一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统的制作方法

1.本发明涉及区块链技术领域，更具体的，涉及一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统。


背景技术：

2.在智慧能源发展中，以微电网和主动配电网为物理载体的多能源交易主体，承担着加快运营效率、提高绿色低碳化水平和优化资源配置的多重任务。在智慧能源建设中，涉及到多种能源数据共享、业务协同处理以及资产互换等场景。为了解决目前中心化机构高成本、低效率以及数据库存储不安全等问题，一些研究人员尝试使用“区块链+微电网”的应用模式，建立去中心化的应用网络。
3.但是现有区块链技术在单链架构下本身存在性能不足的问题，共识机制在低信任网络中达成共识十分耗时，若考虑节点作恶处理的复杂性会更高，因此很多情况下，单节点的性能无法满足智慧能源微网数据共享、业务协同以及资产交易等业务场景对系统业务处理吞吐量、时效性和通信压力的需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统，有效满足了微网数据交互和业务协同处理过程中的数据存储量、吞吐量、实时性要求。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供的具体技术方案如下：一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统，包括：应用服务器、至少一个微网节点、多条能源主链，微网节点与多条能源主链构成联盟链，每条能源主链分别对应至少一条按照业务应用生成的侧链；所述应用服务器，用于基于所述微网节点发送的能源需求以及各个能源主链发送的系统数据生成智能调控指令，并将所述智能调控指令发送到目标侧链；所述目标侧链向对应的能源主链发送交易指令，该能源主链对所述交易指令进行解析，得到至少包括发送者标识与接收者标识的交易列表，利用所述目标侧链注册时提供的验证规则执行交易验证；若所述目标侧链与接收者所在侧链对应同一条能源主链，所述目标侧链对应的能源主链在交易验证通过后，将携带有所述交易列表的交易请求发送到接收者所在侧链，接收者所在侧链对所述交易请求进行简单支付验证，并在简单支付验证通过后执行交易操作；若所述目标侧链与接收者所在侧链对应不同能源主链，所述目标侧链对应的能源主链在交易验证通过后，将携带有所述交易列表的交易请求发送到接收者所在能源主链，接收者所在能源主链在对所述交易请求验证通过的情况下，将所述交易请求转发到接收者所在侧链，接收者所在侧链对所述交易请求进行简单支付验证，并在简单支付验证通过后执行交易操作。
6.可选的，每条能源主链分别维护一个交易池；所述目标侧链对应的能源主链在接收到所述目标侧链发送的携带有交易哈希值的交易指令之后，利用交易池对所述交易指令进行去重处理，若交易池中存在与所述交易哈希值相同的交易，则不做处理，若交易池中不存在与所述交易哈希值相同的交易，则对所述交易指令进行解析，得到至少包括发送者标识与接收者标识的交易列表。
7.可选的，侧链上部署有数字网关，侧链通过数字网关与对应能源主链进行通信；所述数字网关监听所在侧链的交易指令，按照侧链注册时的通信协议将侧链的交易签名与交易打包发送到对应的能源主链。
8.可选的，所述系统还包括能源主链之间的跨链路由器，所述目标侧链对应的能源主链通过跨链路由完成与接收者所在能源主链的跨链数据交互。
9.可选的，接收者所在侧链在交易完成后，通过对应的数字网关将交易完成信息反馈给接收者所在能源主链；接收者所在能源主链通过跨链路由将所述交易完成信息转发到所述目标侧链对应的能源主链；所述目标侧链对应的能源主链通过数字网关将所述交易完成信息转发到所述目标侧链。
