CN107688944A - 一种基于区块链的电力系统交易方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的电力系统交易方法，即利用区块链来记录电力系统的具体交易信息，通过智能合约自发执行资金的转移并收集智能电表的电能数据，使系统中的交易管理机构仅对已经完成的交易进行安全校验，从而保证电力系统不出现阻塞等异常状况；由于交易被记录在每一个节点中，当某些节点受到攻击时，受到攻击的节点可以通过未收到攻击的节点重建数据，保证了数据安全性。

Description

一种基于区块链的电力系统交易方法

技术领域

本发明属于电力系统及区块链技术领域，具体涉及一种基于区块链的电力系统交易方法。

背景技术

近年来能源互联网快速发展、电力市场化改革持续推进以及分布式发电、储能、电动汽车、需求侧响应的推广和普及，电力系统中的消费者将转变为产消者(同时拥有生产和消费能力的电力系统节点)，可再生能源实现局部消纳，降低了能量传输过程中的损耗，这便是“零边际成本社会”的定义。系统中大量产消者的接入形成了新的电力双边自由贸易，电力市场参与主体的增加和复杂化使得交易信息变得海量，大大增加了对电力交易的管理难度，如何合理准确的管理海量交易信息便成为当务之急。

传统电力系统采用中心化管理的模式来处理电力交易，利用交易中心的约束力和垄断性实现供电方和用户交易，并将交易信息集中记录在交易中心，但这一方式会带来以下弊端：

(1)中心机构需要雇佣大量数据审核和校对人员对其中心数据库进行管理维护，在最终交易结算时，要和第三方金融机构如银行等进行信息核对，可能花费较高的成本。

(2)从数据安全和用户隐私的角度看，如果交易中心受到黑客攻击，数据很有可能被篡改和丢失，造成严重的后果。

区块链技术的发展为解决传统电力交易模式存在的问题提供了新思路，区块链技术是分布式存储的账本，每个区块相当于账本中的一页，记录了一段时间内的交易信息以及上一个区块的哈希值。区块按时间顺序相连，形成区块链，区块链被记录在网络中的所有节点中，由所有节点共同维护；在区块链网络中，每一笔交易都是可追溯且难以篡改的，因此在交易双方进行交易时，可以通过查阅之前的交易记录来验证交易是否能够达成。此外，在区块链的基础上引入智能合约，能够扩展区块链的功能，交易双方能够事先将达成的协议以代码的形式存储在区块链上，当合约执行时间到来时，智能合约将会根据事先的协定自动执行，完成价值的转换，从而解决交易双方之间的信任问题。

发明内容

针对传统电力交易方法成本高，安全性差不足的缺点，本发明提供了一种基于区块链的电力系统交易方法，即利用区块链来记录电力系统的具体交易信息，通过智能合约自发执行资金的转移并收集智能电表的电能数据，使系统中的交易管理机构仅对已经完成的交易进行安全校验，从而保证电力系统不出现阻塞等异常状况。

进一步地，所述交易管理机构仅对电力系统进行阻塞管理即输电服务要求超过了电网实际输送能力而采取的市场缓解机制，在确定阻塞价格时只需知道具体线路的越界信息，而无需知晓具体的交易信息，从而很好地保护了用户隐私，所述阻塞价格即阻塞管理方案实施后电力系统各节点的电价。

进一步地，所述电力系统中的产消者均安装有智能电表以及已通过认证且链接至区块链的客户端，所述智能电表用于记录产消者的发电量和用电量并与客户端共享数据，使得产消者的电量情况能够上传至区块链，此时电力系统中的每个产消者便成为了区块链网络中的节点。

进一步地，交易开始后交易双方先进行价格博弈确定某一笔电力交易的价格并把交易信息写入至智能合约中，之后将该合约通过P2P广播至区块链网络的各个节点；当共识时间到达时，网络中的节点将近期收到的所有智能合约打包成集合并以Merkle Tree的形式保存至新的区块中，进而将该区块发送给网络中的其他节点进行共识，各节点达成共识后便把新的区块上传给交易管理机构进行安全校验：若交易满足线路潮流约束即通过安全校验，各节点将该区块记录添加至区块链上；若交易使得线路实际输电量超过了其最大输电容量即未通过安全校验，交易管理机构则对该交易进行管理调整；整个过程中智能电表一直在记录节点的发电和用电数据并将数据上传记录至区块链上，当交易清算时间到达时，智能合约根据交易双方实际的发电和用电数据以及事先协定自动完成资金的转移。

