具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构_文亚凤.pdf

2 0 2 3年7月第4 7卷第4期安徽大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fA n h u iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y2 0 2 3V o l.4 7N o.4d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 0-2 1 6 2.2 0 2 3.0 4.0 0 6收稿日期:2 0 2 2-0 1-0 4基金项目:国网湖州供电有限公司资助项目(S G Z J HU 0 0 X T J S 2 1 0 0 7 6 3)作者简介:文亚凤(1 9 6 8-),女,黑龙江伊春人,华北电力大学副教授,硕士生导师,E-m a i l:w y f n c e p u.e d u.c n.具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构文亚凤1,汪 鹏1,孙 毅1,虞思城2,李凌雁2(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京1 0 2 2 0 6;2.国网浙江电力有限公司 湖州供电有限公司,浙江 湖州3 1 3 0 0 0)摘 要:随着双碳目标的提出,火电厂碳减排变得至关重要.碳配额是促进碳减排的有效政策.基准线值是碳配额的依据,科学划定基准线离不开高质量的火电厂碳排放数据.为防止碳排放数据被篡改及提升交互效率,提出通信链-存储链双链结构,设计具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构.仿真实验结果表明:该文设计的具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构的信息响应时间比点对点交互的区块链架构的信息响应时间短.因此,该文区块链架构的信息交互效率比点对点交互的区块链架构的信息交互效率高.关键词:区块链;火电厂碳排放数据;双链结构;区块链架构中图分类号:TM 7 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-2 1 6 2(2 0 2 3)0 4-0 0 4 2-0 7C a r b o ne m i s s i o nd a t af i d e l i t yb l o c k c h a i na r c h i t e c t u r ew i t hd o u b l e-c h a i ns t r u c t u r e f o r t h e r m a l p o w e rp l a n t sWE NY a f e n g1,WANGP e n g1,S UNY i1,YUS i c h e n g2,L IL i n g y a n2(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 2 2 0 6,C h i n a;2.H u z h o uP o w e rS u p p l yC o.,L t d.,S t a t eG r i dZ h e j i a n gE l e c t r i cP o w e rC o.,L t d.,H u z h o u3 1 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ep r o p o s a lo fd u a lc a r b o nt a r g e t s,c a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o no ft h e r m a lp o w e rp l a n t sh a sb e c o m ec r u c i a l.C a r b o nq u o t ai sa ne f f e c t i v ep o l i c yt op r o m o t ec a r b o ne m i s s i o n r e d u c t i o n.T h e b a s e l i n e v a l u ei st h e b a s i s o fc a r b o n q u o t a,a n d s c i e n t i f i cd e t e r m i n a t i o no f t h eb a s e l i n ec a n n o tb es e p a r a t e df r o mh i g h-q u a l i t yc a r b o ne m i s s i o nd a t ao ft h e r m a lp o w e rp l a n t s.I no r d e r t o i m p r o v e i n t e r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e v e n t c a r b o ne m i s s i o nd a t a f r o mb e i n gt a m p e r e d,ac o mm u n i c a t i o n-s t o r a g ed o u b l ec h a i ns t r u c t u r ew a sp r o p o s e d,a n dab l o c k c h a i na r c h i t e c t u r ew i t hd o u b l e-c h a i ns t r u c t u r e f o r c a r b o ne m i s s i o nd a t a f i d e l i t y i nt h e r m a lp o w e rp l a n t sw a sd e s i g n e