10.可选的，所述应用服务器，还用于在接收到待加入能源主链节点发送的注册申请的情况下，对能源主链节点的申请信息进行验证，若验证通过，将能源主链节点的申请信息对已加入联盟链的能源主链节点进行广播；能源主链节点对所述待加入能源主链节点进行评估，得到对所述待加入能源主链节点的评分；所述应用服务器获取每个能源主链节点对所述待加入能源主链节点的评分，在评分大于阈值的比例大于预设比例的情况下，确定所述待加入能源主链节点通过注册申请，生成所述待加入能源主链节点的节点标识，并对已加入联盟链的能源主链节点进行广播所述待加入能源主链节点的节点信息和网络信息，使已加入联盟链的能源主链节点更新网络信息表；可选的，待加入侧链节点生成一对公私钥，并将包括公钥、私钥加密的数字签名、通信协议、共识策略以及验证规则的注册信息通过数字网关发送到对应的能源主链；能源主链将所述注册信息通过跨链路由转发到所述应用服务器；所述应用服务器向该能源主链发送注册审核指令；能源主链对所述注册信息进行验证，若验证通过，向所述应用服务器反馈同意注册信息；所述应用服务器生成所述待加入侧链节点标识，存储所述待加入侧链节点验证规则，建立所述待加入侧链节点标识与验证规则之间的映射，并对已加入联盟链的能源主链节点进行广播；能源主链接收所述应用服务器下发的侧链节点标识，并转发到所述待加入侧链节点。
11.可选的，所述应用服务器，用于在接收到微网节点发送的能源需求后，基于发起需求的微网节点的成本参数以及售电或售气所得收益，以运行成本最小为优化目标生成所述
智能调控指令，发起需求的微网节点的成本参数包括：所缺功率与联盟链中的其他微网节点的能量交互成本，发起需求的微网节点的运行成本以及发起需求的微网节点的购电、购气、购水成本。
12.可选的，所述应用服务器，用于在接收到微网节点发送的能源需求后，基于发起需求的微网节点中所有负载对应的负荷需求以及为满足该微网节点正常运转系统所有输入功率，以能源利用率最大为优化目标，以电气平衡约束、传输容量约束、功率变化约束、能量交互潮流约束为约束条件，生成所述智能调控指令。
13.可选的，所述应用服务器将所述智能调控指令通过跨链路由发送到相应的能源主链，该能源主链通过数字网关将所述智能调控指令转发到所述目标侧链。
14.相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明公开的一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统，建立了“主-侧”链为核心的联盟链式结构，以能源主链为基础，按照业务应用生成至少一条侧链，能源主链用于实现跨链交易的可靠性验证，不存储具体跨链交易数据，对能源主链的存储能力和算例要求比常规存储数据型区块链低，侧链则用于执行具体跨链交易，有效降低了能源主链的存储压力，间接扩大了系统存储容量。因此，本发明有效满足了微网数据交互和业务协同处理过程中的数据存储量、吞吐量、实时性要求。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例公开的一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统的结构示意图；图2为本发明实施例公开的另一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统的结构示意图；图3为本发明实施例公开的交易列表示意图；图4为本发明实施例公开的侧链注册流程示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.发明人经过研究发现：目前联盟链跨多个行业时形成强大链群环境，对联盟链中所有节点都提出同等的需要，每个节点都需要完成交易的记录和转发，还需要做复杂的验证，对节点的性能要求很高，因此很多情况下，单节点的性能无法满足智慧能源微网数据共享、业务协同以及资产交易等业务场景对系统业务处理吞吐量、时效性和通信压力的需求。
19.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于侧链技术的智慧能源多微网系
统，包括：应用服务器、至少一个微网节点、多条能源主链，微网节点与多条能源主链构成联盟链，每条能源主链分别对应至少一条按照业务应用生成的侧链。
20.微电网（micro-grid，microgrid），简称微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。在本实施例中，微网通过微网节点与联盟链中的其他能源主链进行交互。
