本文是《Blockchain for Internet of Energy management: Review, solutions, and challenges》的中文翻译，只针对文字部分做翻译，图表部分请查看原文。

能源管理互联网的区块链：回顾、解决方案和挑战

摘要
1. 引言
- 1.1 本文的贡献
- 1.2 相关综述文章的回顾
- 1.3 组织
2. 能源互联网概述
- 2.1 能源互联网介绍
- 2.2 能源互联网的问题
3. 区块链在IoE中的适用性
- 3.1 区块链的基础
- 3.2 区块链在IoE中的应用
4. 共识算法
- - 4.0.1 工作量证明（PoW）
  - 4.0.2 股权证明（PoS）
  - 4.0.3 委托股权证明（DPoS）
  - 4.0.4 实用拜占庭容错（PBFT）
  - 4.0.5 授权证明（POA）
  - 4.0.6 容量证明（PoC）
  - 4.0.7 烧毁证明（PoB）
  - 4.0.8 运气证明（POL）
- 4.1 共识算法在IoE中的适用性
5. 设计基于区块链的IoE的技术挑战和开放研究问题
6. 结论

摘要

继智能电网之后，通过整合不同形式的能源，能源互联网（IoE）已成为能源领域的一项流行技术。IoE利用互联网收集、组织、优化和管理来自不同边缘设备的网络能源信息，以开发分布式智能能源基础设施。传感器和通信技术用于收集数据，并分别预测消费者和供应商的需求和供应。然而，随着可再生能源、电动汽车（EV）、智能电网和车辆到电网（V2G）技术的发展，现有能源部门开始转向分布式和分散解决方案。此外，集中化带来的安全和隐私问题是IoE技术的另一个主要关注点。在这种背景下，区块链技术具有自动化、不变性、公共账本设施、不可逆性、去中心化、共识和安全性等特点，已在文献中被用于解决集中式IoE架构的普遍问题。通过利用智能合约，区块链技术实现了自动化数据交换、复杂能源交易、需求响应管理和对等（P2P）能源交易等。随着分布式可再生资源和智能电网网络的部署和使用，区块链将在IoE市场的发展中发挥重要作用。我们讨论了区块链在IoE领域的潜力和应用。本文基于文献研究，为终端用户提供了关于区块链技术背景下未来IoE场景的见解。最后，本文讨论了IoE技术的不同共识算法。

1. 引言

为了为基于物联网的智能家庭、智能建筑和智能城市开发完整的智能基础设施，需要一种智能配电方法。优化的电网结构、增强的安全和隐私、快速的本地能源交易、节点间的高连通性、廉价的电力、更多的分布式能源资源是实现先进能源生态系统的一些设计标准。在过去十年中，能源互联网（IoE）在许多方面彻底改变了能源市场。IoE旨在为能源公用事业开发自我管理的智能电力基础设施，以最大限度地减少能源浪费。通过集成传感器、互联网、智能电网、可再生能源、AMI和自动化技术，IoE在发电、配电和输电方面带来了一场革命。显然，智能电网、电动汽车、智能电器以及分布式能源正在改变能源生产的整体形态。此外，风能和太阳能形式的分布式能源的出现为能源生产商提供了机会，他们可以在终端用户一级自行生产和销售能源，而不是依赖传统的自上而下的能源流动，在这种流动中，集中的公用事业服务于所有电力需求。然而，分布式能源的开发可能会面临一些电网不确定性和不稳定性，如电动汽车的高使用率可能会导致高功耗负载导致电网拥堵。此外，分布式能源的增长为配电运营商带来了挑战，如电压变化、供需失衡等。
此外，IoE的普及还面临一些问题，包括可扩展性、能源存储、P2P能源交易和需求侧管理。此外，节点之间的双向能源交易和需求响应管理涉及到诸如负荷预测、价格预测和最佳能源分配等活动的消息通信。IoE边缘设备无法为这些实时能源交易提供速度、可扩展性、安全性和控制。此外，随着分布式能源的发展，供需趋势并不十分明确。在现有文献中，IoE设施由一个中央可信方管理，该方管理客户的电力负荷及其交易支付。中央运营商获得与发电、消耗相关的数据，并相应地安排电力传输。能源交易的集中管理非常耗时，存在许多安全问题，而且是单点故障。此外，由于分布式能源和电动汽车的数量不断增加，智能电网的管理很难采用集中式方法。因此，微电网、可再生能源和电动汽车使分散能源系统的出现成为可能，这需要一个可靠、可扩展和有效的交易模型。此外，我们需要更好的通信、传输和分配基础设施，以及对网络内所有运营和活动的独立管理。
由于IoE的集中化，对安全和隐私问题的需求越来越大，这加速了新兴技术的使用，如区块链，可以利用加密和智能合约提供完全分散和自主的场景。区块链的应用包括农业、医疗保健、物联网（IoT）和金融应用等各个领域。将区块链集成到IoE框架中，可以产生更安全、快速、透明、节能和低成本的运营解决方案。区块链使不同的电力公司能够在不涉及第三方的情况下交换能源并执行能源交易。交易由所有网络参与者公开存储和验证，从而实现安全的能源交易。在将记录添加到链中之前，挖矿节点将借助共识机制对其进行验证。为了在没有第三方的情况下实现信任，与能源交易相关的记录存储在网络的每个节点上，以便可以在网络上透明地验证任何交易。在区块链中，每个区块包含前一个区块的哈希，提供记录的不变性。此外，智能合约支持操作的自动处理。因此，区块链具有所有固有的特性，使其适合解决IoE技术的安全问题。

1.1 本文的贡献

通过调查当前文献，我们研究了区块链在IoE状态下的适用性和可用性，并在此基础上提取了IoE在不采用区块链的情况下面临的常见问题。然后我们回顾了集成IoE和区块链的相关文章。之后，我们对区块链与IoE整合的现有文献进行了比较分析。我们还讨论了各种共识算法及其优缺点，以便可以针对IoE市场进一步优化可用的共识算法。最后，我们讨论了区块链与IoE集成的一些突出挑战。

1.2 相关综述文章的回顾

已经对智能电网、车辆到电网（V2G）技术和可再生能源的应用和挑战进行了多项调查。智能电网系统的安全和隐私问题在[13–17]中讨论，而[18,19]的作者讨论了V2G的相同问题。然而，在过去两年中，没有对IoE的研究现状进行调查。例如，[20–23]的作者讨论了构建IoE技术的好处、假设和要求，但所有这些都在2017年之前发布。分散区块链技术的概念、机遇、挑战和应用在[24,25]中进行了讨论。上述综述对区块链和智能电网进行了更广泛的描述。
除了金融应用之外，区块链还广泛用于物联网应用。例如，[26–28]的作者对区块链和物联网的集成进行了系统的回顾。更具体地说，[29,30]的作者讨论了区块链在智能电网系统中的应用。尽管除了智能电网，还有许多其他形式的能源属于IoE。没有一篇评论文章讨论了区块链在V2G和可再生能源系统中的应用。然而，有一些评论文章提供了区块链与能源部门整合的见解，我们将在下面讨论。
这方面的第一篇评论文章由Wang等人完成，他指出，能源互联网和区块链技术的概念类似，因为这两种技术都基于移除中心、合作自治的理念，并且都是面向市场的。他们还简要讨论了区块链在能源互联网中的潜在应用。类似地，[32]的作者讨论了区块链在能源领域的应用，以及两种技术的集成问题，包括标准化、可靠性和瓶颈。Burger等人调查了区块链对德国能源行业的影响，而[34]和[35]等文章分别探讨了区块链对于俄罗斯和南非经济的影响。[36]的作者讨论了区块链在智能合约部署的P2P能源交易过程中的作用。这里，基于区块链的能源交易分为三个领域，即能源交易、共识机制和系统优化。这些作者还确定了基于区块链的能源交易的挑战。这些挑战包括低效率、安全和隐私问题。然而，Sun等人详细讨论了区块链概念，并涵盖了透明性、分散性、不可操作性和匿名性等主题。他们简要讨论了区块链在电力行业的适用性，没有讨论具体的挑战。Brilliantova等人指出，区块链在能源市场的潜力远远超出P2P能源交易。作者还讨论了区块链与电动汽车的集成。他们的研究基于文献工作和专家访谈。此外，[39]的作者对区块链在能源互联网运营中的应用进行了简短调查。他们还讨论了在智能电网技术中使用区块链的缺点。Wu等人利用分散、开放、智能和互联自治等特征，对区块链与能源系统的兼容性进行了比较。此外，Wu等人还讨论了将区块链技术应用于能源互联网的挑战和应用。同样，在[40]中，作者讨论了能源互联网的运行机制和存在的问题。特别是，作者讨论了区块链在能源互联网市场交易系统、分布式能源行业、电动汽车行业和电力能源众筹中的典型应用。在[40]中，作者讨论了区块链和能源互联网结合产生的潜在约束。最近，Aggarwal等人提出了一项调查，讨论了区块链在智能交通系统、智能电网、医疗保健网络、数据中心网络和金融部门等智能社区中的广泛应用。具体而言，在能源领域，作者讨论了在能源交易、需求响应和动态定价中应用区块链的优势。表1显示了上述关于将区块链整合到能源部门的评论文章的比较。特别是，除[39]和[31]外，上述所有其他文章都在整个能源行业的背景下讨论了区块链，但IoE是能源行业市场的一部分。
与上文讨论的文献综述相比，本文主要比较了现有的文献建议，这些建议侧重于使用八种不同属性整合IoE和区块链，以深入了解当前的研究现状。本文详细描述了区块链在IoE系统中的应用，以及相关的突出挑战。此外，本文还讨论了不同共识算法在IoE中的适用性。

