CN111447241A - 基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法及其系统 - Google Patents

基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法及其系统，用户发起接入子链网络的上链请求；触发校验智能合约，执行需求侧响应终端上链流程；然后将与台网内的所有需求侧响应终端并入一个子链网络；终端为用户定制个性化的需求侧响应策略，授权后，终端具有发起的需求响应指令的能力；决策层决策区块链系统将需求指令加密后，对主链层主链网络广播需求指令；主链层主链网络接收需求指令并解密后，对子链网络广播需求指令；子链网络内响应需求侧管理指令，将指令先后的监测对比得到响应力度值；子链网络内指令力度大的终端将获得出块权，负责区块链的记账权。本发明建立起一套完整的可追溯交易体系，达到对交易的透明监管。

Description

基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法及其系统
技术领域
本发明涉及电力市场需求侧响应的技术领域，尤其涉及基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法及其系统。
背景技术
电力市场需求侧响应是通过对用户的用电量进行调整，来实现对电力市场的资源配置；通过电力价格信号,来增加需求侧价格弹性在电力市场中的作用；通过电力市场激励机制，促进区域电力平衡和需求侧负荷资源的优化配置。
随着泛载电力物联网的提出和发展，以及我国售电侧市场逐步放开，能源系统的参与者越来越多元化，电力市场中将会出现更多具有独立响应能力的实体参与到电力市场中，如：电网企业、负荷集成商、服务提供商、第三方机构等，供给侧和需求侧的信息交互也更加重要和频繁，能源服务的交易方式、调度方式、定价机制将会发生较大的变化。
然而，现有的市场机制在需求响应业务实际操作执行过程中，服务定价、专项补贴资金使用、罚款的归属等在监管、核算等方面仍存在着监管难题。而且当前电网公司主要以节电指标来开展需求侧管理的工作，很少考虑用户与电网之间的互动，存在用户激励手段有限、用户参与度低，用户互动效果差的问题。因此在需求响应业务大规模实施时，若仍然采用完全中心化的集中管控手段，将难以实现低成本、大规模参与用户的交互。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种可信度高，真实准确的基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法，采用分布式的记账方式，建立起一套完整的可追溯交易体系，达到对交易的透明监管，同时实现在电力市场需求侧的用户很好地与电网之间的互动，达到电力市场的资源优化配置的目的。
本发明提供了一种基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法，包括以下步骤：
(1)用户发起需求侧响应终端接入子链网络的上链请求，所述终端上链请求包括用户侧的用电数据和用户侧信息；
(2)触发校验智能合约，所述校验智能合约对所述用户的身份进行校验，校验合法性通过后，执行所述的需求侧响应终端上链流程；
(3)所述终端上链完成后将与台网内的所有需求侧响应终端并入一个子链网络，并成为子链网络上的一个节点，同时该子链系统映射在主链上成为一个主链节点；
(4)所述终端观测规定时长用户的用电行为后为用户定制个性化的需求侧响应策略，在获得用户授权后，终端具有响应主链发起的需求响应指令的能力；
(5)决策层决策区块链系统将需求指令采用私钥加密后，对主链层主链网络广播需求指令；
(6)所述主链层主链网络接收需求指令并采用公钥对密文正确解密后，对子链网络广播需求指令；
(7)所述子链网络内的需求侧响应终端受到广播消息后，响应需求侧管理指令，将响应需求侧管理的指令先后的监测对比得到响应力度值；
(8)子链网络内响应需求侧管理指令力度大的终端将获得出块权，负责区块链的记账权。
进一步的，上述流程出现分叉后，从分叉的地方开始，计算各个分叉后面的POW的工作量，工作量最大的分叉视为唯一合法的分叉。
本发明还提供一种基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统，在架构上分为三层：
