能源区块链的跨链服务安全技术研究进展

摘要

在"双碳"战略指引下，推动能源产业实现数字化转型已成为不可阻挡的趋势。随着区块链技术在能源行业中的应用与发展以及相关研究的深入推进，在这一领域逐渐形成了共识——它是区块链与能源互联网深度融合所形成的产业新形态。该形态不仅能够助力能源主体之间的高效协作，并且为绿色低碳等创新业务模式提供了技术支持与服务保障。实现其规模化发展则需要依赖多层次跨链技术体系的持续突破与创新；而这种技术不仅能够提供更为可靠的技术支持与服务保障。
然而，在这一过程中仍面临诸多挑战与困难；这些障碍不仅制约了当前业务模式的发展质量。

本文主要按照能源区块链领域的发展脉络将其划分为五个维度：包括能源区块链架构体系、智能合约在该领域的创新应用、跨链技术的支持作用以及相应的节点管理机制和隐私保护措施。从这五个关键维度出发进行系统性梳理，在深入探讨其理论基础与实践应用的基础上分析各自的优势及其面临的局限性。重点从理论创新性与实际应用效果两个层面展开分析，并在此基础上构建了一种以监管协调为核心要素的多层级跨链服务安全体系。最后对当前技术发展中的共性问题进行了归纳总结，并对未来可能的研究方向进行了展望。

内容简介

对目前能源区块链领域的研究现状进行分类归纳，并按照以下五个主要方向分别展开分析：1）可再生能源供应链管理；2）智能合约在能源交易中的应用；3）绿色能源市场设计；4）智能电网与能源共享平台的区块链构建；5）环境影响评估与碳交易机制的区块链支持。针对每一类问题，在深入分析现有研究的基础上，系统阐述各方案的工作原理、优缺点，并对其技术特点进行深入分析。

推动能源区块链在跨链服务安全技术方面实现演进，在分析能源区块链现实需求的基础上，结合监管机制与共识机制构建多层次跨链协同监管架构。

总结能源区块链跨链服务安全技术中存在的主要问题，并对未来区块链在能源领域的技术发展进行研究展望。

亮点图文

本文从研究角度分析了相关综述文献与本文的主要区别，如表1所示.

本文系统性地梳理了近五年来区块链技术在能源领域的相关研究进展，并重点关注于电力行业及网络安全行业的学术期刊与会议论文等资源。文章就这五个方面展开了调研分析：
1）能源领域的交易架构设计；
2）智能合约的应用场景涵盖：电力交易优化、电网规划配置、可再生能源接入消纳、电价制定以及能源数据共享等多个维度；
3）跨链技术及其应用探索；
4）节点安全管理和权限管理机制；
5）隐私保护措施包括数据隐私保护与智能合约隐私保护两方面内容。
此外，在推动能量级块状 chain 服务安全化的背景下，
本文构建了一个多层次跨链协同监管框架用于实现能网级块状 chain 服务的安全化发展，
并深入探讨当前技术创新面临的关键挑战，
为后续深入研究提供了理论支持和实践指导方向。

1. 基础知识

目前主流的跨链技术及其代表项目如表2所示.

公证人机制在区块链系统中扮演着核心角色。其主要功能是通过信任的第三方作为过渡桥梁来确认并传递双方的跨链信息。该机制的优势在于能够适应多种区块链架构的特点；然而该方案也面临着集中化风险等潜在问题。

在侧链中继机制中, 侧链是一种具备完整链条功能的区块链网络, 其能够实时接收主链动态并作出相应反应. 中继链条由侧链与公证机制协同运作, 其主要职责是接收并处理跨越不同区块链的消息, 并将其转发至目标平台.

3）哈希时间锁定机制属于闪电网络中提出的资产原子交换技术，在规定时间内通过哈希值的原始数据完成资产交换功能；然而该技术仅能实现资产交换而不具备信息传递能力因此其适用范围较为有限

该技术通过执行一系列操作流程来完成对分布式私钥的管理，并将加密货币资产固定在基于区块链协议的内置资产模板链上，并利用智能合约机制释放这些 assets 以生成新的 encrypted asset 类型。

其中国网 chain 国内能源区块链服务领域的领军平台通过创新性地提出 '一主两侧多从' 的体系架构实现了对行业技术标准的引领作用 如图 1 所示 国网 chain 包含主链 数据侧链 交易侧链 网省从链以及堆栈从链五个核心模块 到目前为止该平台已在国网北京 青海 辽宁等多省电力公司完成了实际应用部署 覆盖共享储能管理与电力交易等多个实际应用场景累计处理超过一亿条相关数据

2. 能源区块链的研究现状

该领域的相关研究已在国内外取得诸多成果. 依据不同类型的能源交易场景, 该领域可被划分为单一场景架构与多场景架构两种类型.

