【能源区块链与跨链互操作研究的文献综述4500字】

能源区块链与跨链互操作研究的文献综述1.1区块链技术概述为解决能源互联网发展过程中遇到的技术难题，区块链技术被引入其中。区块链技术特点与能源互联网有很高的可契合性，针对解决能源互联网中大量分布式能源接入这一难题，提出了可行性方案。区块链技术可以作为能源系统中进行点对点能源交易的重要技术手段，区块链网络平台为能源供需主体提供去中心化交易网络，数据分布式存储在每个参与节点上，实时更新，有助于各主体及时调整能源供需量和报价。而区块链的智能合约，采用“代码即合同、代码即法律”的计算机协议，可进行无中心的点对点能源交易和调度。另外，区块链数据的可追溯和不可篡改帮助各个能源主体及时查看历史记录等内容。区块链技术的特征主要总结为四个方面：（1）开放，共识。在区块链网络中，每一个节点都可以获得一份完整的数据，并参与到区块链网络。节点之间通过共识机制共同维护区块链网络的运行。（2）去中心，去信任。区块链网络中没有中心化的管理中心，各个节点之间直接进行点对点交互。传输过程中的数据通过数字签名技术进行校验，因此无需得到相互信任即可完成交易。（3）双方匿名，交易透明。节点之间进行区块链交易过程中不需要公开身份。另外，在区块链网络中，所有的数据信息都是对于所有节点可见的、公开的。（4）防篡改，可追溯。只有当51%以上的节点同时对数据进行修改才会对数据库造成影响。数据块是相互串联的，以往的交易都是可以查询的。区块链的核心技术构架包括物理层、数据层、网络层、共识层、交易层、执行层以及应用层。物理层中主要包括一些设备，具体有能源生产设备、能源转换设备、能源计量设备以及节能设备，多种设备为区块链技术的运行打造了一个良好的物理基础；数据层的各个区块通过链式结构进行连接，每个区块都有自己的时间戳记录数据信息，方便溯源，区块中的数据都经过哈希运算进行存储，非对称加密保证了信息的安全性，摩尔根树结构保证数据的完整性；在网络层中采用点对点的传输方式，这种无需中心管理机构的模式，让数据传输更快捷、更安全，各个节点既是数据的获得者也是传送者，传输速度大大增快；共识层主要包括共识机制、API接口以及共识算法，共识机制是区块链技术中的重要环节；交易层包括了连续双向拍卖和生成智能合约两个环节。智能合约对于区块链系统的去中心这一特征有重要的意义；执行层包括执行智能合约以及能量转移和计量的过程，当满足智能合约预设条件后，区块链上的交易在这一执行层被完成；应用层包括了交易入口，交易结算，数据分析以及历史信息查询，由于区块链具有独特的链式结构，因此区块链上的每一笔交易都是可以追溯查询到的。此外，区块链作为一种新兴技术，引起了初创企业、技术开发商、金融机构、国家政府和学术界等方面的极大兴趣。2008年，比特币的创始人中本聪最早提出了区块链的概念[37]，它是比特币的基础技术和基础设施。作为一种分布式帐本，区块链按照时间顺序将每一个区块进行连接，并且通过密码技术实现数据的安全传输和访问[38]。近年来，越来越多的学者开始研究区块链技术在能源领域的应用，并开发了许多有代表性的项目。第一个能源区块链交易系统在纽约布鲁克林建立，将五户人家的屋顶太阳能直接出售给另外五户人家。这个项目开创了一个在能源领域应用区块链技术的先例。此项目在工业革命的背景下利用区块链促进机器对机器（M2M）的相互作用，并在化学背景下建立M2M电力工业市场行业。提出的场景为两个电力生产商通过一个区块链与一个电力消费者进行交易。这项工作有助于实现对场景的概念验证[39]。在此以后大部分关于能源区块链的研究都集中在使用区块链的分布式数据结构来促进点对点能源交易。通过使用区块链技术来衡量碳排放权可以使交易更加可靠。文献[40]提出了一种基于区块链的碳排放权验证系统，该系统利用系统分析和区块链技术作为引领，以解决碳交易过程中的问题，进一步验证数据。此外，在电动汽车领域，通过使用区块链技术，电动汽车车主可以在能源管理方面获得足够的透明度，并在选择能源供应方面有更多的选择。