1.3 组织

在第2节中，我们介绍了IoE技术的概述和特点，并讨论了IoE中的主要问题。第3节讨论了区块链在IoE各种操作中的潜在应用。第4节讨论了最流行的共识算法，以及可用共识算法对IoE的适用性。第5节总结了设计基于区块链的IoE时面临的开放研究挑战。最后，我们在第6节中做了一些总结。

2. 能源互联网概述

2.1 能源互联网介绍

如[42]所述，到2040年，用户的电力需求预计将上升至30%（比2017年高）。这一需求的增加是由于城市化、人口和电器的增长使现有的电力基础设施负荷过重。满足这一需求可能会对环境造成污染和全球变暖。特别是，能源危机和二氧化碳燃烧造成的环境污染问题被列为能源市场的关键问题。由于实时监测、故障识别、自动化、透明度和灵活性不足，当前的超应力网格结构也面临可靠性问题。可再生能源、智能电网、电动汽车和V2G是解决这些问题的一些有前景的选择。
有了分布式能源，能源系统将变得更加分散和灵活。然而，在现有电力基础设施的情况下，来自可再生资源的能源无法实现充分效率。例如，中国生产了大部分绿色能源，但仍面临能源危机，因为它无法向其高人口提供能源。逐渐转向分布式可再生资源也意味着发电越来越依赖于天气季节，发电的这种不可预测性要求公共事业部门采用新的供需管理技术。例如，可能会出现产生过多能源的情况（晴天），或者在某一天（多云天）能源不足。在这种情况下，关键要求是平衡电力生产和消耗。随着分布式能源资源的发展，也引入了本地能源市场的概念，以有效奖励和调度分布式资源。本地能源市场是指能源市场的一个子集，其规模较小，涉及网络不同公用事业之间的本地能源交易。然而，当地能源市场的部署需要新的通信结构和新的支付机制。此外，P2P能源交易的一个关键问题是如何协作和连接现有电力基础设施与分布式可再生能源？因此，需要一个智能控制和管理系统，以实现协调、可持续和智能的能源市场，该市场还涉及分布式发电、灵活性、客户透明度，同时使用可再生能源。
此外，智能电网技术已被证明在处理上述问题方面是有效的。智能电网提供了一个生成、分配、存储和传输能源以及更新电价信息的平台。这一新兴技术提供了可靠、透明、灵活和自动化的电力系统。智能电网系统通过平衡电力公司之间的发电和消耗来保持稳定性。为了将智能电网与分布式能源资源相结合，微电网生态系统被广泛利用。微电网是智能电网的一个子集，能够从各种小规模能源分布式发电。凭借分布式特性，微电网允许能源贸易商和客户在智能电网中直接进行本地能源交易，从而最大限度地减少输电功率损失。
此外，作为智能电网网络物理系统组成部分的电动汽车，由于其提供绿色环保环境的能力（电动汽车的二氧化碳排放较少），在过去几年中受到了欢迎。此外，电动汽车在与风力和太阳能发电厂集成时提供更好的存储和功率平衡服务，这种集成可以解决化石燃料的不利条件。射频识别（RFID）卡通常用于在充电站对电动车辆进行认证和支付。然而，缺乏充电站限制电动汽车在能源市场的使用。例如，在南非，由于充电站分布不均，电动汽车制造商面临困难。值得注意的是，分布式可再生资源的渗透、不协调电动汽车的动态特性、突然的位置变化和充电时间都会导致智能电网中的电力波动和配电不平衡。由于电动车辆的增加，传统电网的结构无法处理不断增加的动态负载。这些问题的一种解决方案是使用产生高操作成本的发电机或能源存储系统。一个更好的选择是部署双向能源交易电动汽车，即V2G用于放电，电网到车辆（G2V）用于充电模式。V2G有助于在用电高峰期稳定电网负荷。在智能社区中，配备双向充电器的充电站可以以P2P方式买卖电力。据报道，一辆典型的车辆每天道路仅使用5%的电量。因此，它们可以容易地用于提供上述问题的解决方案。V2G技术使电动汽车能够充当能源存储介质，在高峰时段将能源交易回电网以实现负载平衡。作为回报，电动汽车车主可以在停车时向电网排放能源。因此，关于V2G能源交易的现有建议受到了业界和学术界的极大关注。
智能电网、可再生能源、V2G和电动汽车使用量的增加将影响当前的智能电网基础设施，因为它正在将电力市场的范式从集中转移到分散和分布式网络。分布式能源可再生资源和智能电表的广泛使用也推动了双向能源交易，这需要一种高效的能源调度和奖励机制。此外，分布式能源系统价格变动将增加。现有的能源市场运作也依赖于一个中央机构，该机构面临安全、隐私和单点故障问题。因此，能源系统需要一个分散的体系结构，其中公用事业可以相互交换电力，从而使配电有效、自主且无需第三方机构参与。
此外，电力市场继续朝着一个不同的未来发展，电网结构将与智能边缘设备和高速高效通信集成，以实时处理和快速决策数据。各种智能能源基础设施组件之间的动态互联网络，如电站、自动化配电设备、智能仪表、智能电网、电动汽车和互联网上的人，称为IoE。IoE术语最早由Jeremy Rifkin于2011年引入，他借助互联网协调各种电力公司，通过在网络参与者之间分配和管理收集的电力信息来提高可靠性和能源效率。IoE是在分布式和分布式能源管理系统中实现物联网、大数据、人工智能技术和计算能力，旨在优化现有能源基础设施的效率。IoE中智能电表的部署评估了智能建筑、家庭的能源生产，这些信息在网络中传输以管理电力。IoE简化了可再生能源、智能电网、微电网、电动汽车、计费中心和控制中心的协作，所有这些都提高了能效、灵活性和可支持性。因此，IoE技术有助于从集中式、生产商集中的单向电力框架转变为分布式、按需、双向能源供应管理系统。然而，在电力生产领域，IoE是智能电网的延伸，由不同形式的能源和更多的参与者组成。所有形式的能源都可以接入互联网，这使得能源用户也可以成为能源生产者。电力监控、需求侧能源管理、可再生能源整合增长、减少电力浪费、减少停电、自组织和资源管理是IoE的重要优势。此外，通过IoE技术，数据的实时监控和分析减少了停机时间、维护和运营成本。图1描述了IoE所实现的目标。IoE使用传感器和智能实时监控技术从边缘组件收集能源信息，并将其发送给其他电网参与者。收集的信息在电网组件内共享，以获取关于当前电力使用、需求和预测未来需求的知识。图2示出了IoE的架构。然而，IoE由多种形式的能源组成，这在网络中打开了安全和隐私问题，因此需要新的能源系统。
此外，通信基础设施是IoE技术的一个重要方面。供应商和利益相关者面临着关于控制和维护IoE设备的通信协议和标准的问题。在早期，由于当时没有标准，供应商设计了他们的专有协议。然而，专有协议总是面临互操作性问题。为了降低安装成本，提高分布式能源的维护、可靠性和效率，IEC制定了IEC 61850-7-420国际通信标准。此外，为了支持IoE中的车辆到基础设施（V2I）通信，专用短程通信（DSRC）协议被广泛使用。DSRC（包括IEEE 802.11p和IEEE 1609标准）是一种双向中短程无线通信协议，允许车辆到车辆（V2V）或车辆到基础设施（V2I）通信的高数据传输速率。DSRC支持低延迟、高速通信、身份验证和可靠性。然而，这些标准基于传统的公钥基础设施（PKI），其中涉及用于认证、可靠性和互操作性等的集中式证书颁发机构（CA）。另一个名为国际标准化组织（ISO）115118-2:2014的协议描述了电动车辆供电设备和电动车辆的通信。该通信协议使用传输层安全（TLS）、传输控制协议（TCP）和互联网协议标准第6版（IPV6）。该协议基于单边身份验证，可能导致重定向和模拟攻击。随着安全威胁的增加，IoE通信需要不同电力公司和服务器之间的相互认证。尽管无线局域网（WLAN）和Zigbee技术足以管理家庭局域网（HAN）和家庭自动化，但广泛的电力线控制必须用于电动汽车充电、电网运行和自动抄表。类似地，对于可再生能源混合技术的电网集成，例如铜线、光纤、电力线通信属于流行的有线通信技术，而Zigbee、Wi-Fi和Wi-Max是首选的无线通信技术。IEEE P2030也是为解决能源技术与信息技术操作的互操作性问题而制定的标准。