21.图1示出了一种可选的智能能源多微网系统，微网节点、能源主链a、能源主链b和能源主链c构成联盟链，每条能源主链分别对应一条侧链，其中，能源主链a、能源主链b和能源主链c仅为举例，能源主链可以为电力主链、天然气主链、供水主链等，本发明不对能源主链的数量进行具体限定，也不对能源主链对应的侧链数量进行具体限定。
22.能源主链与侧链可以根据业务层级划分，如能源主链为市级电力系统，则以电力主链为基础，按照业务应用可以生成相应的各个区级电力系统对应的侧链。侧链通过插件的形式部署在业务系统中，可以灵活的注册到主链，也可以灵活退出，原有业务系统不需要大量的改造工作，仅提供相关接口即可，即业务系统提供与侧链之间的接口，减少了侧链开发和硬件升级的时间和成本。
23.在应用中，应用服务器用于实现智慧能源多微网系统内的能源智能调控，具体的，基于微网节点发送的能源需求以及各个能源主链发送的系统数据生成智能调控指令，并将智能调控指令发送到目标侧链。其中，针对微网运行的特点设置为运行成本最小和能源利用率最大两种模式，微网节点在发送能源需求时，需要选择两种模式中的一种作为需求供给条件。
24.若选择运行成本最小模式，应用服务器用于在接收到微网节点发送的能源需求后，基于发起需求的微网节点的成本参数以及售电或售气所得收益，以运行成本最小为优化目标生成智能调控指令，发起需求的微网节点的成本参数包括：所缺功率与联盟链中的其他微网节点的能量交互成本，发起需求的微网节点的运行成本以及发起需求的微网节点的购电、购气、购水成本。运行成本最小方程min c =min(f1+f2+f3-f0)，其中f1为发起需求的微网节点所缺功率与联盟链中的其他微网的能量交互成本，f2为发起需求的微网的运行成本，f3为发起需求的微网的购电、购气、购水成本，f0为发起需求的微网的售电或售气所得收益。
25.若选择能源利用率最大模式，应用服务器，用于在接收到微网节点发送的能源需求后，基于发起需求的微网节点中所有负载对应的负荷需求以及为满足该微网节点正常运转系统所有输入功率，以能源利用率最大为优化目标，以电气平衡约束、传输容量约束、功率变化约束、能量交互潮流约束为约束条件，生成所述智能调控指令。能源利用率最大方程：max f =∑l /∑p ，其中l 为微网节点中所有负载对应的负荷需求，p 为满足微网节点正常运转系统所有输入功率。
26.进一步，若微网中有储能装置，在能量转化时需添加修正方程，对上述运行成本最小方程以及能源利用率最大方程进行修正。
27.目标侧链在接收到应用服务器发送的智能调控指令之后，向对应的能源主链发送交易指令，该能源主链对交易指令进行解析，得到至少包括发送者标识与接收者标识的交易列表，利用目标侧链注册时提供的验证规则执行交易验证。
28.若目标侧链与接收者所在侧链对应同一条能源主链，目标测试对应的能源主链在交易验证通过后，将携带有交易列表的交易请求发送到接收者所在侧链，接收者所在侧链对交易请求进行简单支付验证，并在简单支付验证通过后执行交易操作。
29.若目标侧链与接收者所在侧链对应不同能源主链，目标侧链对应的能源主链在交易验证通过后，将携带有交易列表的交易请求发送到接收者所在能源主链，接收者所在能源主链在对交易请求验证通过的情况下，将交易请求转发到接收者所在侧链，接收者所在侧链对交易请求进行简单支付验证，并在简单支付验证通过后执行交易操作。其中，优选的，对交易请求的验证包括：对发送者所在能源主链进行身份验证以及对跨链交易进行可靠性验证。
30.其中，简单支付验证（simplified payment verification，spv）是一种无须维护完整的区块链信息，只需要保存所有的区块头部信息即可进行支付验证的技术。该技术可以大大节省区块链支付验证用户的存储空间，减轻用户存储负担，降低区块链未来交易量剧增而给用户带来的压力。
31.可见，基于本实施例公开的基于侧链技术的智慧能源多微网系统，在实现跨链交易时能源主链用于实现跨链交易的可靠性验证，不存储具体跨链交易数据，对能源主链的存储能力和算例要求比常规存储数据型区块链低，侧链则用于执行具体跨链交易，有效降低了能源主链的存储压力，间接扩大了系统存储容量。
