CN109256813A - 一种基于区块链的分布式电能储存系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的分布式电能储存系统，包括信息网络，用于接收或者发布各个节点的信息；电力网络，用于接收或发布储能节点和需求节点的电力信息；需求节点，根据自身需要的储能服务拟定标准合约，并通过信息网络进行发布；储能节点，根据标准合约内容匹配相关的储能节点；认证节点，通过协作对匹配的储能节点进行审查，形成有效标准合约；数据节点，暂存有效标准合约，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息；本发明还公开了一种基于区块链的分布式电能储存系统的运行方法。本发明可以提高分布式电能存储系统运行效率，防止人为对系统数据篡改造假，在不同储能设备中间实现公平竞争。

Description

一种基于区块链的分布式电能储存系统及运行方法

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分布式电能储存系统，还涉及一种基于区块链的分布式电能储存系统的运行方法。

背景技术

随着电池技术快速发展，分布式电能存储系统开始兴起。通过对分布在不同地点的众多储能装置进行协调控制，共同为电力系统、重要负荷、新能源发电等提供储能服务。然而，随着存储装置不断接入，集中控制模式在响应时间、效率、公平等方面难以满足要求。而区块链技术具有去中心化、透明化、合约执行自动化、可追溯性特点，可为分布式电能存储系统优化管理提供支持。

专利号为201711463442.X本发明涉及一种基于区块链技术的分布式能源系统，所述系统包括分布式能源发电模块、能源分析调控模块和智能管理模块；当分布式能源区块链处于电量缺额状态时，启动分布式蓄能装置对分布式能源区块链进行电能补给，若分布式蓄能装置补给电能工作结束后，分布式能源区块链仍处于电量缺额状态时，令电网向分布式能源区块链补给电能。该专利能够实现分布式能源的协调优化与智能控制，保障电网能够安全、稳定运行，但是在响应时间、效率、公平等方面难以满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于区块链的分布式电能储存系统，本发明可以提高分布式电能存储系统运行效率，防止人为对系统数据篡改造假，在不同储能设备中间实现公平竞争。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于区块链的分布式电能储存系统，包括：

信息网络，用于接收或者发布各个节点的信息；

电力网络，与需求节点和储能节点分别连接，用于接收或发布储能节点和需求节点的电力信息；

需求节点，与电力网络和信息网络分别相连，根据自身需要的储能服务拟定标准合约，并通过信息网络进行发布；

储能节点，与信息网络和电力网络分别相连，根据标准合约内容匹配相关的储能节点；

认证节点，与信息网络相连，通过协作对匹配的储能节点进行审查，形成有效标准合约；

数据节点，与信息网络相连，暂存有效标准合约，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息。

进一步地，所述储能节点通过已用存储容量、可用存储电量、最大充电功率和放电功率四元组来表示。

进一步地，所述标准合约通过储能服务的起点时间戳、服务时长、服务内容和功率大小四元组表示。

进一步地，所述数据节点中有效标准合约达到一定数量，由认证节点统一提取出来形成区块链。

进一步地，所述区块链包括若干区块，所述区块包括区块头和区块体。

进一步地，所述区块头包括上一区块Hash值、Merkle树根、生成时间戳和后状态。

进一步地，所述区块体包括有效标准合约和前状态生产的Merkle树。

所述前状态指从上一个区块中读取的后状态；所述后状态指本区块最后一个有效合约执行后各储能节点状态。

进一步地，所述标准合约一旦确认生效将不能修改，满足条件自动执行。

进一步地，所述审查包括数据真实性审查和电力网络约束审查，通过区块历史数据查验当前数据的真实性，计算储能服务可行性及相关指标，选择最优匹配结果；

根据上述的一种基于区块链的分布式电能存储系统，还包括一种基于区块链的分布式电能存储系统的运行方法，包括以下步骤：

S1，需求节点根据自身需要的储能服务拟定合约内容，并通过信息网络进行发布；

S2，与电力网络连接的所有满足标准合约要求的储能节点均可进行匹配，匹配结果发送至认证节点；

S3，认证节点通过协作对匹配结果进行审查，通过区块历史数据查验当前数据的真实性，计算储能服务可行性及相关指标，选择最优匹配结果，该结果所对应标准合约正式有效；

S4，有效标准合约产生后，将其放入数据节点中暂存，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息；

S5，当数据节点中有效的标准合约达到一定数量，由认证节点统一提取出来，通过Hash计算生成Merkle树，补全区块头所需数据，永久存入各数据节点，与上一区块形成链接。