2.2 能源互联网的问题

IoE技术可以在异构电力公司之间提供高级连接，以便建立单个系统。随着IoE市场的增长，其连接、通信、基础设施和恶意攻击也将继续增加。因此，在整合不同形式的能源方面存在许多问题。由于本文的重点是区块链和IoE的集成，因此为了保持简洁，我们重点关注了IoE中由于使用集中式架构而出现的问题。接下来，我们将讨论IoE中存在的一些问题。

数据管理：为了管理和组织IoE中各种电力基础设施组件产生的大量数据，使用云服务，由第三方审计员访问和管理。相关电力交易数据存储在云/雾服务器中，用于本地市场的实时监控和P2P交易。正如我们前面提到的，高级计量基础设施（AMI）（包括家庭、办公室和电网中的智能电表）从智能电表收集电力数据，并将其传输到网络以供进一步操作。在当前场景中，这些公用设施的数据采集器是集中的可信第三方，充当智能仪表和数据管理中心之间的中介。此外，在V2G的情况下，可信第三方收集有关电动汽车身份、位置和剩余电池寿命的数据。然而，这种可信第三方的选择会导致延迟、个人信息泄漏、安全和隐私漏洞。使用集中式系统也可能导致单点故障。避免第三方参与和数据聚合的另一个原因是，很难选择所有用户都信任的聚合器。因此，IoE要求数据的身份验证、完整性、不可抵赖性、机密性、可伸缩性和可靠性。
支付机制：在IoE网络中，节点（电动汽车、微电网、智能电网和智能家庭）之间的电力分配涉及电力使用的支付账单，进一步用于服务，如负荷预测、动态价格预测和最佳调度能源使用。智能电网或分布式能源服务中的能源交易付款应在参与买卖过程的电力公司（垄断企业）之间进行谈判。现有的支付方式，如借记卡、信用卡、PayPal，涉及第三方，该第三方可在未经用户同意的情况下与其他方共享账户信息。此外，在节点之间共享支付信息可能会引起关于电力使用模式、身份和位置威胁的隐私问题。为了解决隐私保护问题，文献中提供了一些基于匿名支付方法的解决方案，如[64–66]中描述的工作。虽然这些方法保护了隐私，但它们也基于集中式架构，通常涉及第三方审计员进行支付。然而，在每个新交易中使用假名会使跟踪恶意攻击者变得困难。
P2P能源交易：P2P能源交易在IoE场景中发挥着重要作用，但这一过程面临一些安全和隐私挑战。目前的电力基础设施使用集中的大电网，通过输电线路生产电力并将其远距离分配，而微电网连接智能家庭和街道。配电和输电涉及电网运营商、生产商和贸易机构之间的互动。特别是，IoE的P2P能源交易场景涉及智能建筑、具有太阳能和风力发电站的家庭、电动汽车和电网之间的交易，以平衡负载峰值、电动汽车与电动汽车、可再生能源到电网、V2G和G2V等。当前的能源交易市场涉及第三方审计员的手动处理，例如：代理、经纪人、交易代理和银行，这导致时间复杂度高，可靠性低。因此，出于隐私考虑，一些具有额外能源的节点拒绝参与能源销售过程。显然，当人口增加时，IoE情况变得复杂。如果一个集中化的组织因负荷过重而崩溃，则可能导致高运营成本。此外，传统的能源供应管理为公用事业提供了固定价格，但成本效益较低。
需求响应管理：电动汽车、V2G和可再生能源的革命给电网带来了负载平衡和负载波动的挑战，因为每辆电动汽车充电需要大量电力，可再生能源普遍存在不确定性。当网络中的节点数量增加时，交易数据也会增加，这使得实时管理需求响应变得更加困难。为了有效部署IoE技术，需求响应管理至关重要。其目的是通过以平衡的方式规划电力使用活动（消耗和供应）来产生优化负载。更好的资产利用效率、更好的渗透性、绿色能源资源的稳定性、账单节约、容量增加、价格波动降低、运营成本降低、峰值负荷管理是需求响应管理的一些优势。需求响应管理也称为能源需求管理、需求侧管理和需求侧响应。设计需求响应管理策略的另一个原因是缺乏储能能力。在这种情况下，直接负荷控制和动态定价是两种广泛采用的需求响应策略。为了鼓励降低电力消耗，激励用户。在这里，智能电表被用于监测发电量和电流使用情况，因此消费者可以在高峰时间使用很少的能源，这可以帮助他们节省资金。然而，大多数方案基于[71，72]中讨论的集中式架构。在集中式需求响应管理框架中，节点将数据信息上传到中央单元，然后从同一单元做出需求响应资源的调度决策。接下来，节点从中央单元获取数据信息，中央单元激励节点减少或将电力消耗从高峰时间转移到非高峰时间。因此，为了实现需求侧的灵活性，需要一个新的能源框架，该框架能够容易地适应电力市场、生产者和消费者。将去中心化应用于需求响应事务可以解决上述一些问题，例如安全和隐私问题以及单点故障。
黑客和网络攻击：网络攻击是能源互联网的一种特殊威胁，它会损害数据的真实性、可用性、保密性和完整性。供应商和用户通常关注功能和价格，而忽视网络安全。显然，在缺乏安全标准和政策的情况下，在边缘设备上收集的持续增加的数据面临风险。随着IoE技术的发展，其与节点、建筑物和设备的连接增加，这也增加了各种网络攻击的攻击面。在现有安全解决方案中使用公钥加密涉及可信第三方身份验证，这会造成隐私威胁。此外，各种通信协议和传输信道的使用导致黑客的身份和数据威胁。对电网的不同网络攻击包括恶意软件、分布式拒绝服务（DDoS）、干扰攻击、网络钓鱼和虚假数据注入。例如，2015年，俄罗斯黑客入侵乌克兰电网，导致25000多名客户停电。根据[76]，俄罗斯对手仍在探测美国的电网基础设施。除了恶意攻击之外，IoE的组件还容易出现不安全的物理位置。
网络攻击的另一种可能性是状态估计期间的错误测量和错误数据注入攻击。状态估计是一种用于监测和识别电力系统当前运行状态以保持可持续性和提高效率的方法。控制中心采用状态估计的输出进行应急分析。黑客可以直接攻击智能电力系统中的仪表或具有仪表读数的计算机。因此，需要分散的状态估计，以减轻虚假数据注入攻击。基于计量器的病毒、计量器机器人、使用记录程序是对智能计量器的一些其他恶意软件攻击。
动态定价：管理需求响应的一种方法是实施动态定价，其中电费随时间动态变化。动态定价旨在通过观察当前的市场需求来调整当前的电力成本。动态定价激励节点调整网络中的供需。例如，在低消费和高产量情况下，价格较低，而在高需求和低产量情况下价格较高。它改变了高峰时间的能源使用，并且为了减少高峰时间的电力使用，用户可以获得奖励。通过在高峰时间提供高收费，客户不得不将其能源使用转移到非高峰时间。智能电表通过分析用户的能源消耗模式，以这种方式提供帮助。存在各种动态定价方案，包括实时定价、临界峰值回扣和临界峰值定价。
因此，上述问题需要一种透明和自动分配能源、平衡供需、管理动态定价、提供安全和隐私的解决方案。重要的是，这些解决方案应不受外部控制。图3显示了基于集中式IoE系统中问题的分类。

3. 区块链在IoE中的适用性

随着基础设施的发展，电力市场的交易数量也增加。如今，随着微电网、分布式可再生能源和电动汽车的增加，能源基础设施变得复杂和分散。低P2P交易成本、隐私威胁、缺乏透明度、不可靠性和集中管理等问题未能满足能源市场利益相关者的期望。[79]的作者指出了IoE技术的集中式方法所面临的安全和隐私问题。对分散和分布式能源系统的需求不断增加，促使需要一种新的安全范式来实施未来的IoE。由于区块链继承的分散属性，它可以轻松应用于分布式和分散的IoE基础设施。这项技术还实现了一切服务化的理念。接下来，我们讨论区块链技术的基础。