32.进一步，由于不同的侧链节点接入能源主链，以及不同能源主链节点接入联盟链中时，可能存在协议不兼容的情况，需要做一定的程序、接口开发，为了降低侧链节点接入能源主链以及能源主链节点接入联盟链的复杂度和难度。本实施例公开的一种基于侧链技术的智慧能源多微网系统在侧链与能源主链之间设置数字网关，并在能源主链间设置跨链路由，模拟以太网中的网关和路由功能，不做状态的判断，仅负责将数据封装为接收者能够识别的格式对封装后的数据进行转发，提高了交易处理效率，解决了协议不兼容的问题，为了降低侧链节点接入能源主链以及能源主链节点接入联盟链的复杂度和难度。
33.图2示出了一种可选的智能能源多微网系统，每条侧链分别部署有数字网关，每条能源主链分别对应一个跨链路由，以侧链e1对应的业务应用向电力主链发送交易指令，实现跨链交易为例，以下通过一个具体示例对跨链交易的过程进行详细说明：应用服务器将智能调控指令通过跨链路由发送到相应的能源主链，该能源主链通过数字网关将智能调控指令转发到目标侧链e1。
34.目标侧链e1向电力主链发送交易指令，需要说明的是，数据共享需求也以交易指令的形式发出，该交易指令包括发送者id、接收者id、跨链交易需要调用的跨链交易函数verification和跨链交易函数所需的核心参数parameter。
35.部署在电力侧链e1上的数字网关动态监听侧链e1的交易指令事件，获取侧链e1的交易签名及交易之后按照侧链e1注册时的通信协议将交易签名及交易打包发送到电力主链。此时，数字网关作为client端，电力主链作为server端注意，此处client-server所遵循的通讯协议由侧链注册申请时约定好，且实际中会存在多种形式。
36.每条能源主链分别维护一个交易池，每笔交易都对应一个交易哈希值，电力主链接收到交易指令后，先将该交易指令携带的交易哈希值与交易池信息进行比对，若为重复信息，则不处理，若为非重复信息，则按照预先设置的协议，进行数据解析，提取发送者id和
跨链交易函数verification函数，然后通过发送者id，获取该应用侧链在注册时提供的验证规则，与跨链交易函数verification比对，若一致，则加载验证规则脚本，执行交易可靠性验证。
37.当验证通过时，依据协议解析获取的数据，得到如图3所示的交易列表，生成merkle树，然后由电力主链发送到接收者，接收者可以为电力主链对应的其他侧链，也可以为其他能源主链对应的侧链。
38.若目标侧链e1与接收者所在侧链对应同一条能源主链，电力主链直接将携带有merkle树形式的交易列表的交易请求通过数字网关发送到接收者所在侧链，接收者所在侧链对交易请求进行简单支付验证，并在简单支付验证通过后执行交易操作，在交易完成后，以相反链路方式反馈给发送者所在侧链。
39.若目标侧链e1与接收者所在侧链对应不同能源主链，即需要发送到其他能源主链，电力主链在发送携带有merkle树形式的交易列表的交易请求时，还需要将自身的签名及可验证数据结构一起发送给接收者所在能源主链，接收者所在能源主链在验证电力主链通过后，再进一步按照验证规则验证跨链交易的可靠性，验证通过，再转发给接收者所在侧链。接收者所在侧链对交易请求进行简单spv验证，验证通过后执行交易操作，在交易完成后，以相反链路方式反馈给发送者所在侧链。
40.关于交易或者数据共享的解析，涉及到算法的内容，本实施例中给出了基本的参数，包括发送者id、发送者主链id、接收者id、接收者主链id、解析函数核心参数param以及按照协议生成的交易内容代码。通过简单的定义交易或共享的协议内容，形成标准化的数据接口和系统报文，对于解决异构应用系统数据交互、降低交互难度有积极的作用。
41.可见，本实施例中设置了以插件形式部署数字网关和跨链路由，提升了系统部署的灵活性，降低了业务应用系统加入联盟链的难度，而且数字网关和跨链路由不判断交易或者数据共享是否成功，只负责数据的转发，提高了交易效率；能源主链只负责存储交易哈希值，不存储交易的具体内容，大大降低了能源主链的存储和计算压力。