进一步地，所述交易管理机构对交易进行管理调整包括以下两种实施方案：一种是采用制定阻塞价格的方法对交易进行管理调整，即使交易双方重新进行博弈达成交易，重新进行安全校验，经过反复迭代直至达成满足线路潮流约束的交易，并将包含该交易信息的区块记录添加至区块链上；另一种是以交易调整量最小作为目标函数以线路潮流为约束条件对交易进行管理调整，在交易调整后将包含该交易信息的区块记录添加至区块链上。

进一步地，所述智能合约是一套用数字形式定义的承诺，其控制着数字资产并包含了合约参与者约定的权利和义务，由计算机系统自动执行；智能合约以数字化的形式被写入至区块链中，利用区块链技术的特点来确保存储、读取、执行过程的公开透明和不可篡改性。

本发明电力系统交易方法利用区块链来记录电力系统具体交易信息，自发执行资金的转移并收集智能电表的电能数据，管理中心仅对已经完成的交易进行安全校核，来保证电力系统不出现阻塞，实施成本较低；由于交易被记录在每一个节点中，当某些节点受到攻击时，受到攻击的节点可以通过未收到攻击的节点重建数据，保证了数据安全性。

附图说明

图1为本发明利用价格进行阻塞管理的交易流程示意图。

图2为本发明通过解最优化问题进行阻塞管理的交易流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于区块链技术提出了一种非中心化的电力交易新方法，即利用区块链来记录电力系统具体交易信息，自发执行资金的转移，并收集智能电表的电能数据，管理中心仅对已经完成的交易进行安全校核，来保证电力系统不出现阻塞等异常状况，阻塞即指电力系统由于本身网络的容量限制不能满足所希望的输电计划的状态，如果把电力交易作为自由贸易来传输，并没有考虑线路的流量限制。

在这种模式下，交易中心机构仍然存在，但与传统交易方式相比，其权力得到大幅度限制。传统电力交易模式下，交易中心掌握了所有交易信息，很难真正保障用户隐私安全；然而在非中心化交易方法下，中心机构仅对电力系统进行阻塞管理(即输电服务要求超过了电网的实际输送能力而采取的市场缓解机制)，在确定阻塞价格(即阻塞管理方案实施后电力系统各节点的电价)时，只要知道具体线路的越界信息，而不需要知晓具体的交易信息，从而很好地保护了用户隐私。整个交易过程构想按照阻塞管理方法不同有如图1和图2所示的两种具体实施方案。

图1和图2中，假定电力系统中的每一个产消者都已安装一只智能电表和一个已通过认证的能链接到区块链的客户端，智能电表用于记录某一产消者的发用电量并与客户端共享数据，即每个产消者的能量情况能上传至区块链，此时电力系统给内每个产消者便成为了区块链中一个节点。

交易开始后，电力交易者双方先进行价格博弈确定某一笔交易的价格，并把交易信息写入到智能合约中，之后将该合约通过P2P网络广播到全网络的各个节点。各节点开始“寻找”有效的交易单号并相互通信，当有效的交易单号形成，各节点达成共识后，便把“制作”的交易单上传给中心机构进行安全校核，如果安全校核通过，交易便会被记录在区块链上。

如果交易不满足安全校核(即电网各线路的实际输电量超过其最大输电容量，不满足线路潮流约束)，中心机构对交易进行阻塞管理。如果采用制定阻塞价格的方法进行交易的调整，如图1所示，市场参与者重新进行博弈达成交易，并重新进行安全校核，经过反复迭代，最后达成满足线路潮流约束的交易，并将交易记录在区块链上。如果由中心机构以交易调整量最小作为目标函数，线路潮流为约束条件，对交易进行调整，如图2所示，则在调整后可直接将交易信息记录在区块链上。在整个过程中，智能电表一直记录每个用户的发用电数据，并将数据记录在区块链上。当交易清算时间到达时，智能合约将根据用户的实际发用电数据以及事先协定自动完成资金的转移。

智能合约在交易过程起到了关键的作用，该合约是一套用数字形式定义的承诺，其控制着数字资产并包含了合约参与者约定的权利和义务，由计算机系统自动执行；智能合约以数字化的形式被写入到区块链中，用区块链技术的特点来确保存储、读取、执行过程的公开透明和不可篡改性。另外，区块链自带的共识算法会构建出一套系统，在这一系统上的智能合约能高效运行，智能合约的存在是电力交易系统非中心化的基础。

考虑到电力交易的安全校核需要掌握一段时间内所有的交易信息，因此本实施方式给交易设定了一个周期：每15min达成一组交易。市场参与者经过博弈达成双边和多边交易后，将达成的交易以智能合约的形式暂时储存在各个节点的内存中，每一笔智能合约具有如下属性：电量、价格、交易时间、违约金额；其中，交易时间指交易双方实际进行电力交换的时间，同时也是完成货币清算即价值转移的时间，同一个周期内的一组交易的交易时间相同，违约金额指发电方如果没有发出相应电量应该赔偿的金额；交易双方分别用各自的私钥进行签名，以确保合约的有效性。