3.1 区块链的基础

区块链技术于2008年首次引入，旨在处理比特币账户，并处理这些金融账户之间的安全和隐私问题。通过区块链，加密货币及其相关数据被安全地存储在参与者的分布式P2P网络中，这些参与者共同组成一个透明和可审计的网络。然而，区块链技术的应用不仅限于金融账户。区块链技术提供了一种分布式和去中心化机制，使任何记录在被存储在网络上之前都能被网络参与者验证。随着时间的推移，经过验证的记录被锁定在加密链接的数据块中。在区块链中，每个交易使用一个区块和一个区块头，几个区块在一条链中链接在一起。区块链技术基于公钥密码的基础，如椭圆曲线密码（ECC）和椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）。区块链支持任何实时应用程序的身份验证、授权、完整性、不可否认性和匿名性等安全服务。在大多数区块链应用中，网络节点通过其公钥进行引用，以保持匿名性。此外，merkle哈希树的使用使得很难修改块中的任何数据，这使得事务是不可变的。
区块链网络中有两种类型的节点，即矿工节点和普通节点。此外，普通节点有两种类型，即全区块链节点和轻量区块链节点。每个完整区块链节点维护其分布式账本，该账本具有交易的完整历史记录。与全节点相比，轻区块链节点仅为每个区块维护一个头部。在全区块链节点中，一些节点根据所选共识协议的条款和策略被选为矿工节点。特别是，矿工节点在将块添加到网络之前对其进行验证和认证。此外，区块链技术在网络上部署智能合约。在没有第三方授权的情况下，智能合约可以实现自动化的工作流程和无错误的交付。它基本上是一段代码，自动实现满足预定义规则的任务。然而，具有安全漏洞的智能合约可能会导致系统中的损失。
由于区块链遵循分散管理，为了确保数据的可靠性和一致性，区块链采用了分散共识机制的概念。工作证明（PoW）、权益证明（PoS）、实用拜占庭容错（PBFT）、委托权益证明（DPoS）、授权证明（PoA）是研究人员在其应用中信任的一些流行共识算法。我们将在另一节中描述这些算法。

3.2 区块链在IoE中的应用

许可、无许可和联盟是区块链技术的三种类型。然而，IoE是许可区块链的潜在应用。在IoE环境中，传感器不断地从周围环境进行测量，以进一步平衡峰值负载并维持电力。因此，应授予这些传感器设备有限的权限。因此，许多提案选择了许可和联盟型区块链来评估区块链在IoE中的性能。然而，为了实现能源市场的无争议框架，应明确界定法律规则和条例。在文献中，有一些建议证明了区块链重塑能源供应部门的潜力。[82]的作者讨论了影响区块链在能源领域应用的因素。此外，[83]的作者讨论了能源系统的集中平台控制问题，并开发了基于区块链的住宅社会能源交易用例。与基于区块链的系统一样，所有IoE节点独立工作，无需集中式授权，因此它提供了安全性和抵御攻击的鲁棒性。这里，事务以分散的方式存储在每个节点上，以确保独立于任何第三方。消除第三方也降低了交易成本。然而，与非顺序数据排列相比，区块链技术实现了顺序数据排列，即数据块以链形式和时间顺序存储。此外，区块链网络参与者之间的互联保证了每个能源公司可以实现P2P信息共享，这也简化了自动调度。区块链技术的设计原则确保了公用事业之间各种类型能源交易的法律验证。将区块链集成到能源行业可以激活向客户交付电费和其他信息的自动化。区块链促进自我参与，确保电力的透明发电和分配，同时以高效的方式提供灵活的需求侧资源管理和实时定价信息。区块链技术提供的透明度属性为产消者带来了机会，即它使智能家居不仅能够从可再生能源中发电，而且能够自主销售。这种部署还允许消费者变得灵活，并创建以客户为中心的体验。区块链网络还提供匿名性，因为网络的参与者使用其加密密钥（根据用户ID生成）而不是使用其真实身份。匿名性也可以通过使用零知识证明在区块链中提供。除了用于能源交易之外，区块链在智能电网的电表清算过程中也有其使用案例。
区块链还支持智能合约。智能合约激活网络中的信号，以根据为保证自动能源流而制定的预定义规则启动交易。借助智能电表的智能合约能够自动测量产生或消耗的能源，以便自动调整需求和供应。智能合约可以帮助实现自动化活动，例如定义一段时间的电费、支付政策、购电和售电时间。此外，通过利用智能合约的功能，我们可以提高能源市场的速度、可靠性、可扩展性和安全性。图4说明了IoE行业中区块链支持的一些潜在应用。
文献中介绍了许多使用区块链解决IoE行业挑战的建议。接下来，我们将讨论一些与IoE实用程序相关的区块链应用。