d.T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n f o r m a t i o nr e s p o n s e t i m eo f t h ed o u b l e-c h a i ns t r u c t u r eo f t h e t h e r m a l p o w e rp l a n t c a r b o ne m i s s i o nd a t af i d e l i t yb l o c k c h a i na r c h i t e c t u r ed e s i g n e di nt h i sp a p e rw a ss h o r t e rt h a nt h a to f t h ep o i n t-t o-p o i n t i n t e r a c t i v eb l o c k c h a i na r c h i t e c t u r e.T h e r e f o r e,t h e i n f o r m a t i o n i n t e r a c t i o ne f f i c i e n c yo ft h eb l o c k c h a i na r c h i t e c t u r ei nt h i sp a p e r w a sh i g h e rt h a nt h ep o i n t-t o-p o i n tb l o c k c h a i na r c h i t e c t u r e.K e y w o r d s:b l o c k c h a i n;c a r b o n e m i s s i o n d a t a o f t h e r m a l p o w e r p l a n t s;d o u b l e-c h a i ns t r u c t u r e;b l o c k c h a i na r c h i t e c t u r e火电是我国能源消费碳排放的最大来源,因此对其进行碳减排至关重要1-2.碳配额是促进碳减排的有效政策3.基准线值是碳配额的依据,科学划定基准线离不开高质量的火电厂碳排放数据.火电厂碳排放数据被篡改时有发生,且数据交互效率不高,因此亟须采用新的技术、新的模型处理数据.区块链技术能建立可信体系、保障数据安全4-5,研究人员对其进行了大量研究.文献6 基于区块链链式结构实现了冷链食品信息的溯源.文献7 利用分布式存储提升了车联网数据的可靠性.文献8 通过哈希值防篡改提升了供应链数据的真实度.文献9 设计了基于区块链的电力需求侧防篡改方案.文献1 0 综述了综合能源中的区块链应用研究进展.文献1 1 对区块链数据交互效率进行了研究.文献1 2 将主节点技术与区块链相结合,提升了节点信息的交互效率.文献1 3 设计了新的区块链模式,通过主、从区块链将传统的区块链分为两层.文献1 4 研究了共识机制对区块链交互效率的影响.文献1 5 提出了新的交互协议,降低了信息延迟.该文为防止碳排放数据被篡改及提升交互效率,提出通信链-存储链双链结构,设计具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构,通过仿真实验验证具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构的有效性.1 火电厂碳排放数据保真模型将火电厂碳排放数据分布存储于区块链各个节点,建立碳排放数据可信体系,保障碳排放数据可溯源.可靠的碳排放数据有助于基准线值划定、碳排放余额交易及碳减排指导服务.火电厂碳排放数据上链需通过多方校验,且数据一旦上链就不可篡改1 6.存储数据须满足基准线值对数据高精度的要求.基准线值合理划定能使火电厂碳配额更加科学、公正.区块链智能合约自动核算各火电厂碳配额余额,余额充沛与余额不足的火电厂间可进行碳排放余额交易.碳减排指导服务是碳排放数据中心向火电厂提供的新型商业服务.碳排放数据中心深入分析火电厂碳排放数据,为火电厂定向提供碳减排优化方案,有利于完善生产要素、提升碳减排效率.图1为火电厂碳排放数据保真模型.将火电厂碳排放数据保真模型分为物理层、虚拟层及应用层3个层次.物理层由火电厂及碳排放数据中心组成,旨在多机构间建立信任联盟.火电厂侧部署的连续排放监测系统(c o n t i n u o u s e m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m,简称C E M S)承担数据采集任务,其将感知的碳排放数据 烟气流速、C O2浓度、湿度等参数打包传至区块链平台.碳排放数据中心承担C E M S的准入监管工作,只有通过身份认证的C E M S才能上传数据至区块链平台,且使用对应火电厂节点密钥.准入监管与密钥技术保障了碳排放数据的源头可信.图1 火电厂碳排放数据保真模型34第4期文亚凤,等:具有双链结构的火电厂碳排放数据保真区块链架构表1展示了不同区块链模式的优劣对比.碳排放数据保真需碳排放数据中心与众多火电厂共同参与,要求碳排放数据高效交互且不被篡改,因此模型需有较好的去中心化、较高的性能及安全性.比较公有链、联盟链、私有链的优劣势1 7-1 8后,虚拟层选择使用联盟链搭建区块链平台.区块链平台中,每个火电厂及每个碳排放数据中心均有自己的对应节点.C EM S上传碳排放数据前应通过私钥进行数字签名,便于数据追本溯源.表1 不同区块链模式的优劣对比模式属性性能去中心化安全性公有链低好高联盟链较高较好较高私有链高差低 应用层包括基准线值划定、碳排放余额交易、碳减排指导服务,这些应用的顺利开展均离不开区块链平台存储的高精度火电厂碳排放数据.以碳价格5 0元t-1为例,未来火电厂发电碳成本不容小视.随着碳交易的推广试点,碳排放数据中心面向发电公司提供的碳减排指导服务将变得至关重要1 9.2 通信链-存储链双链结构基准线值划定、碳排放余额交易、碳减排指导服务3类应用涉及碳排放数据中心与火电厂,其顺利开展离不开碳排放数据的高效交互.针对火电厂碳排放数据交互场景,该文提出通信链-存储链的双链结构,以提升碳排放数据的交互效率.如