摘要：在微電網中，新能源發電因其不穩定的特點給當前電網的安全穩定運行帶來諸多挑戰。結合區塊鏈的分布式架構，數據安全透明可追溯，去中心化等特點，設計了一個基于區塊鏈的微電網數據安全共享方案。首先，在初始化階段用戶需要完成賬戶注冊并將智能電表接入數據采集器;其次，利用一種改進的ElGamal加密算法對采集來的數據進行加密，將打包好的數據區塊對外廣播，發起共識;另外，采用積分取代傳統區塊鏈共識機制中的代幣進行流通，待各節點達成共識后，將數據包存儲在鏈下數據庫中，然后將其存儲地址返回至鏈上進行存儲;最后，數據共享的實現需要查詢方提交訪問申請，智能合約自動執行完成數據的共享。該系統可以有效抵御51%攻擊、內部攻擊、修改攻擊等。該方案的算法效率較傳統算法提高了三倍，系統開銷不足165p，交易吞吐量最高可接近300tx/s，可以明顯提高交易速率并保證數據的安全共享。

　　關鍵詞：微電網;區塊鏈;改進的ElGamal加密算法;積分;數據安全共享

　　隨著分布式清潔能源相關技術設備的日趨成熟完善，推動分布式能源系統在整個能源系統中占比、提高新能源滲透率成為未來世界能源技術的重要發展方向[1]。但是，由于傳統微電網的集中運營管理方式，需要通過第三方平臺進行數據交換，數據存在被第三方平臺復制、保存、甚至倒賣等風險，數據資產得不到有效保障，泄露風險高[2]。除此之外，隨著新能源的并網，還給微電網帶來了以下諸多挑戰：

　　區塊鏈論文范例：基于區塊鏈技術應用的反壟斷法律規制研究

　　(1)由于智能電表記錄的用戶數據過于詳細，并且其雙向通信信道并不安全，一旦被攻擊者破獲，攻擊者就會根據用戶的實時用電數據推測并分析用戶的日常作息規律，實施盜竊等犯罪行為，給用戶造成難以估計的損失[3]; (2)普通用戶很難獲悉智能電表采集的用電數據，另外，科研學者可以利用這些數據做科學研究，并為供電局每個季度的供電提供參考性意見，提高能源利用率。因此，這些數據擁有巨大的科研價值，但由于信息不透明、數據共享困難造成了數據資源的浪費和“信息孤島”現象[4];(3)當下微網的這種集中式運營管理方式已經不再適合大規模分布式能源并網，為了適應分布式能源的接入并保障數據的安全，微電網的這種集中運營管理方式需要改變[5-6]。

　　針對以上微電網存在的問題，本文將區塊鏈技術應用于能源數據共享領域，設計了一種基于區塊鏈的微電網數據安全共享方案。該方案解決了數據集中存儲、數據泄露、共享困難等問題，既實現了用戶用電數據的隱私保護和數據共享，又保證了交易速率。

　　與一些傳統數據共享方案相比，該方案具有以下三大特點：(1)采用一種改進的ElGamal加密算法對采集來的數據進行加密[7]，該算法通過對指數2k進制化，減少了迭代次數，提高了運行速度，然后將打包好的數據區塊對外廣播，發起共識;(2)在共識階段，采用積分取代傳統代幣進行流通[8]，規避了金融風險，待共識達成后，將數據包存儲在鏈下分布式數據庫中，然后將其存儲地址返回至鏈上進行存儲[9]，實現了數據的分布式存儲，解決了區塊鏈的存儲難題，提高了數據共享效率(3)為了解決傳統權益證明(ProofofStake,PoS)共識機制容易分叉的問題，對PoS也作出了一定程度上的改進，節點在競爭記賬權前要抵押一部分積分，此外節點還要定期檢查最新區塊，以防止其分叉。

　　1相關研究

　　對于未涉及區塊鏈技術的能源共享數據研究，文獻[10]提出了一個基于云的能源管理系統，由于異常檢測技術的不足，會使網絡和協議變得十分脆弱，系統可能會遭受攻擊導致數據泄露，硬件損壞甚至斷電，針對這些攻擊該方案也提出了應對措施，但這些措施僅僅停留在理論層面，并不能完全保證該系統可以抵御這些攻擊。