安全支付机制：现有基于信用卡和借记卡的解决方案要求与第三方共享信用卡信息。支持分散化的比特币（数字加密货币）革命是解决第三方问题的替代方案。在基于区块链的网络中，所有支付交易都安全存储在全球账本中。由于分类账可供网络中的所有参与者使用，因此可以轻松验证任何交易的查询和完整性。出现了一些基于区块链的研究建议，解决了能源交易的安全账单支付问题。其中大部分包括使用加密货币进行安全支付。[85]的作者实现了一个概念证明，该概念证明有助于一个设备使用比特币区块链技术向另一个设备支付其消耗的电力。每个支付交易都由发送方使用支付账户的私钥进行签名。NRGCoin和SolarCoin是专门为智能电网环境中的可再生能源交易而设计的，并且[88]的作者提出了一种新的数字加密货币，称为Energycoin，用于电力交易。在NRGCoin和SolarCoin中，产生绿色能源的节点接收与产生的能源成比例的加密币。在这里，电价由分布式系统运营商（DSO）决定，该运营商负责监控网络。[63]的作者讨论了V2G网络中的支付机制，并提出了使用区块链技术的隐私保护支付机制。该机制实现了安全的数据共享、隐私保护、审计和可靠的支付。然而，这一提议并未完全分散，因为它涉及一个注册机构，用于审计目的和跟踪与DSO类似的节点的真实身份。[89,90]的作者还提出了一种基于区块链的支付机制，用于电动汽车和私人充电桩之间的充电。相比之下，[81]的作者在能源互联网场景中使用联盟区块链从充电桩为电动汽车充电。这里，作者将充电桩描述为一个支付账户，方便节点之间的支付。在设计区块链支付机制时，应考虑支付交易的可靠性、可审计性和效率。可靠性确保了支付的完整性、攻击预防（双重支出、隐私威胁）、不可抵赖性、身份验证和不撤销性，而可审计性确保了无可争议的支付。此外，支付机制应具有可扩展性，以满足能源市场日益增长的需求。为了减少交易验证延迟，基于信用的支付解决方案有助于实现[91]提出的快速支付。基于信用的解决方案涉及中央银行管理支付，这将减少交易确认的时间延迟。然而，该提案将IoE与区块链集成，需要在每个用户节点上安装区块链客户端模块，用于支付交易。值得注意的是，这项提案没有考虑隐私问题。
电动汽车充电/放电：充电和放电活动主要涉及智能电网、微电网、电动汽车、计费中心和认证中心。能源市场的恶意方可以通过发送虚假数据、冒充和收取高电价来损害电动汽车的安全和隐私。需要保护车辆的个人信息，如车辆和充电站的身份、充电和放电时间、车辆类型。虚假充电服务的广告是电动汽车的另一个威胁。电动汽车的充电和放电可能包括三种类型的攻击者，即恶意能源供应商、恶意能源消费者、恶意可信第三方充电。大型电动车辆的充电和放电需求会造成电网不稳定。另一个节省时间的选择是将耗尽的电池换成充电站提供的充满电的电池，而不是从电网为电动汽车充电。在这种情况下，很难信任电网关于电池交换的公平性和诚实性。在现有的集中式系统中，用于电池交换的信息（电池品牌、剩余能源、充电电流）存储在集中式服务器中，这使得评估系统的公平性变得复杂。有关电动汽车充电服务安全的文献描述了各种奖励和激励机制。然而，这些方法基于可信的第三方。因此，我们需要解决电动汽车在IoE充电过程中面临的安全问题。此外，为了支持动态充电/放电，我们需要一种快速可靠的认证方案。
为了最大化运营商的效用，[94]的作者提出了许可区块链环境中电动汽车充电的安全契约理论。合约理论用于设计聚合器和电动车辆之间的最优合约。在许可的区块链系统中，只有选定的电动汽车和微电网可以审核交易，并使用委托拜占庭容错（DBFT）共识机制达成共同协议。[95]的作者描述了如何通过考虑未来事件（节点的充电概况、未来负载需求、之前的充电数据等）来使用区块链制定智能电网系统的P2P充电和放电计划。作者的目标是将电力波动水平和电动汽车的总体充电间接成本降至最低。该方案使用冰山顺序执行算法，以满足充电和放电计划的大量需求。仿真结果表明，该设计在最小化功率波动水平和充电成本方面优于该方案。类似地，为了确保电动汽车充电时的隐私，[97]的作者设计了基于区块链的充电方案。在这里，电动车辆准备一个请求，该请求包含关于所需能源、位置和时间间隔的信息。接下来，充电站开始竞价过程，并在区块链上记录数据。最后，车辆检查存储在区块链上的出价，并将其与初始出价进行比较。作者还建议使用比特币、以太坊作为适合少数车辆的区块链平台。
与上述方案相比，Pustivek等人提出了一种基于区块链的电动汽车充电站选择方法，而不是专注于电动汽车的充电过程。在这里，智能合约用于选择可达电动汽车提供的最佳出价。此外，[99]的作者讨论了在公共场所使用移动充电器为电动汽车充电的问题。这里，使用轻量级区块链设计计费系统。在轻量级区块链中，父移动充电器充当整个区块链，所有其他充电器节点充当简化支付验证（SPV）节点。此外，为了减少块数据的大小，引入了收费列表块。与上述侧重于使用发电站为电动汽车充电的方案不同，Hua等人开发了一种基于区块链的电动汽车电池交换解决方案，该解决方案还通过智能合约自动评估电池质量。有关电池的所有信息都保存在区块链网络中，以保持完整性和可追溯性。然而，该方案不能提供电池的安全认证。
P2P能源交易：区块链的一个值得一提的应用是自主P2P能源交易流程。然而，实时能源交易应用程序需要安全性、速度和可扩展性。当前的能源交易流程提供的数据安全性较低，因为如果中央机构受到威胁，存储的交易数据会被篡改，而在区块链中，数据由网络中的每个节点维护。此外，对于集中式服务器，由于注册和身份验证检查，很难从不同位置动态参与网格操作。此外，依赖单一集中式能源供应商可能会导致可扩展性问题（单点故障）。[101]的作者指出，整合区块链进行能源交换可以解决可扩展性和移动性问题。在分散的能源交易市场中，生产者（生产者和消费者）可以以P2P方式向消费者或微电网出售可再生资源的本地发电。区块链用于P2P能源交易IoE的另一种方式是使用计费模型。可以在公共场所部署可信的计费模型，以便任何人都可以访问。分散的能源交易系统还可以防止长传输造成的电力损失。能源交易也有经济效益，因为它为能源生产商创造了能源市场的竞争环境。与智能合约集成的区块链可以允许以自动透明的方式直接向消费者购买和供应能源，而无需依赖可信的第三方。智能合约可以通过执行投标、谈判和支付交易实现安全和自动化的能源交易。在透明系统的帮助下，客户可以搜索低价经销商。任何指定时间的能源交换记录在分布式账本中。通过智能合约支付，能源交易可以自动进行，无需人工交互。图6显示了通常使用智能合约的P2P能源交易的经典过程。基于区块链的能源交易的首次尝试由[86]的作者提出，他们提出了NRGCoin加密货币。从那时起，许多提案都被设计用于通过区块链提高能源效率。然而，通过区块链交易能源的第一个用例已经由[103]的作者演示，其中智能合约用于提高交易执行速度和降低实时能源交易的成本。[2]的作者提出了区块链在本地能源市场交易太阳能的另一个用例。
文献IoE中的大多数工作都考虑了私有区块链。例如，[104]的作者设计了一个能源交易框架，提出了保护敏感信息隐私的概念验证实现。该网络通过以太坊网络构建。概念证明表明，该提案降低了能源交易的成本和处理时间。然而，该方法假设从电网产生足够的能源以满足节点的要求，在这种情况下，网络的可扩展性成为一个重要问题，但没有考虑到这一点。在以太坊区块链中，气体限制为15秒，而私有以太坊的气体限制可以相应调整。对于高气体极限，我们需要高带宽基础设施。作者还讨论了以太坊平台在给定时间间隔内处理的信息量方面的可伸缩性。在本次讨论中，重要的是要提到纽约布鲁克林微电网，在那里已经实施了基于私人区块链的能源市场。该项目的设计基于七个组件（即市场机制、定价机制、信息系统、微电网设置、电网连接、法律环境和能源管理交易系统）进行评估，这些组件用于基于区块链的能源市场的高效设计。最近，[79]的作者提出了一个名为PriWatt的能源交易系统，该系统基于比特币（支付方法）、比特消息（认证和加密消息传递系统）和智能合约。该提案利用多重签名方法实现安全和隐私。发电商和消费者之间通过在用目的地的公钥加密后广播协商价格来协商电价。然而，由于在能源不足的物联网节点中生成区块链的计算能力较高，该方法无法广泛使用。此外，作者没有具体说明拟议的系统如何实现能源价格的动态谈判。类似地，在[106]中，买方使用多签名的概念来买卖电力，但该方案只能满足小规模能源资源。为了防止买方违反微电网中卖方的合约，在[107]中使用了多重签名。使用区块链的能源市场也利用拍卖机制分配资源。智能电网市场适用于双拍卖而非单拍卖（在单拍卖过程中，单个卖方/买方接受多个买方/卖方的报价，而在双拍卖中，多个买方和卖方可以出价），因为该市场涉及多个买方与多个卖方。在这种情况下，Wang等人使用了连续双拍卖机制，即在检测到兼容出价后立即匹配买方和卖方。作者采用了自适应攻击性方案，根据交易价格和波动及时设置最佳报价。自适应攻击性方案便于买方选择最低价格出价，卖方检查最高价格交易。为了解决日益模糊的数据问题，Chen等人设计了另一个分散的交易平台，该平台也支持分散定价和P2P能源交易。此外，作者还总结了分散和分布式电力市场发展中的各种问题。
此外，为了支持自由化的市场结构（允许能源在本地交易，而不涉及任何受信任的第三方），作者提出了一种分布式系统，该系统不使用PKI称为GRIDNET来激励（与能源和数据交换的数量成比例）中介。这里，每个数据包都被跟踪并存储在区块链上，而通信包不存储在任何地方。为了防止任何实体的不当行为，该网络中的节点必须保持与权益证明（PoS）算法类似的一定数量的权益（与身份令牌一起存储的电子硬币）。然而，这种方法假设智能电表始终是一个可信实体，这可能并非在所有情况下都是如此。交易时面临的另一个问题是各种公用事业之间发生的各种交易（存储、访问、传输）的安全性。为了实现安全的能源交易环境，重要的是确保各种交易的安全，而不依赖第三方审计员。在此背景下，[110]的作者提出了一个称为EnergyChain的框架，以在智能家庭和公用事业中心之间进行能源交易。作者讨论了矿工节点选择的标准，即基于智能家庭的剩余能源。选定的矿工节点负责管理存储事务和访问云中存储的数据。除了讨论在V2G中交易能源时的安全问题外，在[111]中，作者还讨论了生成实时响应的延迟问题。为了解决延迟问题，作者提出了一种称为“幸存者”的方案这使得基于区块链的边缘即服务机制能够与SDN控制系统进行能源交易。为了节省能源，仅在边缘设备处解决工作量证明（PoW）。所获得的结果表明，与早期方案相比，该方案的通信和计算成本较小，延迟也较低。此外，为了解决调度的非最优性，Sabounchi等人为住宅微电网中的消费者设计了另一个P2P能源交易模型。这里，智能合约是使用合约理论设计的，该理论涉及本地市场中的单个服务器和多个买家。最高投标价格的买方购买电力。相比之下，[113]的作者设计了区块链，用于在预期能源交换时处理发电机的能源损失分配。现有的功率损耗分配方法仅考虑发电机，而在本方案中，还定义了负载节点和发电机。然而，未评估单个事务对电压读数和网络约束的影响。为了解决这个问题，Guerrer等人设计了一种具有网络约束的分布式P2P能源交易方案，该方案还处理了网络中的电压问题。仿真结果表明，该方法降低了电力成本，并在不中断网络技术约束的情况下保持了发电和消耗之间的平衡。此外，在P2P能源交易中，DSO被认为是许多文献著作中包括的重要实体。DSO是被视为中立计量方的实体，负责监督与能源交易相关的所有活动。在这种情况下，Vangulick等人进行了一项研究，提出了一种设计，使DSO能够使用区块链进行P2P交换，并基于共识、准确性、可追溯性、隐私和安全参数的弹性对系统进行了评估。为了证明交易的可追溯性，他们使用Merkle树方法来确保成员资格证明。本方案假设没有电网损耗，这在实践中很难实现。