区块链技术显然对于能源系统运营、市场、生产商和销售商等环节都能带来一定的积极影响。能源区块链是一个快速发展的研发领域，随着能源区块链研究的深入，区块链将为能源领域注入新的发展活力。1.2区块链跨链互操作研究现状跨链交易作为一种价值交换形式，在保证信息流的精确性的同时，更要保证双向价值流通的可靠性。跨链技术存在的意义在于突破底层公链性能和功能瓶颈，实现跨链互操作。随着区块链技术的快速发展，以及在多个领域应用的增多，单链的区块链系统已经难以满足区块链技术的发展，区块链技术的性能提升收到严重制约。单一区块链系统的封闭性及异构化，导致链与链之间的互操作问题逐渐突出，形成信息孤岛，跨链互操作技术为解决这一技术难题被提出。跨链技术为多个区块链构建信息交互桥梁，有效实现链与链的互联互通。通过跨链式区块链中共识机制的改进以及确定合适的多能流密钥管理模式能够提高交易速度和可扩展性，降低延迟，提高系统的安全性。现有跨链式区块链技术方案主要有以下几种类型：（1）公证人机制：公证人方案是链之间进行互操作的最简单方法。该模式使用受信任的实体作为A和B之间的中介。假设A和B不能相互信任，A和B都可以信任的该实体是公证中间人，中介机构提供一个高度加密的托管系统，资金可以在各种类型的账本之间进行流动。公证人方案可分为集中式公证人方案和多组式公证方案[35]。这种方案的缺点较明显，存在中心化的风险。（2）哈希锁定：哈希锁定的核心技术是在指定的时间段内提供与哈希值对应的未冻结资产的原始内容。哈希锁定实现通过在两个链上运行特定的智能合约来进行交易和信息交互。由于哈希锁定方案可以相互链接，因此即使交易方之间没有直接联系，也有可能实现有效交易。这种方案的优点是能够更好的保证交易信息的真实性，缺点在于应用场景受限、操作复杂。（3）侧链/中继链：该方法采用的是一个主区块链和一个子区块链的结构。子区块链可以查看主区块链上的一些信息，以完成资产转移和在这两个区块链上的循环。一般来说，主区块链并不知道子区块链的存在，但子区块链必须知道主区块链的存在。侧链方式的优点是实现方式简单，缺点是交易处理速度慢。而中继链的优点在于实用性较高，缺点是实现方式复杂，开发难度大。想要更好的实现能源互联网中多能流的跨链互操作就必须提出一种更具有适应性和操作性的新的共识机制。为此，我们在第4章中，基于能源互联网的前提下提出了一种新的多能源系统跨链共识机制，以更好的实现跨链互操作。1.3能源区块链跨链互操作研究现状由于各个区块链具有相互独立的特征，区块链之间难以进行数据通讯和价值转移，导致价值孤岛问题开始显现。跨链互操作技术是区块链之间实现互联和提高可扩展性的重要技术手段[41]。因此，区块链跨链互操作技术已成为研究热点，目前已经提出的跨链互操作技术主要有公证人方案、侧链/中继链方法、哈希锁定[42]。分布式密钥管理可以利用密钥生成和控制技术，基于区块链协议的内置资产模板，将加密的货币资产映射到链中，并基于跨链交易信息部署新的智能合约，以创建新的加密货币资产。分布式密钥的发布者和分散化网络中的使用者联合控制该密钥，并且没有第三方持有该密钥。将区块链的跨链互操作技术应用于能源互联网领域，有助于打破能源区块链之间的信息壁垒，实现链与链之间的数据通讯和价值传递，对于能源互联网的发展有着极为重要的现实意义。上述跨链互操作技术已在某些领域得到应用，但总体来说，区块链跨链互操作技术仍处于起步阶段，仍有许多方面需要完善。在未来，将开发越来越多的新技术来处理复杂又多样化的应用场景，跨链技术将为能源行业跨越式发展做出巨大的贡献。由于这项研究刚刚出现，相关的工作相对较少。本部分列出了能源领域中现有的跨链技术研究。在文献[43]中，提出了一种使用数字指纹对智能电表的能源数据和相关的能源交易进行防篡改注册的技术，它允许进行哈希加密后的能源交易被连接上区块链，而传感器数据存储在链外。该研究采用哈希锁定的方法来提高能源系统的响应速度和数据吞吐量。在该体系结构中，作者创新性地将跨链式交互引入到电力系统中。