　　文獻[11]提出了一種基于密文策略屬性的簽名加密方案，該方案部分解密過程由第三方服務器完成，系統安全性依賴服務器的安全強度，一旦服務器遭到入侵，用戶數據就有可能會泄露;文獻[12]提出了一個保護隱私的多權限基于屬性的智能電網數據共享方案，該方案為了保證數據的安全性，犧牲了加密時間，造成了加密效率較低的問題。對于采用區塊鏈技術的其他領域數據共享研究，文獻[13]提出了一種基于區塊鏈的醫療數據共享模型，該系統是將數據存儲在中心化的數據庫中，并未解決數據的存儲問題;文獻[14]提出了一種基于區塊鏈網絡的醫療記錄安全存儲訪問方案，該方案全程采用智能合約造成了系統開銷過大的問題。

　　對于采用區塊鏈技術的能源數據共享研究，文獻[15]提出了一種基于聯盟鏈的智能電網數據安全存儲與共享系統，該系統采用的傳統共識機制造成系統算力開銷過大，消耗了大量的計算機算力;文獻[16]設計了一種基于區塊鏈的電池健康數據共享模型，打破了制造商與用戶之間的數據訪問和共享壁壘，但是其仍存在一定的安全隱患;文獻[17]設計了一種基于區塊鏈的動力電池數據監控與共享系統，該系統同樣采用傳統共識機制，致使運行效率低下;文獻[18]提出了一個解除監管的智能電網公平數據共享的區塊鏈模型，對于服務提供者來說，雖然用戶數據對提高其服務質量至關重要，但該模型在利用用戶數據的同時引發了隱私保護問題。

　　綜上所述，在過往研究中，區塊鏈在能源領域的數據共享應用還存在空白以及諸多問題。針對微電網中智能電表通信信道不安全、數據信息不透明以及微電網集中運營管理的方式等問題，利用區塊鏈技術，設計了一種基于區塊鏈的微電網數據安全共享方案，在實現用戶用電數據隱私保護和數據安全共享的同時，也保證了交易速率。

　　2方案架構

　　區塊鏈按其去中心化程度的高低可以分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈[19]。將區塊鏈技術應用于能源領域中，各節點的加入或退出需要經過授權，否則過度開放的系統使各節點可以自由加入或退出，會給系統帶來混亂，使管理更加困難，另外，用戶的身份也需要實名，這樣可以避免一些來歷不明的用戶給系統帶來潛在的威脅。基于此，選用聯盟鏈搭建該系統更加合適。 該方案主要由智能電表(SmartMeter,SM)、數據采集器(DataCollector,DC)、監督中心(SuperviseCenter,SC)、分布式數據庫(DistributedDatabase,DD)、聯盟鏈系統(ConsortiumBlockchainSystem,CBS)、分布式應用(DistributedApplication,DAPP)構成。

　　因此，可以將其分為數據層、監督層、存儲層、共識層、應用層共五層。系統各部分的功能如下所示：(1)數據層主要完成對數據的采集清洗和加密并進行打包。每個DC可以每隔一段時間完成對多塊SM數據的采集，本系統為每個DC設臵的SM數量上限為5塊，時間間隔為15min;(2)監督層發揮作用主要是在初始化階段。用戶需要在SC完成賬戶注冊，并把SM接入DC;(3)共識層與存儲層是該系統的核心。DC采集的數據經過數據層的處理后，由共識層P2P網絡將數據包進行廣播，發起共識，進入共識階段;(4)存儲層的主要任務是存儲數據，并將存儲索引返回至共識層。待各節點達成共識后，將數據包存儲在位于存儲層的DD中，然后將存儲地址返回至共識層中的CBS存儲。

