Υπηρεσία αποκεντρωμένων συναλλαγών παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας με χρήση τεχνολογίας blockchain

Decentralized transaction service for energy production and consumption with the use of blockchain technology (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. Σοφός, Δημήτριος
  3. Μεταπτυχιακή Εξειδίκευση στα Πληροφοριακά Συστήματα (ΠΛΣ)
  4. 25 Σεπτεμβρίου 2021 [2021-09-25]
  5. Ελληνικά
  6. 142
  7. Καψάλης, Βασίλειος
  8. Συναλλακτική Ενέργεια | Transactive Energy | Blockchain | Blockchain | Python | Python | Flask | Flask | Proof of Work | Proof of Work | Κρυπτογραφία | Cryptography | Εφαρμογές Web | Web applications | Μικροελεγκτής | Microcontroller | SBC | SBC | Arduino | Arduino | Raspberry Pi | Raspberry Pi
  9. 3
  10. 37
  11. Περιέχει: πίνακες, διαγράμματα, εικόνες
    • Η συναλλακτική ενέργεια (transactive energy) αποτελεί μια από τις σύγχρονες τάσεις στα δίκτυα ενέργειας. Τα σημεία παραγωγής ενέργειας είναι κατανεμημένα με τρόπο ώστε, σε συνδυασμό με τους έξυπνους μετρητές, να επιτρέπουν σε παραγωγούς και καταναλωτές να ανταλλάσσουν ενέργεια μεταξύ τους, χωρίς να απαιτείται η συμμετοχή κάποιου κεντρικού τρίτου μέρους. Τα οφέλη από μια τέτοια αρχιτεκτονική είναι σημαντικά και η ανάπτυξή της προγραμματίζεται από πολλές εταιρείες παραγωγής ενέργειας, αλλά παρουσιάζει προκλήσεις. Η ενσωμάτωση κατανεμημένων σημείων συναλλαγής ενέχει κινδύνους σε ό,τι αφορά την ασφάλεια, την παραβίαση των προσωπικών δεδομένων και τις απόπειρες για δημιουργία πλασματικών συναλλαγών. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται μια προτεινόμενη υποδομή που θα υποστηρίζει με σχετική αξιοπιστία την υπηρεσία συναλλακτικής ενέργειας, βασιζόμενη σε συναλλαγές με χρήση blockchain καθώς και σε έξυπνα συμβόλαια με λειτουργίες που υλοποιούνται πλήρως αποκεντρωμένα. Οι συναλλαγές ενέργειας εντάσσονται σε blockchain, μεταδίδονται σε όλους τους κόμβους και διαφυλάσσονται τοπικά όταν κριθεί απαραίτητο. Η αναπαραγωγή, λόγω της επανάληψης, εγγυάται την ακεραιότητα και προστατεύει από τυχόν παραβίαση, ενώ η τοπική διαφύλαξη αποτελεί μια επιπλέον διασφάλιση σε περίπτωση καταστροφής του δικτύου. Οι συναλλαγές ενέργειας διενεργούνται με κοινούς κανόνες που διέπονται από διαφάνεια. Τόσο οι αγοραπωλησίες ενέργειας όσο και οι συναλλαγές με τη μορφή συμβολαίων είναι ορατές σε όλους επειδή εμπλέκουν όλους τους κόμβους του blockchain. Επιπλέον διασφάλιση στην αντικειμενική μέτρηση του αποθέματος ενέργειας αποτελεί η απευθείας σύνδεση μετρητών μέσω σειριακής ή δικτυακής επικοινωνίας. Σε αυτή την εργασία, σημαντική ευκαιρία δόθηκε ώστε να παρουσιαστούν οι δυνατότητες της τεχνολογίας blockchain και η ευελιξία που μπορεί να μας παράσχει όταν υπάρχει πλήρης κατανόησή της. Έτσι, χρησιμοποιώντας υπάρχουσες γνώσεις, εμπειρίες και τεχνολογίες του εμπορίου όπως Single-Board Computers (Raspberry Pi) και μικροελεγκτές (Arduino) δημιουργήθηκε μια κοινότητα Prosumers, δηλαδή παραγωγών–καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας ταυτόχρονα συνδεδεμένων σε ένα δίκτυο blockchain. Η υλοποίηση της δομής των κόμβων έγινε με Single Board Computers (SBC). Στους κόμβους υλοποιούνται όλες οι λειτουργίες της τεχνολογίας blockchain όπως η εγγραφή των συναλλαγών, η διαμόρφωση των block, η κρυπτογράφηση και το Proof of Work. Επιπλέον, στους κόμβους υπήρχε απευθείας σύνδεση με μικροελεγκτές, οι οποίοι επικοινωνούσαν μέσω σειριακού πρωτοκόλλου. Με τους μικροελεγκτές προσομοιώθηκαν έξυπνοι μετρητές ενέργειας ενώ επιπλέον δεδομένα που θα μπορούσαν να ληφθούν από αισθητήρες (π.χ. για τρέχουσα ηλιοφάνεια, ένταση ανέμου, νέφωση, υγρασία) για τη μετέπειτα επεξεργασία των πληροφοριών προσομοιώθηκαν με χρήση API και άντληση σε πραγματικό χρόνο από ιστοτόπους με ανοικτά δεδομένα καιρού. Οι πληροφορίες που προκύπτουν εισέρχονται στο δίκτυο και μπορούν να ληφθούν υπόψη, π.χ. για τη διαμόρφωση της τιμής συναλλαγής καθώς και τα κριτήρια εκτέλεσης έξυπνων συμβολαίων. Η χρήση των ίδιων των κόμβων (SBC) ως υπολογιστικών συστημάτων που υλοποιούν λειτουργίες πέρα από το ρόλο τους ως κόμβοι του δικτύου blockchain αποτέλεσε βασική αρχή της εργασίας. Η συμμετοχή πολλών συνδεδεμένων Raspberry Pi ως αντιπροσωπευτικά SBC, τα οποία λειτουργούν ανελλιπώς και εκτελούν όλες τις λειτουργίες του blockchain θεωρούμε ότι συνεισέφερε στην ικανοποίηση των περισσότερων απαιτήσεων της εργασίας. Τέλος, η αξιοποίηση μιας πολύ δημοφιλούς γλώσσας όπως η Python, η οποία είναι άμεσα συνδεδεμένη με το Raspberry Pi, αποτέλεσε μια πολύ καλή ευκαιρία για την παρουσίαση των δυνατοτήτων της γλώσσας για εφαρμογές Web με JSON API μέσω της βιβλιοθήκης Flask καθώς και για την υλοποίηση κρυπτογραφίας, δικτύωσης και σειριακής επικοινωνίας.