除此之外，博弈论还广泛应用于能源市场的一些文献中，因为它提高了网络性能。例如，[116]的作者使用博弈论来寻找本地P2P能源市场的能源使用竞价结果。相比之下，[117]的作者讨论了基于联盟型区块链和边缘计算的V2G能源交易的安全架构。这里，交易由本地能源聚合器管理。该提案使用能源币加密货币来接收奖励和支付放电活动。采用两阶段Stackelberg领导者跟随博弈方法分配边缘计算资源。同样，Saukh等人研究了P2P能源交易中的同步博弈概念，并讨论了玩家的同步反应如何防止滥用网络资源。同步涉及定时，这是能源网络管理中的一个重要特征。为了检测同步游戏，可以使用智能仪表。
与许可和无许可区块链类型不同，一些作者在联盟型区块链中模拟了IoE区块链。例如，[91]的作者提出了基于联盟区块链的物联网的安全能源交易场景。该方案不涉及可信中介，而是依赖于一些预先选择的能源聚合器来审计和共享能源交易场景中的交易记录。类似地，Kang等人提出了一种使用联盟型区块链技术的P2P能源交易机制。本文提出了一种双拍卖机制，用于电动汽车之间的能源竞价和谈判。本研究实现了匿名性，但无法使用数据挖掘方法减轻隐私攻击，而且还涉及本地聚合器。在最近的一项工作中，[119]的作者讨论了频繁能源交易导致的高运营成本和高能源交易成本问题。为了解决这个问题，他们建议在有额外电力可用时，在成为卖方之前使用当地储存的能源。结果表明，所提出的解决方案可以减少区块链长度和运输成本。
此外，上面讨论的大多数研究工作都针对业务方面，避免了技术实现细节。在此背景下，[120]的作者设计了一种基于区块链的P2P能源交易技术，用于使用超级账本 fabric区块链环境在邻近地区交换额外太阳能。本地发电和配电的所有交易都存储在不可变的分类账中，每个交易包括四种类型的消息，即：接受邀约广播、PVOffer、买入要约、封闭竞价。在投标期之后，每次执行智能合约，以便在对等方之间进行能源交易。取代传统区块链，一种称为Rainbowchain的区块链变体应用于安全交易能源。Rainbowchain具有以低成本、低延迟提供验证的优势，它通过具有同意机制的双链进行对称补偿。Rainbowchain基于一种架构，通过使用智能合约为能源交易提供安全交易。此外，为了解决增加模糊数据的问题，Chen等人设计了另一个分散交易平台，该平台也支持分散定价和P2P能源交易。此外，作者还总结了分散和分布式市场发展中的各种问题。
与大规模P2P能源交易相比，本地能源交易市场提供了一个场所，产消者和消费者可以在智能社区中交换本地发电。许多提案利用了当地能源市场的区块链技术。降低成本和促进当地经济是当地能源交易的一些优势。但分布式本地能源市场的部署需要新的存储结构和通信技术，如[122]所指出的。为了解决这个问题，Mengelkamp等人通过使用以太坊区块链，为短期本地能源市场设计了一种去中心化拍卖机制。该提案降低了电力市场价格，并为能源交易提供了透明度。在[124]中，作者提出了直接、分布式P2P能源交易和低成本能源交易的另一个框架。由此获得的模拟结果表明，使用区块链的单位电价比集中式发电公司便宜。然而，当地市场中的潜在消费者的存在造成了供需数据的模糊性。能源市场的区块链也受到了行业的关注。PowerLedger、Brooklyn microgrid、Dajie、Sun Exchange、Electron、Enerchain是正在进行的基于区块链的P2P交易项目。[130]的作者旨在通过其名为加密交易的项目促进可再生能源的增长，该项目通过为优化本地能源交易提供安全平台来管理需求响应。图5示出了典型的能源交易场景。其他整合区块链以交换可再生能源的提议包括[106,131-133]。
绿色能源证书：最近，区块链被用于创建绿色能源证书。太阳能电池板在家中的使用使消费者能够发电并出售给能源公司。绿色证书是可再生资源发电的证明。电站的智能电表可以直接记录并立即发送到区块链，而不是将手动记录发送到集中机构。可再生资源证书的标准化提高了能源市场的透明度，并为电厂运营商提供了新的选择。[135]中首次提供了区块链用于生成绿色证书。此外，2009年，引入了原产地保证（GaOs），作为对可再生能源进行标签的指令。它规定了能源来源、身份、类型和产生能源的位置。实施GaO可以实现能源销售和购买的标准定价。在这方面，Castellanos等人使用以太坊和智能合约模拟区块链，向准备利用可再生能源生产商的客户销售代币化GaO。通过区块链，GaOs中的代币直接在可再生能源供应商和消费者之间转移。区块链的另一个潜在应用是为所有权记录提供安全，该记录用于向公用事业提供能源认证。个人持有证书的所有权记录记录在区块链上，不可篡改。
需求响应管理：如[137]所述，到2040年，全球能源需求预计将增长25%以上，这将产生供需不匹配问题。资金不足、社会经济影响、发电时间过长是造成供需不匹配的部分原因。由于不同的能源使用，一些节点可能使用更多的能源，而其他节点则面临电力短缺。因此，重要的是平衡不同用户之间的能源需求和供应。需求响应管理旨在通过调度电动车辆或使用分布式能源来平衡能源需求和发电，以维持非高峰和高峰时段。尽管提供了这些好处，但需求响应机制在安全性和互操作性方面仍存在一些问题。为了解决互操作性问题，NIST、CENELEC等组织定义了各种标准。特别是，区块链技术可以解决需求响应机制中的安全和隐私问题。[139]中的研究定义了一个称为OpenADR的标准，以处理需求响应投标中的安全和隐私问题。在基于NRGCoin的体系结构中，能源需求和生产从智能电表记录，并在每15分钟后发送给DSO（负责需求响应管理的实体），以管理需求和响应。Tsolaski等人将区块链与OpenADR集成，以实现智能电网系统需求响应管理的互操作性和安全性。然而，该技术在网络的每个节点中使用了一种特殊类型的设备（称为雾智能设备，它执行聚合、预测以及充当全或轻量区块链客户端的任务）。
类似地，[143]的作者为智能电网环境中的分散管理和需求响应活动验证设计了基于区块链的模型。为了实现自动化和灵活的系统，智能合约用于计算激励或惩罚、检测不平衡（以便制定新的灾难恢复计划）和验证需求响应协议。实验结果表明，所提出的解决方案在以太坊平台上提供了实时能源需求和供应的及时平衡，具有很高的灵活性。此外，[3]的作者提出了一种称为虚拟配电网的架构，目的是为电力平衡、供电质量和能源交易等任务提供分布式能源管理系统。虚拟配电网处理电力公司之间的异构性、电网结构的复杂性和资源分配问题。该架构基于区块链技术，通过基于市场的资源分配系统控制需求侧管理服务。在这里，以分布式方式部署多个市场，以交换能源，并在公用事业和配电运营商之间实现需求侧灵活性预算。[144]的作者提出了另一种需求响应管理系统。他们开发了一个概念验证实现，将区块链技术应用于微电网系统中的M2M交互。这里涉及电力管理中心和发电机节点，前者负责发布完成需求侧管理的报价，而后者决定发布报价的操作（接受/拒绝）。然而，提案中没有描述电力管理中心的部署。它可以检测对历史记录、配置和网络基础设施的实时操作。
与能源交易类似，在需求响应管理领域，博弈论也被证明是一种有效的方法。博弈论可以代表智能电网领域需求响应管理的分散决策。例如，[145]的作者使用非合作博弈论方法提出了一种需求侧管理方案。博弈论将负荷调度问题的性质从集中式转变为分散式，从而优化每个用户的能源调度，使问题更具计算可追溯性。类似地，Yang等人开发了一种非合作博弈机制，该机制使用具有智能合约的区块链框架来设计分散的自动需求响应方法，以维持需求-供应平衡。自动需求响应是由外部信号启动的全自动策略。它还降低了运营成本和最终用户的努力。除可再生能源外，市场上还有其他需求侧管理资源（如热能和天然气），涉及更复杂的交易来管理其资源。为了解决这个问题，在[147]的研究中，集成了区块链，用于管理分布式需求响应资源的交易和交易需求响应资源。首先，由分布式可再生能源发生器在网络中广播需求响应资源的规范，作为响应，每个节点将其数据上传到响应策略的智能合约。最后，智能合约将需求响应与订单集匹配，并计算余额状态。该网络建立在私有以太坊链上，并具有智能合约功能。图7示出了在需求响应管理中使用的智能合约的过程。
安全和隐私：区块链为IoE技术的现代分散架构提供了更多的安全和优化。由于没有单点故障，区块链具有抵御DDoS攻击的能力。加密签名的使用使得区块链数据能够通过分布式账本抵御修改和攻击。merkle哈希值可防止在任何事务中非法尝试修改。无PKI框架还增强了认证的可靠性和保密性，而无需集中式基础设施。对智能电网的网络攻击可能导致全国停电，从而造成大规模破坏。[121]的作者讨论了智能电网的网络安全威胁和威胁响应。[4]的作者专注于在区块链中使用智能合约，以提高智能电网的速度和安全性。他们还讨论了区块链与能源市场整合的优势。[148]的作者将区块链应用于能源交易，通过使用数据币和生态币增强电动汽车云和边缘计算服务的安全性。Gai等人[149]进行了一项研究，以防止高级连锁攻击。该方案还通过在网络中产生噪声来研究基于区块链的能源交易系统中的隐私问题。这里，帐户映射方法用于阻止攻击者在出售能源时直接访问数据。[150,151]是文献中的一些其他作品，确保了安全能源交易的隐私和匿名性。在[150]中，能源投标和需求响应记录保存在一个中央数据库中，用于绘制能源的购买和销售地图。[152]的作者讨论了当前能源交易系统中的安全问题，并提出了一种抵抗自私挖掘攻击和双重支出攻击的方法。[153]的作者首次设计了一个名为lightning network的工作，用于认证电动汽车和充电站。该模型由4个阶段组成，包括注册、调度、认证和计费阶段。根据计算成本评估了该模型的性能。此外，实现匿名性是IoE网络的另一个安全问题。为了隐藏用户身份和假名之间的关系，使用一种解决方案为单个用户创建多个假名，然后显示用户的私人信息并与这些不同的假名通信。例如，[154]的作者使用多个假名的概念来隐藏用户身份。
分布式能源融资：区块链实现快速通用解决方案，促进可再生能源发展。它为世界各地的可再生能源所有权和投资提供了一个开放平台。投资者可以通过透明和安全的方式为可再生能源项目提供资金，为绿色能源发展提供贷款。智能合约还可以提供激励能源项目的支持机制。然而，文献中很少有这方面的信息。
负荷调度：[155]的作者提出了在能源系统优化中使用区块链的一个值得注意的尝试，他们讨论了配电网络中的负荷提前一天优化调度方法，以最小化分布式能源网络中的能源成本。在这里，利用改变方向乘数法（ADMM）和区块链技术来协调微电网中的调度，同时确保公平支付。ADMM是将困难的凸优化问题划分为更小和更容易的子问题的过程。区块链可以在聚合步骤与ADMM集成，以允许网络上的所有节点验证解决方案的进度结果。因此，ADMM由于其收敛性适合于区块链的实现。
安全数据交换和聚合：不同IoE实体之间共享的信息，即电动车辆、LAG、认证服务器、微电网、智能电网、计费中心必须通过网络进行安全保护。通过区块链，所有数据交换都可以记录并存储在一个不可变、自动化、分散、透明的分布式账本中。从安全角度来看，区块链可以确保数据的完整性、真实性，因为区块链支持可靠的验证机制。在此背景下，Wu等人提出了一种基于区块链的能源互联网高效安全存储系统。与所有节点都是公共的比特币相比，提出了一种由N个私有节点和X个公共节点组成的N+X混合存储结构，即区块链由公共和私有区块链的组合组成。私有区块链负责验证电网中能源交易的正确性，而公共区块链则负责验证数据的完整性。结果表明，混合区块链提高了存储效率，减少了网络延迟，并提供了更快的块生成速率。[154]的作者建议选择负责汇总电力消耗数据的挖矿节点，而不是选择单个可信方。然而，选择矿工节点的标准不同于标准共识机制。
在区块链和车联网（IoV）的背景下，[157]的作者已经确定了数据交换过程中每个节点上的交易数量和使用公钥操作造成的开销。为了解决这个问题，作者提出了一种分布式聚类模型，该模型可以节约40.16%的电力，并将分类账交易数量最小化82.6%。

