【《工业物联网能源P2P交易研究现状文献综述》5100字】

PAGE38PAGE37工业物联网能源P2P交易研究现状文献综述传统能源市场主体之间进行交易时多采用集中式交易模式：能源生产商与用户将数据上传至中央处理系统，通过集中撮合或者优化等方法匹配能源生产和消耗双方[9]。虽然集中式交易易于设计和控制，但在分布式IIoT环境中，大量工业数据将给传统集中式平台带来巨大挑战，此时，若第三方数据库出现单点故障或者黑客攻击，安全和隐私将无法得到保证。传统能源市场交易依赖于银行等第三方机构[10]，交易流程多、效率低、时间长。李彬等人指出在传统集中式交易过程中，所有数据存储于第三方中心机构，统一管理，安全系数低[11]。AitzhanNZ等人指出在集中基础设施中存储能源交易，若黑客掌握所有交易记录，可借此推测出账户信息，对能源用户的交易安全及隐私保护产生巨大威胁[12]。李刚等人指出若由第三方机构存储电动汽车充电交易数据，用户的隐私安全将面临一定的风险[13]。集中式交易示意图如图1-1所示：图1-1集中式交易示意图Figure1-1Schematicdiagramofcentralizedtransaction1.2.1能源P2P交易在工业物联网能源交易市场研究中，随着分布式能源技术的大量接入和信息通信技术的广泛运用，能源购买方成为能够生产能源的产消者，在能源过剩的情况下，可以与他人进行能源交易，这创造了一种新的能源交易模式，即点对点（P2P）能源交易，使得集中能源市场转向分散对等能源市场。能源P2P交易模式是取代传统集中式交易模式的一种重要途径，已成为能源交易市场发展的主导方向。A.Shrestha等人等人P2P交易架构逐渐成为能源交易的潜在和有前途的架构[14]。C.Bussar等人指出产消者可以使用和销售能源，而无需涉及任何传统能源供应商中介[15]。工业IoT能源P2P交易常见于不同的工业物联网能源交易场景，包括电动汽车接入网络和微电网，接下来将对以上两种IIoT典型场景中的能源P2P交易和基于区块链技术的IIoT典型场景能源P2P交易相关文献进行梳理。1.电动汽车接入网能源P2P交易电动汽车接入网是电动汽车参与能源市场交易的一种商业运营模式。电动汽车（EV）的日益增多为能源交易带来了机会，使用户能够交易其多余的能源。电动汽车之间以及电动汽车和电网之间能源双向交易将进一步促进IIoT发展。然而，大量的、分散的移动性电动汽车也将给IIoT能源交易带来重大挑战，比如，安全与隐私泄露问题，吸引了众多学者的目光。最近关于分布式解决方案的举措以及点对点（P2P）通信网络的进步，扩展了电动汽车充电计划，包括车辆对车辆（V2V）能源P2P交易。R.Zhang提出了一个以电动汽车为中心的框架，用于电动汽车之间以及智能社区和电网之间的能源P2P交易[16]。R.Alvaro-Hermana引入点对点（P2P）能源交易系统，其中一个聚合器协调在同一区域停车的电动汽车之间的能源交易，提出了一种最佳充电算法，每种电动汽车都使用该算法来确定其未来一天的能源过剩或短缺[17]。H.Khalkhali等作者提出了一个V2V方案，在负载高峰期期间提供停车场的快速充电[18]。2.微电网能源P2P交易微电网被认为是下一代电网系统，是实现能源直接交易的一种有效交易模式，由于其经济、环境和社会效益而备受关注。具有智能基础设施的可再生分布式发电装置的渗透率不断提高，使微电网能够向电网提供可再生能源。根据以色列能源部的报告，微电网可将主电网的可持续性提高10%。然而，由于可再生能源发电的间歇性和与主电网连接的障碍，与电力需求区域紧密相连的微电网无法轻易平衡电力供需。例如，很难同时管理微电网和主电网中的许多不同的电压配置文件，以向所有客户提供电力服务。此外，从微电网到主电网的远距离输电可增加5%至20%的电力损耗，具体情况取决于输电距离。为了克服这些问题，点对点（P2P）能源交易模式被认为是提高微电网运行有效性的解决方案。P2P能源交易支持本地微电网内部用户之间以及微电网之间可再生分布式发电单元的直接能源交易。