CN108667931A - 基于gps/北斗定位的自组织区块链网络 - Google Patents

Abstract

本发明是基于GPS/北斗定位的自组织区块链网络，用于点对点的能源管理与设备监测。区块终端安装在用户的采集接口上，初始化后成为一个节点，各节点的地理位置和区块ID通过无线信号上传服务器。多个节点按照地理位置接近的原则组成私有链，链内各节点定期采集用户的能源生产/消耗数据，负责分布记账和形成共识。每个私有链包含至少一个中立节点，多个私有链由中立节点连接起来，组成跨地区和全球的公有链。本发明实现电网的平衡供需与去中心自治，为组建点对点的能源交易网络奠定基础。分布式能源社区是本发明的一个重要的实施例，解决分布式能源并网和监测的难题。

Description

基于GPS/北斗定位的自组织区块链网络

(一)技术领域

本发明是基于GPS/北斗定位的自组织区块链网络，用于点对点的能源管理与设备监测。本发明以硬件模块定义区块，每个硬件对应一个节点，安装在用户的采集接口上，多个节点按照地理位置接近的原则组成私有链。私有链的节点分为供给节点、需求节点、中立节点三种类型，各节点定期采集用户的能源报表数据，负责分布记账和形成共识。多个私有链由中立节点相互关联形成公有链，建立更大范围的区块链网络，为组建点对点的能源交易网络奠定基础。

(二)背景技术

随着风能、太阳能等分布式能源技术的发展，电力来源日益多元化，接入越来越多的分布式能源和实现点对点供电，成为电网面临的一大挑战。分布式能源系统的生产是典型的无中心、多节点状况，发电量和输出波动较大，难以套用现有管理模式。另一方面，分布式能源强调就地消化，希望在小范围内自发自用，避免远距离配送。根据地理位置把供给节点与需求节点组成网络，就近实现电力消费，可降低对电网的干扰，减轻电网的运营压力。

区块链是多个记录着各种信息的区块连接起来组成的一个链条，每个区块代表一个节点，记载着权属、时间、账单等信息，由于账本分布在每个节点中，且修改需要标记时间戳，要非法变更这么多账本，成功的概率极低。由此可见，区块链是一种不可更改的分布式数据库，数据单独放在每个节点中，且存储的信息是一致的，少量损坏不会导致信息丢失，去中心化机制取消了认证中心的背书，由各节点的分布式账本确认数据的真实性。

区块链与能源的结合是目前的技术难点，电网应用还没有成功的实例。首先计算能力不足，多节点共同记账效率低下，无法承担高频交易。其次电气设计要求供电点靠近负荷中心，尽量减少传输损耗，点对点网络必须遵循就近原则，区块链的海量节点是全球性的，无法精细划分，能源网络有名无实，无法自组织形成有效的地区网络。

风能、太阳能等绿色能源与燃煤电力不同，绿色能源可以转换为碳配额，出售给碳排放机构，要求电网为不同来源的电力标记属性。区块链的节点ID是二进制编码，很容易标记属性，实现快速的碳配额转换与交易。去中心化的机制确保了记账的准确性，有效消除电网与供给节点的记录偏差，达成生产量与消费量的共识。

注意到上述问题，本发明提出一种基于地理位置的自组织区块链网络，每个节点安装一个区块终端，通过无线信号与服务器建立无线连接。每个区块终端都预先写入ID编码，不可修改。区块终端初始化时，地理位置和区块ID都通过无线信号上传服务器，服务器根据各节点的地理位置，依据设定的地域范围或地理距离组织私有链。每个私有链包含地域接近的多个节点，只在这个私有链内分布记账和形成共识，减少计算能力需求。各地区会形成多个私有链，这些私有链由中立节点相互关联形成公有链，电网公司和监控部门都是典型的中立节点。公有链的记账与共识由中立节点实现，私有链无须重复记账，不再需要海量节点同步，大大减少计算能力需求。本发明能够解决分布式能源并网和监测的难题，提高区块间的交易效率，是区块链技术在电网中的创新应用，显著提高电网的管理水平。