本发明的有益效果：

(1)每个储能节点均能根据需求节点标准合约的内容自动进行匹配，订单自动生成，最大限度降低主观影响对储能市场的干扰，时效性强，快速响应储能需求，通过区块链自动实现审查与确认；

(2)标准合约一旦经过储能节点和需求节点的确认便生效，生效后标准合约将写入区块，使得标准有效合约的内容不能进行修改，使得双方的交易具有不可否认性。

(3)通过将状态数据纳入Merkle树，能够从上一区块中的后状态信息中调取本次标准合约相关存储节点状态，检验其是否存在造假以及是否满足本次标准合约中提出的要求，防止储能节点伪造自身状态进行恶意竞争，杜绝各类欺骗和投机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例区块链结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于区块链的分布式电能储存系统，包括：

信息网络，用于接收或者发布各个节点的信息；

电力网络，与需求节点和储能节点分别连接，用于接收或发布储能节点和需求节点的电力信息；

需求节点，与电力网络和信息网络分别相连，根据自身需要的储能服务拟定标准合约，并通过信息网络进行发布；

储能节点，与信息网络和电力网络分别相连，根据标准合约内容匹配相关的储能节点；

认证节点，与信息网络相连，通过协作对匹配的储能节点进行审查，形成有效标准合约；

数据节点，与信息网络相连，暂存有效标准合约，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息。

所述储能节点通过已用存储容量、可用存储电量、最大充电功率和放电功率四元组来表示。

所述标准合约通过储能服务的起点时间戳、服务时长、服务内容和功率大小四元组表示。

所述数据节点中有效标准合约达到一定数量，由认证节点统一提取出来形成区块链。

所述区块链包括若干区块，所述区块包括区块头和区块体。

所述区块头包括上一区块Hash值、Merkle树根、生成时间戳和后状态。

所述区块体包括有效标准合约和前状态生产的Merkle树。

所述前状态指从上一个区块中读取的后状态；所述后状态指本区块最后一个有效合约执行后各储能节点状态。

所述标准合约一旦确认生效将不能修改，满足条件自动执行。

所述审查包括数据真实性审查和电力网络约束审查，通过区块历史数据查验当前数据的真实性，计算储能服务可行性及相关指标，选择最优匹配结果；

本发明实施例2还提供一种基于区块链的分布式电能存储系统的运行方法，包括以下步骤：

S1，需求节点根据自身需要的储能服务拟定合约内容，并通过信息网络进行发布；

S2，与电力网络连接的所有满足标准合约要求的储能节点均可进行匹配，匹配结果发送至认证节点；

S3，认证节点通过协作对匹配结果进行审查，通过区块历史数据查验当前数据的真实性，计算储能服务可行性及相关指标，选择最优匹配结果，该结果所对应标准合约正式有效；

S4，有效标准合约产生后，将其放入数据节点中暂存，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息；

S5，当数据节点中有效的标准合约达到一定数量，由认证节点统一提取出来，通过Hash计算生成Merkle树，补全区块头所需数据，永久存入各数据节点，与上一区块形成链接。

假定需求节点数量10，分别编号为M01，M02，……，M10；储能节点数量30,分别编号为N01，N02，……，N20；认证节点数量为8，分别编号为P01，P02，……，P08；数据节点数量为5，分别编号为Q01,Q02，……，Q05。