针对多个微电网群的P2P电能交易的问题，魏炜[19]等人在多微电网电能交易规则的基础上，提出了多微电网双层优化调度的方法，对独立微电网主体内部的可控电源制定优化调度方案，从而在电能交易中实现微电网的收益最大化。A.Pouttu等人在P2P-SmarTest项目中提出了一个三层P2P交易模式，在该项目中，产消者与微电网聚合器签订合同，用于微电网之间能源交易或批发市场参与[20]。针对独立微电网内部P2P电能交易的问题，史开拓等人提出了一种随机匹配交易机制，在该机制下参与交易的用户可以自主选择竞价策略，避免了单一模式下被动性，另外该机制的执行过程高效简洁易于执行，可以实现合理配置资源的目的[21]。S.Zhou等人提出了一个P2P本地能源池，并结合用户主导的需求侧响应（UDDSR）战略，通过产消者之间能源交易，实现可再生能源的自耗[22]。W.Huang等人针对带有P2P能源产消者的微电网，提出了一种价格-需求响应的能源共享模型，与直接与公用电网交易相比，该模型实现了有效的成本节省[23]。N.Liu等人为P2P支持器的微电网提出了一种基于价格的需求响应的能源共享模式，与直接与公用电网交易相比，实现了有效的成本节约[24]。1.2.2基于区块链的能源P2P交易通过以上对电动汽车接入网和微电网能源P2P交易分析可知，IIoT能源P2P交易普遍存在着安全和隐私挑战。电动汽车研究是基于集中协调的点对点（P2P）能源交易。王惠洲等人指出电动汽车P2P能源交易的市场交易主体较多，交易非常分散；如果采取传统的集中协调交易模式，需要许多第三方的参与，容易出现单点故障以及隐私和安全问题，这就引发了对分散式和直接P2P的电动汽车间能源交易系统需求[25]。Wang等人指出现有微电网中的点对点能源交易主要是集中交易范式，要求微电网交易经纪人获取能源产消者私人数据，包括能源资源配置、运营状态和能源生产/消费计划，存在产消者隐私泄露问题，降低了其参与能源交易的积极性[26]。在以上两种IIoT能源交易场景中建立安全、透明和成本低下的P2P交易模式至关重要。颜拥等人介绍了区块链在众多领域的应用情况，重点阐述了区块链在能源系统领域的研究现状，并对能源区块链的研究做了展望[27]。姚国章指出区块链技术可以有效解决P2P交易过程中所面临的计费、清算和结算等方面的问题，实现了P2P交易的完全去中心化以及效率提高和成本降低[28]。因此，区块链技术在以上两种IIoT能源P2P交易场景中被采用，提高了能源P2P交易安全性和可持续性，其所带来的优势已得到广泛认可。1.区块链背景下电动汽车点对点（P2P）能源交易区块链为电动汽车直接P2P能源交易提供了一个安全、分散和值得信赖的平台，无需第三方为这些交易提供便利。基于区块链的电动汽车能源P2P交易是最近被文献研究人员广泛研究的一个方向。C.Liu等人开发一个基于区块链的点对点（P2P）能源交易系统，以满足电动汽车的充电和放电需求[29]。B.P.Hayes等人实现了将电动汽车视为生产者的基于区块链的点对点（P2P）能源交易平台[30]。J.Kang等人提出了一种使用区块链技术在停车场内进行电动汽车之间P2P电力交易的方法，该模型旨在通过使用经授权的本地聚合器审核的迭代流程，通过匹配提供方和购买方出价，使提供方和购买方获得最大利润[31]。SharmaS结合区块链技术提出了安全的交易方法，充电站识别和快速充电或标准充电，并考虑远程充电成本[32]。HUANGXH等人进一步针对移动充电车辆对车辆（MCV2V）、网格对车辆（G2V）和车辆对车辆（V2V），考虑了新的混合充电方案，并基于联盟区块链拟议最佳充电调度框架确保了电力交易的安全性和隐私性，最大限度地提高了用户满意度和降低了用户成本[33]。王冠男等人指出，电动汽车不断发展，充电桩数量持续增长，同时，也面临能源交易收费标准多种多样、用户隐私泄露等问题[34]。而区块链技术以其优势特征为上述问题提供了解决方案[35]，为直接点对点（P2P）交易提供了一个安全、分散和值得信赖的平台，无需第三方为交易提供便利。张元星等人结合智能合约技术，提出了电动汽车分布式能源P2P交易体系[36]。