4. 共识算法

作为一个分布式和去中心化系统，区块链面临拜占庭将军问题。因此，区块链网络必须能够高效工作，即使存在不诚实的节点。为了正常工作，区块链需要一个共同的协议，以确保有效性并防止区块链被操纵。此外，在没有集中授权的情况下，必须有人在分布式网络中验证块。在此背景下，共识机制确保不同区块链节点和共享公共账本之间的同步。它使网络节点能够在没有任何第三方的情况下达成有争议的自由协议。然而，在分布式环境中很难达成共识。共识必须容忍节点故障、消息延迟和消息的无序传递。图8示出了共识算法的一些要求。尽管许可区块链的共识算法具有较低的可伸缩性，但它确保了高吞吐量和低延迟。相比之下，无许可区块链的共识算法实现了高可扩展性，并且是稳健的共识。此外，大多数现有的区块链共识设计速度慢、耗时且需要大量能源。接下来，我们讨论流行共识算法的流行原理。

4.0.1 工作量证明（PoW）

这是第一个也是最流行的区块链共识算法，实现了拜占庭式容错。最初，PoW是为无许可区块链设计的，但许多研究人员将PoW用于许可和联盟网络。在PoW中，人们相信，如果节点能够执行大量密码计算，那么它攻击网络的可能性较小。为了将块附加到区块链，每个矿工必须找到一个合适的随机数值，该随机数值可以产生所需的块头SHA哈希。为了实现这一点，随机数的值在每一轮中递增，以使块的计算哈希值低于或等于为块定义的目标。采矿者在再次采矿之前还必须等待有限数量的区块，该等待时间取决于称为“采矿多样性”的网络变量。然而，在这个方案中，由于不同的采矿者在同一时间竞相开采一个区块，浪费了大量的能源。成功验证后，挖矿节点将此块广播到网络的其余部分。如果网络上超过50%的节点同意交易的真实性，则该区块将附加到区块链。特别是，Sybil攻击很难在基于PoW的区块链网络上执行。如果一个矿工或一组矿工可以成功地控制51%的哈希能力，那么它会导致在PoW中被称为“51%攻击”的攻击。如果使用自私挖掘技术，PoW矿工可以获得25%的散列能力来控制网络。

4.0.2 股权证明（PoS）

PoS比PoW消耗更少的能源，因为它在挖掘过程中需要更少的CPU计算。与PoW类似，它也是为无许可区块链设计的。与PoW不同，矿工被称为验证器。此外，PoS比PoW更分散。在PoS中，具有更多参与和加密货币的节点不太可能攻击网络。要成为验证器，节点必须存入一定数量的加密货币作为赌注。利益相关者添加新区块的机会与其持有的股份数量成比例。PoS增强了系统的安全性，因为成员的利益处于风险之中。然而，在该方案中，富人变得更富有，因为所选节点收到用于验证交易的交易费用，这增加了同一节点更频繁地被选为验证器的机会。此外，与节点必须投资电力、硬件、时间等的PoW相比，具有足够股权的节点可以通过只投资股权来破坏系统。最近提出了一些原始PoS的变体来解决这个问题。实现PoS的第一个应用程序是PPCoin（基于硬币年龄的选择概念），其中具有最古老和最大硬币集的节点可能会开采区块。这里，赌注定义为硬币数量乘以持有期。黑链使用随机化块选择过程来选择验证器。它使用一个公式来检查哈希函数的最低值以及所涉硬币的数量。为了对区块链实施51%的攻击，验证器必须控制至少51%的现有数字货币。

4.0.3 委托股权证明（DPoS）

为了解决PoS面临的问题，提出了DPoS。DPoS旨在更有效地达成共识。DPoS是一种快速、灵活和分散的共识模型，其中矿工被称为证人。在DPoS中，利益相关者根据当前利害关系选择一定数量的证人。投票数最高的前k名证人有机会参与区块链决策。选择k的方式应确保至少50%的选民认为有足够的权力下放。每次证人验证一个区块时，他们的账户都会被记入一些收益。选定的见证人逐个验证新块。如果任何见证人未能在某个固定时间内验证某个块，则将同一块分配给下一个见证人，利益相关者将选择一个新的见证人来替换它。由于参与区块的节点数量较少，因此DPoS中的交易验证比PoW或PoS更快。要发动51%的攻击，攻击者必须控制51%的当选证人。如果更多的利益相关者参与选举证人，攻击者就更难发动攻击。

4.0.4 实用拜占庭容错（PBFT）

拜占庭容错被描述为分布式系统即使在网络中存在发送误导信息的攻击者节点的情况下也能达成协议的能力。PBFT旨在优化BFT，以便在区块链网络中实现。实用拜占庭容错（PBFT）旨在解决异步环境中的拜占庭将军问题。它基于这样一个假设，即网络中只有不到30%的节点是恶意的。换句话说，至少 $3 f + 1$ 个节点需要工作，其中 $f$ 是错误副本的数量。基于PBFT的区块链可以容忍至多33%的恶意节点。PBFT过程包括三个阶段，包括。

预准备：对于每个请求，领导节点广播预准备消息，以请求网络中其他节点想要提交的值。
准备：节点广播一条准备消息，指定它们将要提交的值。
提交：如果前一阶段有 $2 f + 1$ 个节点同意，则领导节点会确认请求。