(三)发明内容

现有的区块链技术中，节点是全球分布，没有基于地理位置组织的需要。能源供需网络都是地区性的，理论上说，每个地区供需基本平衡，尽量减少能源的远距离配送，是最合理的网络。要实现区域网络的自组织，需要各节点自动识别地理位置，连接服务器在后台做位置配对。配对规则是地域接近，一定范围的节点组成一个区域网络，所有的节点分属不同的区域网络。

本发明设计了一种定期读写数据的区块终端，该终端包含处理器、采集器、GPS/北斗模块、存储器与无线模块。每个区块终端都预先写入ID，代表唯一的身份码。ID是32/64位二进制编码，例如互联网的 IPv4协议地址编码为32位，总地址数约43亿个。ID分为供给节点、需求节点、中立节点三类，以区分不同功能的节点。安装区块终端前需要确认身份，保证ID与用户功能符合。GPS/北斗模组确认节点的地理位置，精度越高越好。采集器定期收集数字电表的数据，处理器按照设定程序处理数据，生成能源报表并定期上传服务器，同时定期接收服务器的下行数据。

区块终端的用户可以是发电方，如燃煤电站、光伏屋顶、发电机，也可以是用电方，如商户与工厂。区块终端安装在用户的采集接口上，初始化后成为一个节点。各节点的地理位置和区块ID通过无线信号上传服务器，服务器把所有ID标记在电子地图上，然后依据设定的地域范围或地理距离，自动把合格的节点链接成一个网络，形成一个区域性的私有链。符合设定规则的节点加入这个私有链，超出范围的节点加入临近的私有链，确保所有节点都归属于某个私有链。

私有链形成后，各节点通过无线模块，定期向服务器上传区块终端收集的能源报表数据。服务器存储各节点的数据，定期以无线信号发送下行数据到各节点，记录在各节点的账本上，形成分布式数据库。每个节点都要记录私有链内所有节点的报表数据，每次记账都要标记时间戳，这些分布式数据保持一致，带有时间点记录，确保记账的准确与不可修改。基于地理位置的私有链实现了自组织，节点增减可自动调整，链规模可合理控制，解决了节点过多的难题，避免无效记账，提高交易效率，有利于区块链在能源管理方面的实用。

形成多个私有链后，还需要把多个私有链连接起来，组成跨地区和全球的区块链网络。本发明引入中立节点来完成公有链组织，每个私有链包含至少一个中立节点，该节点不参与电力生产和消费，只负责记账和共识。电网公司和监控部门是典型的中立节点，实时监控电网运行，定期记录各节点的发电量与用电量，且设定该节点的权重高，正常状态以中立节点的账本为准，链内其他节点的账本用于数据复核。中立节点组成的网络成为跨地区和全球的分布式数据库，独立完成记账与共识，不需要私有链内其他节点参与。中立节点是功能强大的计算设备，能够满足公有链的算力要求。

(四)有益效果

本发明是一种基于地理位置的自组织区块链网络，每个节点安装一个区块终端，服务器会根据各节点的地理位置，依据设定的地域范围或地理距离组织一个私有链，多个私有链由中立节点相互关联形成公有链，组成跨地区和全球的区块链网络。本发明实现电网的平衡供需与去中心自治，为组建点对点的能源交易网络奠定基础。分布式能源社区是本发明的一个重要的实施例，解决分布式能源并网和监测的难题，提高区块间的交易效率，大大提高电网管理水平。

(五)附图说明

以下结合附图对本发明加以说明，图1是本发明的区块终端的构成图，图2是本发明的私有链的系统示意图和能源社区实施例，图3是多个私有链组成公有链的系统示意图。

图1说明了区块终端的构成与功能，硬件由处理器1、采集器2、GPS/北斗模组3、存储器4与无线模块5组成。每个区块终端都预先写入ID，代表唯一的身份码。ID是32/64位二进制编码，分别对应供给节点、需求节点、中立节点三类，以区分不同功能的节点。GPS/北斗模组3确认节点的地理位置，精度越高越好。采集器2记录数字电表的数据，处理器1按照设定程序处理数据，生成能源报表。无线模块5负责与服务器做无线通讯，定期把报表数据上传服务器，同时定期接收服务器的下行数据。