储能节点关键参数在此以四元组进行表示：(Used，Empty，Charge，Discharge)。

其中，Used表示已用存储容量、Empty表示可用存储电量、Charge表示最大充电功率，Discharge表示放电功率。

假定各储能节点参数如下：

N01～N08：(5000kWh，10000kWh，500kW，400kW)

N09～N16：(6000kWh，12000kWh，600kW，600kW)

N17～N20：(5000kWh，4000kWh，300kW，300kW)

需求节点通过发布标准合约来寻找合适的储能服务。一般来说，标准合约应对储能需求各项参数具有全面描述。在此为方便表述，采用如下四元组对关键数据进行简单描述：(Demand，StartStamp，Length，Form，Power)。其中，StartStamp表示储能服务的起点时间戳；Length表示服务时间长，统一单位为秒(s)；Form表示服务内容，储能单元充电为1，放电为0；Power表示功率大小，正值表示吸收电能，负值表示释放。假定需求节点M03发布某项标准合约：(M03，1533193629，2000，1，120)，即表示M03号从时间戳1533193629(即2018-8-27:07:09GMT)开始，以120kW功率进行注入，持续时间在2000s，要求对应储能节点配合其响应，进行同等时间和功率的充电操作。标准合约生成后附加需求节点数字签名后通过网络进行广播。区域内各储能节点均可通过数字签名验证标准合约的真实性，若真实则继续跟自身参数进行比较，满足条件者将匹配成功。通过参数对比，不难发现N01～N08满足要求并进行匹配。匹配结果进一步添加储能节点数字签名后发送至认证节点。

在实际应用中，联盟链认证节点主要包括参与方代表或监管方代表等。认证节点无需进行大型的POW工作量证明，因此比公有链具有更快的响应速度。审查内容应包括回溯区块链验证匹配双方数据真实性，是否满足物理约束、比较在电力网络中传输的损耗及选择最优等。认证节点对合约的审查可以采取并行和串行模式。并行模式将同时启动多个方面审查，最终汇聚后进行比较，适应于审查内容较多的情况。而串行模式可降低计算冗余性，在部分必要约束不满足条件的情况下，可提前终止后续审查环节并退回。若审查通过则添加该认证节点数字签名并进行下一项审查；下一环节在审查验明前一环节数字签名后继续进行；一直进行至末端环节。为方便对不同匹配进行比较，一般情况下指定唯一末端认证节点。而其余审查环节可安排多个具有相同功能的认证节点以分担压力。当多个匹配结果通过前面审查到达末端认证节点，则按指标重要性或多指标加权等模式确认最优结果。

此处，不妨假定串行模式对匹配结果进行简单审查，其顺序为：数据真实性审查→电力网络约束审查→传输损耗审查→最优选择。前一节点完成后发送给负责下一项审查的认证节点，不妨假设节点顺序为：P02→P05→P06→P08。P08节点为固定末端认证节点，以便收集之前的各类审查结果对各类匹配结果进行比较。

(1)数据真实性审查。由认证节点P02选择负责该项审查内容的认证节点，P02将从某一数据节点查询历史区块链信息，从上一区块中的后状态信息中调取本次标准合约相关存储节点状态，检验其是否存在造假以及是否满足本次标准合约中提出的要求等。如某储能节点申报的总容量为20000kWh，通过查询其在上一区块的后状态得知其可用的剩余容量仅为2000kWh，若在其参与匹配的合约中充电量超过该数值，则视为作弊或虚假。通过区块链技术，实现了储能节点在系统中的变化过程均有迹可循。

(2)电力网络约束审查。基于电力网络模型，P05计算该次储能服务是否受到电力网络限制。例如，采用网络PTDF系数(Power Transfer Distribution Factor)检查网络中需求节点和储能节点注入或吸收一定功率时，某条线路是否会因此超过了其最大电流额度等。

(3)若前两项审查通过后，根据网络模型估算网络损耗。在简单模式下，可采用直流潮流模型进行估算。若P06公认节点算力充足，可考虑采用全面交流模型进行计算。比较得到损耗最小的储能方案。