在单场交易场景下，Yan团队开发并实现了基于微电网平台的区块链架构模型，并且该系统设计能够有效实现碳配额和权值之间的平衡计算，在确保系统高效运行的同时兼顾用户的实际需求和系统的经济性

具体流程如图2所示：①系统将交易数据传递至市场清算智能合约；②市场清算智能合约向配电系统操作员发出相关交易数据；③配电系统操作员完成市场清算，并将结算结果反馈至市场清算智能合约；④结算结果随后被传输至微电网；⑤结算结果随后被传输至交易确认智能合约；最后, 该系统对每个微电网进行付款核对和结算分配。

在多个领域中进行研究的学者也有所涉猎。针对多能源交易问题，在图3所示的实时P2P架构中,Deng团队提出了一个电力与热力分配市场。

然而目前针对多场景能源交易区块链的研究已有一定成果但现有多链架构在考虑跨平台、跨区域以及跨业务的多层次跨链服务方面存在明显不足同时在跨链监管和共识机制方面也显得不够完善表3较为系统地总结了基于区块链技术的能源交易架构研究现状

能源区块链智能合约应用主要采用智能合约达成能源场景中各实体间的交互协作。一般仅关注单一区块链场景,较少涉及多链场景,在跨链部署和计算方面存在不足。表4简要总结了相关研究现状

该研究团队开发了一种基于异构能源区块链的跨链方案，在实现过程中巧妙地应用了中继技术来连接主链与侧链之间的信息流。其中系统架构已在图7中详细展示。然而，在网络安全性和智能合约计算等方面仍存在诸多未解决的问题。

能源交易区块链领域中的跨链技术主要采用中间层平台或辅助链条作为支撑架构。在涉及跨链信息准入、信息安全传输、合约部署以及计算安全性等方面的问题上，则未给予充分重视。表5则概括性地概述了国内外能源区块链领域的相关研究现状。

研究团队开发出一种基于区块链技术基础的新系统架构，该系统的核心模块如图8所示。

Li等人开发出了一款名为fabric-IoT的物联网访问控制系统。该系统架构于Hyperledger Fabric区块链框架及基于属性的行为控制机制（ABAC）。整合了三类智能合约方案：设备合约、策略合约为系统管理者提供了配置与执行ABAC策略的能力；而访问合约为实现普通用户权限管理功能承担着核心角色。通过融合ABAC行为控制机制与区块链技术基础，在 fabric-IoT平台上实现了异构环境下的去中心化、细粒度且动态的安全权限管理功能。系统的总体架构图见图9

目前能源交易区块链领域的行为审查研究才处于起步阶段，在跨链场景下的节点行为管理方面仍存在不足，并且在数据隐私保护方面也尚未取得显著进展。表6系统地梳理了国内外能源区块链节点管理技术的研究进展与发展趋势。

该研究团队开发出一种整合物联网、边缘计算与区块链的新方案. 该方案通过充分借鉴当前最前沿的技术成果, 包括边缘计算、区块链技术和差分隐私原理, 来构建一个高效的协同创新平台. 其中所设计的隐私保护方案如图11所示.

表7简要总结了国内外能源区块链隐私保护技术研究现状.

3. 能源区块链的跨链架构

图13展示了本文所提出的基于多层次跨链协同监管机制的能源区块链架构设计。相较于现行政治链"一主两侧多从"架构模式,本文提出的该架构由一条主链线路与多条侧链线路组成,并覆盖跨平台或跨区域业务领域,为能源生产者、储备输送商、运营商、消费用户以及监管机构等多方主体提供协同信任环境。该系统不仅能够实现现有能源交易市场间的共享安全机制,还能支持不同区域间以及不同业务领域的多方协同监管机制整合,全面保障参与方身份信息及交易过程的安全性与透明度。通过整合全网多层次共识机制,实现了对参与方身份信息及交易全过程的有效监控和管理

关键问题与发展方向

基于当前电力行业和网络安全领域的优秀期刊及会议论文统计可知,已有较多研究关注 blockchain 技术在能用领域中的应用。然而,大多数研究集中于 blockchain 技术和智能合约在能用领域的实现,尽管少部分文献探讨了这一过程中的能用数据隐私及合约计算隐私问题。然而为了满足多平台间的数据互通及区域协同需求,需要引入 cross-chain technology to enhance energy blockchain services.随着 cross-chain technology 的引入,energy blockchain 系统的安全性和有效性要求显著提升,但现有相关研究仍较为薄弱。探索共识机制仍具重要意义。

为实现能源行业的数字化转型目标，并推动相关项目的顺利落地实施，
能源区块链系统必须具备可追溯性、稳定性强以及安全性高的特性。
本节将深入探讨能源区块链跨链服务的安全技术挑战及其未来发展趋势。

1） 安全高效的能源区块链跨链技术研究

2） 安全动态的跨链节点管控技术研究

3） 安全轻量的跨链数据及合约隐私保护技术研究

4） 安全适配的能源区块链共识算法研究

总结

在能源行业数字化转型不断深化的背景下