图2说明了私有链是如何形成和工作的。私有链由供给节点6、需求节点7、中立节点8组成，各节点与服务器9建立双向无线连接。区块终端器安装在用户的采集接口上，初始化时，地理位置和区块ID 通过无线信号上传服务器9。服务器9把所有ID的标记在电子地图上，然后依据设定的地域范围或地理距离，自动把合格的节点链接成一个网络，形成一个区域性的私有链。符合设定规则的节点加入这个私有链，超出范围的节点加入临近的私有链，确保所有节点都归属于某个私有链。

私有链形成后，各节点定期向服务器9上传能源报表数据，服务器定期以无线信号发送下行数据到各节点，记录在各节点的账本上，形成分布式数据库。每个节点都要记录私有链内所有节点的报表数据，每次记账都要标记时间戳，这些分布式数据保持一致，带有时间点记录，确保记账的准确与不可修改。

图2是还是分布式能源社区的一个实施例，供给节点6对应太阳能屋顶，是电力生产者，需求节点7 对应商户与工厂，是电力消费者，中立节点8对应电网公司，负责实时记录太阳能屋顶的发电量与用户的用电量。在这个私有链社区中，太阳能屋顶的电力可以直接供给用户使用，实现点对点的供需匹配，社区的发电量尽量内部消化，避免远距离配送。另外，各节点地理位置接近意味着光照条件一致，发电量曲线应该基本一致，如果某个供给节点的能源数据出现大的偏差，表示该太阳能屋顶很可能有故障，从而发出预警，方便用户及时检修。

图3说明了多个私有链如何组成跨地区和全球的公有链，多个节点形成区域性的私有链10，每个私有链10包含至少一个中立节点8，中立节点8互相链接，组成跨地区和全球的公有链。中立节点不参与电力生产和消费，只负责分布记账和形成共识。电网公司和监控部门是典型的中立节点，定期记录各节点的发电量与用电量，且设定该节点的权重高，正常状态以中立节点的账本为准，链内其他节点的账本用于数据复核。跨地区和全球的公有链的记账与共识由中立节点实现，私有链无须重复记账，不再需要海量节点同步，大大减少计算能力需求。

Claims (5)

1.一种基于GPS/北斗定位的自组织区块链网络，由区块终端和服务器构成，区块终端安装在用户的采集接口上，初始化后成为一个节点，其特征是：

区块终端都预先写入ID，ID是32/64位二进制编码，分别对应供给节点、需求节点、中立节点三类，以区分不同功能的节点，安装前需要确认身份，保证ID与用户功能符合；

区块终端包含处理器、采集器、GPS/北斗模块、存储器与无线模块，功能是确认节点的地理位置，定期采集数据并定期上传服务器，同时定期接收服务器的下行数据；

各节点的地理位置和区块ID通过无线信号上传服务器，服务器把所有ID标记在电子地图上，然后依据设定的地域范围或地理距离，自动把合格的节点链接成一个网络，形成一个区域性的私有链，服务器定期发送下行数据到各节点，记录在各节点的账本上，形成分布式数据库；

每个私有链包含至少一个中立节点，中立节点互相链接，组成跨地区和全球的公有链，公有链的记账与共识由中立节点实现，私有链无须重复记账。

2.根据权利要求1所述的自组织区块链网络，其特征是区块终端中，GPS/北斗模组确认节点的地理位置，采集器记录数字电表的数据，处理器按照设定程序处理数据，生成能源报表，无线模块负责与服务器做无线通讯。

3.根据权利要求1所述的自组织区块链网络，其特征是私有链由供给节点、需求节点、中立节点组成，服务器依据设定的地域范围或地理距离，自动形成区域性的私有链，符合设定规则的节点加入这个私有链，超出范围的节点加入临近的私有链，确保所有节点都归属于某个私有链。

4.根据权利要求1所述的自组织区块链网络，其特征是各节点定期向服务器上传能源报表数据，服务器定期发送下行数据到各节点，记录在各节点的账本上，形成分布式数据库，每个节点都要记录私有链内所有节点的报表数据，每次记账都要标记时间戳。

5.根据权利要求1所述的自组织区块链网络，其特征是每个私有链包含至少一个中立节点，中立节点不参与电力生产和消费，只负责分布记账和形成共识。