    • Transactive energy is one of the modern trends in energy networks. Energy production points are distributed in such a way that, in combination with smart meters, allow producers and consumers to exchange energy with each other, without requiring the participation of any central third party. The benefits of such an architecture are significant and its development is planned by many power companies, but presents challenges. The integration of distributed transaction points presents risks regarding security, violation of personal data and attempts to create fictitious transactions. In this dissertation, a proposed infrastructure that will reliably support the transaction energy service, based on transactions using blockchain as well as smart contracts with fully decentralized functions, is developed. Energy transactions are included in a blockchain, transmitted in all nodes and safeguarded locally when necessary. Reproduction, due to repetition, guarantees integrity and protects against any violation, while local safeguarding provides assurance against network damage. Energy transactions are carried out in accordance with common, transparent rules. Both energy trading and contract transactions are visible to everyone because they involve all the nodes of the blockchain. The direct connection of meters through serial or network communication is an additional safeguard for the objective measurement of the energy reserve. This dissertation was a significant opportunity to present the potential of blockchain technology and the flexibility it can provide when it is fully understood. Thus, using existing knowledge, experience and commercial technologies such as Single-Board Computers (Raspberry Pi) and Microcontrollers (Arduino), a community of Prosumers was created, i.e., simultaneous producers-consumers of electrical energy connected to a blockchain network. The node structure was implemented with Single-Board Computers (SBC). The nodes implement all the functions of blockchain technology, such as registering transactions, configuring blocks, encrypting and Proof of Work. In addition, there was a direct connection with microcontrollers, that communicated through a serial protocol, at the nodes. Microcontrollers simulated smart energy meters while additional data that could be obtained from sensors (e.g., for current sunshine, wind intensity, clouds, humidity) for the subsequent processing of the information were simulated using APIs and real-time pumping from websites with open weather data. The resulting information enters the network and can be taken into account, e.g., for shaping the transaction price, as well as for the criteria on executing a smart contract. The use of the nodes (SBC) as computing systems implementing functions beyond their role as nodes of the blockchain network was a basic principle of the work. The involvement of many connected Raspberry Pis as representative SBCs, which operate continuously and perform all the functions of the blockchain, have contributed to satisfying most of the requirements of the work. Finally, the use of a very popular language such as Python, which is directly connected to Raspberry Pi, was a very good opportunity to present the possibilities of the language for Web applications with JSON API through the Flask library as well as to implement cryptography, networking and serial communication.
  13. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.