然而，有了参与者的先验列表，可以在PBFT中以低事务延迟和低网络通信开销达成共识。此外，有限的可扩展性不适合物联网应用。

4.0.5 授权证明（POA）

PoA是PoS模型的一个优化变体，其中网络上的当局为网络的公平运行而对其身份进行赌注。Parity和Geth已经实现了PoA。PoA假设当局诚实可信。通过锁定身份，验证者不希望与负面声誉关联。不是指定一个机构，而是使用一组机构就网络状态达成协议，最终决定必须由机构确认。当创建区块时，当局依赖采矿旋转方法。这是基于以下假设：有N个机构至少有 $\frac{N}{2}+1$ 应该是可信节点。PoA算法设计用于许可和无许可网络。然而，[173]的作者证明，PoA不适用于许可区块链，因为它面临一致性问题。与PBFT不同，PoA在网络中很少涉及消息交换，从而提高了性能。然而，集中式授权的使用限制了PoA在某些应用中的使用。

4.0.6 容量证明（PoC）

与PoW不同，为了在PoC中添加新块，必须专用存储，而不是使用CPU和GPU进行计算。有了这一共识，可以节省大量能源。PoC也被称为压缩工作证明，因为所有计算都是在挖掘开始之前由验证者提前执行一次，并且该工作的结果（绘图文件）缓存在硬盘上。绘图过程通过使用shabal哈希机制创建一个随机值。挖掘过程只需要读取绘图文件。如果存储介质包含最近生成的块谜题的快速解决方案，则激励验证者的帐户。但是，硬盘的大小决定了创建唯一打印文件所需的时间。与PoS不同，网络上的每个人都有公平的挖掘机会，因为存储介质很容易以更便宜的价格获得。

4.0.7 烧毁证明（PoB）

PoB旨在解决PoW中的高能耗问题，并减少对硬件资源的依赖。在PoB中，矿工将硬币投资到不可支付地址的eater地址（在该地址，硬币变得无用且无法访问）。eater地址没有分配任何私钥，这意味着只有硬币可以发送到该地址，但发送到eater的硬币不能再次使用或花费。通过燃烧或投资硬币，矿工表示他/她准备承受短期损失。烧钱时，对eater地址执行交易，并使用该交易计算烧钱散列。燃烧散列是通过将乘数与内部散列相乘来计算的。如果燃烧散列的值小于某个预定义值，则生成来自PoB的块。矿工燃烧加密货币越多，挖掘的概率就越高。成功开采区块后，矿工将获得奖励。然而，从单个矿工的角度来看，该方案成本高昂。

4.0.8 运气证明（POL）

PoL使用可信执行环境（TEE）正确处理关键操作。PoL背后的思想是网络上的每个节点都向TEE请求一个随机数（幸运值）。运气值越高，被选为矿工节点的机会就越高。与PoW类似，网络上的节点接收事务，矿工节点竞争提交具有TEE生成的运气值的块中的未决事务。接下来，节点将生成的块广播到网络，幸运块被添加到网络。这里，假设只有不到一半的节点有故障。PoL还需要安装专用硬件，如-SGX。

4.1 共识算法在IoE中的适用性

随着IoE技术的快速发展，IoE实用程序以分散和分布式的方式相互通信时，需要确保机密性、完整性和可用性。在没有中央权威的情况下，我们需要一种共识方法。交易速度和交易成本是决定共识协议选择的另外两个重要参数。然而，PoW是加密货币最流行的方法，但正如[94]所指出的，由于能源浪费，它不适用于许可能源区块链。例如，[123]的作者使用了PoW算法。然而，在未来，作者建议使用PoI共识机制（而不是PoW），以尽量减少计算资源的使用。此外，PoW在一定程度上缓解了双重支出攻击。Horta等人还讨论了在IoE中实施PoW的一些挑战，他们建议将PoS算法与基于信誉的硬币一起使用。此外，Wang等人建议在微电网市场使用PoS，以减少电力消耗。然而，PoS共识算法需要具有存储约束的IoE设备的大存储空间。通常，当在区块链网络中创建分支时，参与者选择一条链跟随，多数链获胜。尽管使用PoS，但为了防止失去孤立区块交易费用的风险，一些参与者选择了最佳策略，并选择激励两条链。因此，使用PoS，通过产生与叉数相等的块数，很容易促进发散链，这使得很难纠正叉。在这种情况下，[115]的作者得出结论，PoS和PoW都不适合能源市场的实时要求。相反，他们建议使用活动链，这是PoS实现的一种变体。相反，[81]的作者使用PBFT来解决容错问题，并维护安全性和活动性，而[94]的作者则使用DBFT来达成共同协议。此外，我们从表2-4中注意到，与PBFT相比，PoW和PoS共识协议是文献中最常用的协议。然而，诸如-PoA、PoB、PoC等协议尚未在IoE的任何文献中使用。以上讨论的共识算法具有选择挖矿节点的确定方式。一些提案定义了自己选择矿工节点的方法。例如，在[154]中，矿工节点被选择为其数据最接近每个时隙中潜在矿工组内收集的数据的平均值的节点。与上述建议相反，[97]的作者使用PoA协议和PoW协议评估了能源区块链。此外，[110]的作者通过使用PoW共识算法基于智能家庭的剩余能源选择了矿工节点。表5和表6显示了近期文献中一些流行共识算法的优缺点比较，这将有助于促进IoE市场在该领域的进一步研究。

5. 设计基于区块链的IoE的技术挑战和开放研究问题

能源市场的区块链用例尚未完全开发，因为区块链与IoE的集成带来了以下几个挑战。

区块链规则和条例需要标准化，以解决任何争议。然而，由于不可变属性，恶意交易需要51%的多数票才能取消或修改网络中的记录，如[123]所述。此外，区块链技术还不够成熟，无法被研究人员广泛接受，因为存在某些限制，如51%攻击、智能合约安全和密钥管理风险。
另一个挑战是在执行块验证时施加的网络延迟。PoW在移动设备中特别难以计算。一种解决方案是当使用PoW共识协议时，在移动区块链网络中使用边缘计算服务，尽管很难在不同网络的不同矿工节点之间分配这些有限的边缘计算资源。然而，对边缘计算资源采用拍卖机制可以将资源分配给最看重资源的矿工。在此背景下，为了使用PoW为移动区块链设计基于拍卖的最佳解决方案，[178]的作者使用深度学习来分配高收入的边缘资源。此外，基于区块链的分布式能源系统可能面临共识问题（例如，在主区块链中创建分叉），需要一段时间才能恢复同步状态。
区块链中值得讨论的最大挑战之一是过度使用能源消耗。然而，使用私有或联盟区块链有助于降低能源消耗水平。另一个相关挑战是产生的开销，因为生产者和消费者之间的每个交易都在整个网络中广播和存储。此外，区块链还存在可扩展性问题以及缺乏接受度。例如，由于缺乏长期使用和经验，也存在与区块链相关的风险。
值得注意的是，如果链接不同的公钥，则使用可变公钥实现匿名可能会失败。因此，多公钥的概念并不能真正保护比特币中身份的隐私。同样的问题也适用于基于区块链的能源市场。
虽然基于区块链的IoE解决了IoE中普遍存在的安全和隐私问题，但分布式市场提高了调度机制的复杂性。此外，大量能源交易增加了存储、传输容量、计算和通信成本等需求。
区块链的分布式和分散机制可能与集中式网格管理不兼容。这项新技术可以影响能源公司的管理、安全生产和宏观能源行业的控制。
为了实现区块链中的信任，一些提案依赖于可信第三方（DSO）来实现能源交易流程，但这再次创造了一个集中场景。与比特币区块链不同的是，在IoE中，能源通过物理介质从一点传输到另一点，例如电力传输线，这可能会导致传输损耗。文献中的大多数建议都没有讨论能源损失，特别是组合能源损失是一个重要概念。

6. 结论

大数据、人工智能和互联网技术的最新发展正在对当前的电力基础设施产生重大影响。IoE利用传感器、先进通信技术、互联网连接和智能基础设施，实现能源部门各公用事业（利益相关者、电网、电动汽车、智能电表和微电网）之间的协调。在本文中，我们总结了IoE技术中的许多相关问题，因为集中数据控制主要包括安全、隐私、能源交易和需求响应管理。在IoE中采用区块链技术可以通过创建分散和分布式的可信机制来提高抵御网络攻击的弹性。本文还讨论了IoE背景下区块链的各种共识算法。然而，很难说本工作中讨论的一种共识算法是否比另一种更好，因为这取决于问题的具体要求以及网络的可用资源。虽然区块链技术带来了一些好处，但与IoE市场整合时也有一些缺点。最后，我们讨论了区块链与IoE集成的挑战。

Blockchain for Internet of Energy management: Review, solutions, and challenges