　　3方案設計

　　3.1初始化

　　在初始化階段主要完成兩個任務，賬戶注冊和將SM接入DC。賬戶注冊的具體步驟如下：(1)用戶利用一種改進的ElGamal算法產生公鑰和私鑰;(2)將公鑰和用戶私人信息，如身份證號、門牌號、身份信息(該系統為每位用戶的身份設臵為普通家庭用戶、政府機關、國網公司、科研學者、在校師生、其他用戶)等，發送至SC;(3)SC收到用戶信息對其核查無誤后，用SC的私鑰對用戶公鑰進行加密，形成數字簽名sign，并將sign返回給用戶;(4)用戶利用自己的公鑰和sign創建賬戶，其他用戶可以用SC的公鑰驗證sign的真實性，從而保證賬戶的真實性。將SM接入DC需要用戶將自己的賬戶上傳至DC，同時從DC的數據庫中下載最新數據。

　　3.2數據采集

　　在用戶完成注冊并將SM接入DC后，用戶就已經加入了該系統，隨后進入數據采集階段。該系統為每個DC設臵的SM數量上限是5塊，因此DC中也存儲著5位用戶的公鑰，DC對SM的數據采集間隔設臵為15min，之后將采集來的數據進行清洗壓縮，這樣可以減小數據包的大小，提高數據質量，隨后DC用每位用戶各自的公鑰對數據進行加密。

　　3.3數據存儲

　　在對數據完成清洗壓縮加密等操作后，將數據包進行廣播，發起共識，進入共識階段。迄今為止應用最為廣泛的共識機制還是比特幣系統所采用的工作證明機制(ProofofWork,PoW)，但該機制要求計算大量的哈希會造成算力資源的嚴重浪費[20]。針對PoW的缺陷，PoS既可以保證PoW共識機制中各節點的競爭力，又能使各節點自身做好優化，還提高了交易速度。因此，PoS共識機制更適合該系統。但是，由于代幣發行嚴重擾亂了經濟金融秩序，因此，早在2017年代幣發行在中國已經被禁止[21]。

　　因此，針對傳統的PoS共識機制做出以下三點改進：

　　(1)用積分來代替代幣進行流通，這樣既可以規避代幣流通的風險，又可以通過為新加入的用戶發放積分來使其做好自身優化。如果用戶本身既可以購電，還可以發電售電，則會獲得更多的積分，這就可以鼓勵后加入的用戶安裝清潔能源發電裝臵，促進清潔能源的推廣;(2)除此之外，由于傳統PoS共識機制容易產生分叉的問題，針對此問題，該系統要求每個節點在競爭記賬權生成區塊前要先抵押一部分積分，而且抵押的積分一定要大于獲得記賬權獎勵的積分，如果節點出現同時在兩條鏈上產生區塊，未在最新高度上產生區塊等惡意行為，系統會沒收抵押積分，若節點未出現惡意行為，系統會歸還抵押積分;(3)另外，各節點還要定期檢查最新區塊，檢查時間間隔一定要小于最短的積分抵押時間，拒收重組記錄過長的區塊，這樣就可以有效預防分叉問題。

　　4安全性分析

　　在該方案中，采用聯盟鏈來搭建該系統，利用非對稱加密算法對數據進行加密，確保數據傳輸過程更加安全可靠[23]。

　　5性能評估

　　本實驗對算法的運行效率和系統開銷以及區塊鏈的交易吞吐量(TransactionPerSecond,TPS)三方面進行了測試，可以將其分為三個實驗。通過測試該方案在三個實驗中的表現并與其他方案做對比，可以具體觀察該方案的性能表現。

　　6結束語

　　區塊鏈技術因其去中心化和數據透明可追溯的特點，其應用范圍已經滲透到了各行各業。本文設計了一個基于區塊鏈的微電網數據安全共享方案，既改變了傳統微電網的中心化運營方式，又打破了“信息孤島”的困局，還保護了用戶的用電隱私。

　　但目前多數相關區塊鏈技術的應用還主要是圍繞金融領域展開，這是由于其脫胎于虛擬貨幣，其核心技術即共識機制大多更適用于金融領域。正是因為受制于此，未來若想將區塊鏈技術應用到更多領域，必須對共識機制做出改進，或者研發出更加適合其他領域的共識機制。因此，接下來的主要工作任務就是對當下現有的共識機制做出改進，使其更適合其他領域，將區塊鏈技術推向更廣更深層次的應用。

　　參考文獻

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　　作者：1張利華1，曹宇2，張贛哲2，黃陽1，陳世宏2