智能合约缔结完成后，通过P2P网络广播到每一个节点，区块链中的节点将收到的合约保存在内存中，等待新一轮的共识时间，触发对合约的共识和处理。在共识时间到达时，节点会把最近一段时间内保存的所有合约打包成一个合约集合，以Merkle Tree的形式保存在区块中(Merkle Tree是一种二叉树，所有的交易信息都被记录在二叉树的叶节点上，叶节点同时记录了交易信息的哈希值；Merkle Tree的所有内部节点都记录了其子节点的哈希值之和的哈希值，当某个叶节点的信息发生修改时，其哈希值以及其所有父节点的哈希值都会被改变，最终导致根节点的哈希值被改变；当有人想恶意篡改电力交易信息并将其广播到网络中其他节点时，其他节点只需校验Merkle Tree的根节点，就能够得知交易信息被篡改，从而不接受被篡改的信息)，节点将打包好的区块结构发送给网络中的其他节点，其他验证节点受到这个区块结构后，把里面包含的合约集合的哈希值取出来，与自己保存的合约集合进行比较，同时发送一份自己认可的合约集合给其他的验证节点；通过这种多轮的发送和比较，所有的验证节点最终在规定的时间内对最新的合约集合达成一致，当区块结构被所有节点认可后便添加到区块链中，不能再被修改或删除。

由于区块链信息对电力系统的各节点共享的，电力系统中各节点只要通过公共的查询接口，完成必要的身份验证后即可获得区块链上储存的交易信息。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于区块链的电力系统交易方法，其特征在于：利用区块链来记录电力系统的具体交易信息，通过智能合约自发执行资金的转移并收集智能电表的电能数据，使系统中的交易管理机构仅对已经完成的交易进行安全校验，从而保证电力系统不出现阻塞异常状况。

2.根据权利要求1所述的电力系统交易方法，其特征在于：所述交易管理机构仅对电力系统进行阻塞管理即输电服务要求超过了电网实际输送能力而采取的市场缓解机制，在确定阻塞价格时只需知道具体线路的越界信息，而无需知晓具体的交易信息，从而很好地保护了用户隐私，所述阻塞价格即阻塞管理方案实施后电力系统各节点的电价。

3.根据权利要求1所述的电力系统交易方法，其特征在于：所述电力系统中的产消者均安装有智能电表以及已通过认证且链接至区块链的客户端，所述智能电表用于记录产消者的发电量和用电量并与客户端共享数据，使得产消者的电量情况能够上传至区块链，此时电力系统中的每个产消者便成为了区块链网络中的节点。

4.根据权利要求1所述的电力系统交易方法，其特征在于：交易开始后交易双方先进行价格博弈确定某一笔电力交易的价格并把交易信息写入至智能合约中，之后将该合约通过P2P广播至区块链网络的各个节点；当共识时间到达时，网络中的节点将近期收到的所有智能合约打包成集合并以Merkle Tree的形式保存至新的区块中，进而将该区块发送给网络中的其他节点进行共识，各节点达成共识后便把新的区块上传给交易管理机构进行安全校验：若交易满足线路潮流约束即通过安全校验，各节点将该区块记录添加至区块链上；若交易使得线路实际输电量超过了其最大输电容量即未通过安全校验，交易管理机构则对该交易进行管理调整；整个过程中智能电表一直在记录节点的发电和用电数据并将数据上传记录至区块链上，当交易清算时间到达时，智能合约根据交易双方实际的发电和用电数据以及事先协定自动完成资金的转移。

5.根据权利要求4所述的电力系统交易方法，其特征在于：所述交易管理机构对交易进行管理调整包括以下两种实施方案：一种是采用制定阻塞价格的方法对交易进行管理调整，即使交易双方重新进行博弈达成交易，重新进行安全校验，经过反复迭代直至达成满足线路潮流约束的交易，并将包含该交易信息的区块记录添加至区块链上；另一种是以交易调整量最小作为目标函数以线路潮流为约束条件对交易进行管理调整，在交易调整后将包含该交易信息的区块记录添加至区块链上。

6.根据权利要求1所述的电力系统交易方法，其特征在于：所述智能合约是一套用数字形式定义的承诺，其控制着数字资产并包含了合约参与者约定的权利和义务，由计算机系统自动执行；智能合约以数字化的形式被写入至区块链中，利用区块链技术的特点来确保存储、读取、执行过程的公开透明和不可篡改性。