在文献[44]中，基于中继链的跨链互信交易方法，提出了一种基于异构能源区块链的多能互补和安全交易模型的操作模式。这种多重能源交易可以直接在供应商和消费者之间进行。在文献[45]中，描述了一个跨区块链架构，该架构使用了在智能网格场景中广泛使用的协议，并支持该架构在现有系统上的实现。该架构采用边联通信技术，为用户提供了安全、可靠的隐私保护。在文献[46]中，提出了一种带有子链的混合区块链，旨在保护用户的隐私，并为计费和收费交易提供一个可信任的工作环境。这项工作介绍了服务层能源市场的信用共享特征，而能源系统中用户点对点能源交易的子区块链信息尚未实现被桥化，没有私人信息传输到主电网。在文献[47]中，结合分布式光伏发电市场和碳市场的联合经营系统，描述了一个跨链交易。为了共享两个市场的数据和流通价值，作者设计了一种双向锚定方法，利用主链结构和侧链结构来实现跨链通信，实现了加密货币的碳交易和电力交易的平衡。所有提到的相关工作都没有详细说明跨链通信的共识机制，以及这将如何改变区块链架构的互操作协议。表1-2对相关工作进行了综合比较。在表1-2中，我们列出了当前区块链跨链互操作技术在能源领域的应用，并比较了他们的技术类型、技术贡献和应用场景。表1-2跨链式能源区块链相关研究项目年份技术类型技术贡献应用场景文献[43]2019哈希锁定响应时间和数据吞吐量微电网文献[44]2019中继链交易信任多能源交易文献[45]2020侧链解决隐私和安全问题智能电网文献[46]2020混合区块链保护隐私和可信度物联网平台的能源交易文献[47]2020侧链跨系统交易光伏和碳市场联合运营参考文献[1]高虎.“双碳”目标下中国能源转型路径思考[J].国际石油经济,2021,29(03):1-6[2]胡学鹏,赵荣,娄南.探讨全球能源互联网构建理念及前景[J].科学家,2016(16):70-72[3]LiX.,MaR.,WangL.,etal.Energymanagementstrategyforhybridenergystoragesystemswithechelon-usepowerbattery[C]//2020IEEEInternationalConferenceonAppliedSuperconductivityandElectromagneticDevices(ASEMD).IEEE,2020:1-2.[4]LawderM.T.,SutharB.,NorthropP.W.C.,etal.BatteryEnergyStorageSystem(BESS)andBatteryManagementSystem(BMS)forgrid-scaleapplications[J].ProceedingsoftheIEEE,2014,102(6):1014-1030.[5]HuntJ.D.,ZakeriB.,deBarrosA.G.,etal.Buoyancyenergystoragetechnology:Anenergystoragesolutionforislands,coastalregions,offshorewindpowerandhydrogencompression[J].JournalofEnergyStorage,2021,40:104726.[6]王若谷,戴立森,梁芷睿,等.基于不同种类储能电池的微电网综合储能系统性能对比[J].电力电容器与无功补偿,2019,40(1):166-171+179.[7]韩伟,彭玉丰,严海娟.能源互联网背景下的电力储能技术展望[J].电气技术与经济,2020(5):11-12+18.[8]李建林,孟高军,葛乐,等.全球能源互联网中的储能技术及应用[J].电器与能效管理技术,2020(1):1-8.[9]王秀琴.储能电站的大容量储能方式分析[J].产业与科技论坛,2012,11(16):91+68.[10]TsoukalasL.H.,GaoR.,La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