王浩然等人则考虑了在大量接入电动汽车负荷的情况下，给电力系统安全运行带来的挑战，构建了基于区块链的充电权P2P交易方案，保证了配点网的安全运行，并进一步促进充电权交易的透明化与智能化[37]。2.区块链背景下微电网能源P2P交易区块链技术的发展为安全、可靠和可持续的微电网P2P能源交易开辟了新的可能性，有利于降低交易成本和消除交易安全威胁。D.Han等人将区块链技术应用于本地微电网的P2P能源市场，提议的价格机制以双重拍卖市场为基础，以平衡参与者的利益，在所提模型中，使用智能合约执行交易和支付机制，以确保参与者的安全性和隐私性[38]。平健等研究学者结合区块链技术，提出了一种去中心化的配网运行模式和方法，并设计了能源多边交易的智能合约，实现了去中心化交易透明开放、信息对称[39]。陈思捷等人以分布式能源交易问题为例，阐述了所提能源区块链技术的应用方法，模拟测试结果表明，所提出的能源区块链底层技术具有一定的优越性，推动了分布式能源交易的发展[40]。邰雪等人提出了弱中心化管理电力交易的方法，结合智能合约技术存储电力交易信息并自动执行资金转移，第三方机构只需完成安全校核和阻塞管理，并不直接参与交易当中[41]。王健等人结合区块链技术和连续双向拍卖机制，提出了一种新的微电网电力直接交易模式，有效实现了用户电量和微电网内部分布式能源P2P交易[42]。在应用实践方面，Exergy平台应用于BrooklynMicrogrid试点项目，通过该项目[43]，使得社区用户可以跳过零售商,直接在电力交易批发市场交易,减少了交易费用，推动了P2P分布式能源交易发展。菲律宾德拉萨大学项目以德拉萨大学内的校园微电网项目为基础，区块链的去中心化特点可以支持微电网中不同用户进行P2P电力直接交易,保证了电力供需平衡[44]。3.区块链技术应用对能源P2P交易的意义YCTsao等人指出区块链技术在P2P能源交易中的采用确保了能源交易参与者的安全性和可持续性，使参与者能够利用分散的管理机制控制能源系统，而无需中央机构[45]。Yahaya等人指出区块链是通过提供安全和可持续的P2P能源市场间接刺激可再生能源和低碳解决方案发展的最先进技术之一[46]。Jiang等人指出区块链技术在提高供给者利润和降低消费者成本方面具有巨大潜力，并通过应用P2P能源交易得到了认可[47]。Mylrea等人指出区块链技术通过去除第三方机构并增加用户个人相互生产和销售能源的套利机会，降低交易成本，并基于智能合约技术使能源购买方和采购商能够直接销售，而不是通过多层系统进行交易，从而促进P2P能源交易[48]。穆程刚等人结合私有区块链技术，实现了去中心化P2P能源交易，降低了交易成本，实现了P2P交易公平，提高了数据的安全性[49]。鲁恒聪等人指出与传统分布式交易相比，基于区块链的分布式交易中，采用P2P形式进行直接能源交易，减少了能源损耗，使资源成本和交易成本降低[50]。吕凛杰等人指出区块链技术与能源互联网具有天然的可融合性，结合区块链技术，提高了能源互联网P2P交易主体效益[51]。通过上述能源P2P交易分析可知，与传统的P2P能源交易相比，在由大量终端设备组成的分布式IIoT环境中，基于区块链的IIoT能源P2P交易具有一定优势和意义。（1）在具有高可靠性的网络环境中，实现了交易双方之间直接P2P售卖，频繁交易之后依然可追溯到网络中全部交易记录。（2）数据公开透明，网络中全部用户可轻松验证，保证了一致性和可信性[52]。（3）区块链技术是一种分布式存储技术，数据存储在网络中的每个节点中，并由所有节点维护，不可篡改[53]。（4）为具有数量多、分布广等特点的分布式能源提供一种P2P交易平台，实现高效率供需匹配。（5）智能合约机制实现了分布式交易双方合同的自动执行，解决双方之间的信誉问题[54]。（6）去除了第三方中央机构，解决了单点故障问题，免去了手续费缴纳，降低用户交易成本。区块链技术能够解决IIoT能源P2P交易存在的单点故障和黑客攻击等问题，实现了所有能源用户共同验证和数据维护，降低了能源P2P交易成本。但是区块链网络完全公开透明，网络中所有用户可随意查看用户交易信息，可能存在非法用户收集相关信息并大数据分析用户行为、窃取其他能源用户敏感隐私等行为。