42.进一步，侧链加入能源主链以及能源主链加入联盟链需要进行侧链节点注册以及能源主链节点注册，具体的，可以通过智能合约实现侧链节点注册以及能源主链节点注册。
43.能源主链节点注册：能源主链节点需要加入联盟链时，需要向应用服务器提出注册申请node registration(id, pk, side chain, time)，包含能源主链节点管理员服务器的设备信息id、公钥，侧链节点和网络情况以及时间戳信息，应用服务器先验证，用pk解密获得能源主链管理员服务器的设备信息以及侧链情况，验证能源主链管理员服务器的设备信息，信息一致时，应用服务器将申请加入联盟的能源主链节点信息对已加入联盟链的节点进行广播，已加入联盟链的节点综合评价待加入能源主链节点的设备信息、网络信息，评估与自己网络的交互预期，进行节点评分，在评分大于阈值的比例大于预设比例的情况下，如2/3及以上的节点的评分为“良”（评分分为“优”、“良”、“中”、“差”四个等级），则应用服务器通过能源主链加入联盟链的注册申请，返回能源主链在联盟链中的节点id，同时广播新加入能源主链的节点信息和网络信息，已加入联盟链的原有节点更新存储自身的网络信息表。
44.侧链节点注册：当业务应用系统有加入平台完成数据交互或业务协同的需求时，需先完成侧链在
联盟链的注册。首先，侧链节点生成一对公私钥；第二步，侧链节点将包括公钥、加密的数字签名信息以及通信协议、共识策略、验证规则的注册信息通过数字网关与能源主链点对点交互的方式，发送给能源主链，能源主链通过跨链路由将注册信息转发给应用服务器，应用服务器从能源主链同步侧链节点信息，并将侧链的注册审核权利下发至能源主链节点，能源主链通过得到的公钥解密后，核对侧链节点的物理信息，信息核对无误，主链将“同意注册”的信息反馈至应用服务器，应用服务器生成侧链id，存储侧链节点验证规则，建立侧链id与验证规则的映射关系，并将侧链id与验证规则的映射关系广播至能源主链节点组成的联盟链网络，同时将携带侧链id的注册成功应答反馈至能源主链节点，能源主链节点转发至侧链，即完成了侧链节点注册，如图4所示。
45.综上，本发明基于侧链技术、跨链交互机制，建立满足智慧能源体系中数据交互和业务协同性能需求的多微网系统。其中主链提供跨链数据共享/业务协同的验证、共享/协调流水号记录、侧链运行状态记录等功能，重点实现跨链数据交互的可靠性验证，不存储侧链具体交互或协同数据，对于主链的存储能力和算力要求比常规的存储数据型区块链要求低；侧链通过插件形式，部署在业务系统中，原有业务系统不需要大量的改造工作，仅提供相关接口即可，减少了侧链业务系统开发和硬件升级的时间和成本，通过数字网关，完成交易或数据共享请求，处理交易或数据请求应答，对于侧链的部署以及联盟链的构建，提供了坚实的可推广性基础；数字网关负责主侧链间数据的转发，跨链路由负责跨链数据的转发，但类似于互联网协议，网关和路由仅做无状态转发，不需验证交易或协同是否成功，对于交易、共享或协同的验证由相应的主链节点完成，保证了数据转发的及时性和安全性，整个系统满足微网数据交互和业务协同需要的吞吐量和实时性要求，同时也无需购买大量的数据存储空间和算力，对于区块链技术在智慧能源微网中的应用有极大的积极作用，实现接入智慧能源系统“运行成本最小”和“能源利用率最高”两种模式能源输入策略的定制以及调控命令的下发，负责微网系统的整体策略管理。
46.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
47.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（ram）、内存、只读存储器（rom）、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
49.上述各个实施例之间可任意组合，对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各
实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。
50.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。