(4)在以上步骤完成后，将该匹配放入最终认证节点，到达等待时间后可简单选择较低网损的交易，也可建立公认的多目标评估体制。不放假定(M03，N05)和(M03，N07)两项匹配结果均到达最后，而(M03，N07)匹配被末端节点确认为最优。则M03和N07之间的标准合约将生效，视为有效合约1。合约信息记录表示如下：(M03，1533193629，2000，1，120，N07)。有效标准合约将临时存入数据节点，添加末端节点数字签名后在信息网络广播(仍包含之前各认证节点数字签名，防止末端认证节点单独伪造或被篡改)。同时。当临时存储的有效合约达到一定数量，各数据节点将提取出多条有效合约，发送请求至多个认证节点，启动区块生成。

如图2所示。区块头包括上一区块Hash值、Merkle树根、生成时间戳、后状态；区块体为有效合约Hash树。将前一区块末的状态数据可以方便认证节点查询，避免回溯整个区块链，同时写入本次Merkle树将防止恶意篡改。而本区块的后状态由有效合约和前状态更新，同样保证了可靠性。

本发明工作原理：通过引入区块链技术，需求节点将所需求的储能服务制定成标准合约内容，通过信息网络发布，储能节点自动匹配标准合约并发送至认证节点处认证，形成有效标准合约，标准合约一经确认便不能修改，并且在系统内自动运行，有效标准合约在数据节点处形成区块，若干区块前后链接形成区块链，通过将状态数据纳入Merkle树，防止储能节点伪造自身状态进行恶意竞争，杜绝各类欺骗和投机。

本发明可以提高分布式电能存储系统运行效率，防止人为对系统数据篡改造假，在不同储能设备中间实现公平竞争。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，包括：

信息网络，用于接收或者发布各个节点的信息；

电力网络，与需求节点和储能节点分别连接，用于接收或发布储能节点和需求节点的电力信息；

需求节点，与电力网络和信息网络分别相连，根据自身需要的储能服务拟定标准合约，并通过信息网络进行发布；

储能节点，与信息网络和电力网络分别相连，根据标准合约内容匹配相关的储能节点；

认证节点，与信息网络相连，通过协作对匹配的储能节点进行审查，形成有效标准合约；

数据节点，与信息网络相连，暂存有效标准合约，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述储能节点通过已用存储容量、可用存储电量、最大充电功率和放电功率来表示。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述标准合约通过储能服务的起点时间戳、服务时长、服务内容和功率大小来表示。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述标准合约确认生效后不能修改。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述认证节点将暂存在数据节点中的有效标准合约提取出来并形成区块链。

6.根据权利要求5所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述区块链包括若干区块，所述区块包括区块头和区块体。

7.根据权利要求6所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述区块头包括上一区块Hash值、Merkle树根、生成时间戳和后状态。

8.根据权利要求6所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述区块体包括有效标准合约和前状态生产的Merkle树。

9.根据权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电能储存系统，其特征在于，所述对储能节点的审查包括数据真实性审查和电力网络约束审查。

10.一种包括权利要求1-9任意一项所述的基于区块链的分布式电能储存系统的运行方法，包括以下步骤：

S1，需求节点根据自身需要的储能服务拟定标准合约内容，并通过信息网络进行发布；

S2，与电力网络连接的所有满足标准合约要求的储能节点均可进行匹配，匹配结果发送至认证节点；

S3，认证节点通过协作对匹配结果进行审查，通过区块历史数据查验当前数据的真实性，计算储能服务可行性及相关指标，选择最优匹配结果，该结果所对应的标准合约正式生效；

S4，有效标准合约产生后，将其放入数据节点中暂存，并在信息网络中发布，确保有效标准合约涉及的储能节点和需求节点双方得到确认信息；

S5，当数据节点中有效的标准合约达到一定数量，由认证节点统一提取出来，通过Hash计算生成Merkle树，补全区块头所需数据，永久存入各数据节点，与上一区块形成链接。