同时，随着IIoT能源用户和交易需求不断增大，区块链网络中所有节点共同验证交易信息，限制了能源P2P交易的频次，从而导致能源区块链运营效率低下。参考文献[1]LanH,HeYin,ShuliWen,etal.ElectricalEnergyForecastingandOptimalAllocationofESSinaHybridWind-DieselPowerSystem[J].AppliedSciences,2017,7(2):73-85.[2]黄虹,文康珍,刘璇,等.泛在电力物联网背景下基于联盟区块链的电力交易方法[J].电力系统保护与控制,2020,48(3):22-28.[3]LinX,LiJ,WuJ,etal.Makingknowledgetradableinedge-AIenabledIoT:aconsortiumblockchain-basedefficientandincentiveapproach[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics,2019,15(12):6367-6378.[4]WuJ,DongM,OtaK,etal.Fogcomputingenabledcognitivenetworkfunctionvirtualizationforinformation-centricfutureinternet[J].IEEEcommunicationsmagazine,2019,57(7):48-54.[5]邢梅.区块链技术在证券领域的应用与监管研究[J].证券法苑,2019,26(01):213-231.[6]MazlanAA,DaudSM,SamSM,etal.ScalabilityChallengesinHealthcareBlockchainSystem-ASystematicReview[J].IEEEAccess,2020,8:1-1.[7]RaikwarM,MazumdarS,RujS,etal.ABlockchainFrameworkforInsuranceProcesses[C]//20189thIFIPInternationalConferenceonNewTechnologies,MobilityandSecurity(NTMS).2018:1-4.[8]ZibinZheng,ShaoanXie,Hong-NingDai,etal.Blockchainchallengesandopportunities:asurvey[J].Int.J.ofWebandGridServices,2018,14(4):1-24.[9]佘维,胡跃,杨晓宇,等.基于能源区块链网络的虚拟电厂运行与调度模型[J].中国电机工程学报,2017,37(13):3729-3736.[10]李彬,肖惠,文亚凤,等.基于区块链的智能用电云服务模式分析[J].电力建设,2017,38(9):8-14.[11]李彬,曹望璋,祁兵,等.区块链技术在电力辅助服务领域的应用综述[J].电网技术,2017,41(3):736-744.[12]AitzhanNZ,SvetinovicD.Securityandprivacyindecentralizedenergytradingthroughmulti-signatures,blockchainandanonymousmessagingstreams[J].IEEETransactionsonDependableSecureComputing,2016,15(5):840-852.[13]李刚,黄奕敏,郑顾平,等.雷电网络在电动汽车充电交易中的技术前景[J].电力建设,2018,39(9):78-86.[14]ShresthaA,HayesB,BiswakarmaR,etal.Peer-to-peerenergytradinginmicro/mini-gridsforlocalenergycommunities:areviewandcasestudyoftheNepaleseelectricitysystem.2019