。
C25.当该计算节点收到了2f其他计算节点对新的调度运行方案的结果确认后，将验证调度运行方案存储到区块链中，完成数据存储、调度运行方案的确认，所有节点按验证调度运行方案统一自动调度执行。
D.调度运行方案存储到区块链中后，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。
在下一个时间周期t+1，依据DPOS轮转算法，更换计算节点，开始下一个周期的计算和调度运行方案的确定。
本发明中，区块链技术能将社区***内各类数据分布存储于多个节点上，数据在多节点之间最终同步、完整性备份，当部分节点遭到攻击时，整体数据仍然高度有效且可靠，其余节点依靠其完整的数据维持***的稳定运行，提高了社区能源***运行的安全性。

Claims (4)

1.基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A.根据社区电力***网架结构，确定各电气设备之间的连接关系以及各电气设备的参数；
B.构建涵盖社区内各电气设备的区块链P2P网络，建立区块链驱动的社区分布式发电自动交易和自治调度的共识机制与去中心化信任；区块链P2P网络中的独立节点根据功能划分为计算节点和轻节点；所述轻节点负责采集数据，并将数据传送给计算节点，经验证后保存到区块链中；
C.各电气设备或量测装置分别内置区块链模块，作为区块链P2P网络中的独立节点，实时与计量模块通信，获取量测数据，参与各项共识算法，制定调度运行方案；并确定独立节点的数据上链和计算节点的调度运行方案；
所述独立节点采集到数据时，通过P2P网络广播给临近节点，临近节点收到数据后，依据历史数据及当前收集到的其他节点数据，通过电力***状态估计算法，进行数据有效性和准确性的验证；并依据共识算法，当数据通过2/3节点验证后进行保存，并上链存储；
所述计算节点的调度运行方案确定具体包括以下步骤：
某一时间周期t内负责调度运行方案制定的计算节点从区块链中读取经过验证后的各项数据，利用社区全网某一时间断面数据，进行电力***分析计算，计算节点在完成各项计算后，生成新的调度运行方案，并将新的调度运行方案向全网的其他计算节点进行广播，其他计算节点收到新的调度运行方案后，立即对新的调度运行方案的可行性及安全性进行验证，验证通过后，将验证签名完成的验证调度运行方案立即返回计算节点；当该计算节点收到了2f其他计算节点对新的调度运行方案的结果确认后，将验证调度运行方案存储到区块链中，所有节点按验证调度运行方案统一自动调度执行；
D.调度运行方案存储到区块链中后，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，其特征在于，步骤B中所述计算节点具有数据存储和计算功能，负责完成各项复杂计算和验证工作，并将经过共识确认的调度运行方案下发到各节点，利用智能合约驱动电气设备自动执行调度运行方案。
3.根据权利要求2所述的基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，其特征在于，步骤B中所述共识机制为利用DPOS-PBFT的分布式共识调度机制，首先利用DPOS在社区网络中选取部分节点为计算节点，负责某一时间间隔内***调度方案的计算，计算节点彼此之间权利完全相等，计算节点按一定顺序循环执行，每个计算节点负责一个时间间隔内调度运行方案的计算和制定。
4.根据权利要求1所述的基于区块链技术的含分布式发电的社区能源自治方法，其特征在于，所述临近节点的范围选择依据网络拓扑结构设定，综合考虑通信半径及节点个数。
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