(1)决策层：需求指令注入端网络决策系统。决策层是在电力光纤专网内由需要发布需求侧响应的不同市场主体，如电网公司、第三方售电机构构成。相应的主机部署在各个市场主体的内部机房内。决策层由需求侧决策区块链系统构成，用于对主链层下发需求指令，并触发高层智能合约进行奖励和惩罚，在决策层区块链系统内记录需求响应决策全过程。决策层根据主链节点的响应力度值，对主链上的每一个节点进行奖励或惩罚
(2)主链层：需求侧主链系统。主链层由需求侧响应主链网络构成，各个主链节点根据决策层指令向子链网络下发相应的需求响应指令，记录所有装置和子链节点的响应结果，并根据终端节点和主链间签署的智能合约执行奖励和惩罚。主链主机根据需要可部署在枢纽型、平台型或共享型能源站内。
(3)响应层：需求侧响应装置。响应层由安装在用户、分布式电源端和微网的终端装置在电力无线专网内组网构成，并以台区为单位形成一个独立的子链网络，在安装时设置其在主链的账号及其智能合约，终端接收响应指令并根据用户设置进行响应，如实记录并反映用户的需求侧响应行为。用户可通过手机接入终端，从主链层提取自身账号内的需求侧响应积分。
本发明为提高需求侧响应的效率，将整个系统设计为主链网络和若干子链网络组成的主从网络结构。子链网络由若干终端在5G切片电力专网内组成，并和2台互为备用的主链主机节点有映射对应关系。由于子链节点的算力和存储空间有限，所以并不具备出块能力，子链网络上的出块权由主链上的节点来负责。主链由电力光纤专网内的主机组成，每一次由决策网络发起的需求响应指令中，主链网络根据映射关系选择两台互为备用的主机中的一台主机代表子链网络进行出块，记录对应子链网络中的所有交易，并对每一个相应账号进行奖励或惩罚。主链网络根据各个子链网络的需求响应力度汇集值，将奖励积分奖励给对应的出块节点。
本发明所有期待接入响应层的终端需要和主链层进行身份认证后才能正在接入响应层子链网络；决策层决策区块链系统将需求指令采用私钥加密后，对主链层主链网络进行广播，主链接收并采用公钥对密文正确解密后，才可对子链层子链网络广播。
由于电力光纤专网对用户而言是不可访问的，所以主链必须有一部分节点要放置到公网上，为保障主链的安全，放置公网上的节点不具备出块功能，只提供账号积分查询功能。这样外网通过P2P网络只是负责接受新的区块数据，保持和专网区块链数据库的同步。
优选的，主链层网络分为三层：
(2.1)基础层：由P2P网络、区块链存储服务和电力GPS时钟服务构成，GPS时钟服务直接采用变电站内部的GPS时钟同步信号，将可实现非常精确的区块链时间戳服务。
(2.2)核心层：由摘要算法、ECC或国密非对称加密算法、轻量级POW算法、需求侧响应账本和智能合约虚拟机组成。
(2.3)服务层：由需求侧设备接入管理、主链节点管理和需求侧响应账本应用构成。
本系统设计为两层共识算法协作的系统，主链层和子链层共识算法都为轻量级的POW，其中子链采用轻量级POW算法保证响应力度值最大的节点获得记账权；主链根据子链响应需求侧管理指令的力度值，采用轻量级POW算法确定主链中的出块节点。这种两层的结构的共识算法，可防止任何可能的作恶节点。
本发明的需求侧响应主链网络共识算法在每一次需求侧管理指令下发后，将触发改变主链网络内主机所代表子链网络的状态进行切换，切换后将根据各个子链本次需求侧响应的总力度值，采用轻量级POW算法在主链上确定出块节点。由于主链网络采用电力光纤专网，网络延迟将比传统以太网大幅缩短1到2个数量级，进入单位毫秒级别，轻量级的POW的算法过程的速度将大幅提升。
本发明子链网络独立运行，内部采用轻量级POW算法确定出块节点，子链内响应需求侧管理指令力度大的节点将获得出块权，负责区块链的记账权。出现分叉后，从分叉的地方开始，计算各个分叉后面的POW的工作量，工作量最大的分叉视为唯一合法的分叉。
需要指出的是终端内部由于存储空间非常有限，内部只记录本终端出块的高度和HASH值，需求侧响应力度值最大的节点获得本次需求侧响应的记账权，其账号将获得积分奖励。由于子链网络采用5G切片电力专网，网络延迟将比传统以太网大幅缩短1到2个数量级，进入单位毫秒级别，轻量级的POW的算法过程的速度将大幅提升。
本系统专门设计了需求响应系统的底层数据格式，其由账号、区块、事务、实体、合约和配置数据构成。
账号：账户是需求侧响应的实际发起者和相关方，区块中记录的事务信息均被关联到相关的终端和能源市场账户之上；账号最后一项专门标注了电力市场所属机构的代码或标识。
区块：区块指一段给定时间内发生的需求侧响应事务处理会被编组成特定数据结构；
事务：事务指区块链系统上承载的需求侧响应业务动作，例如是削峰响应，还是填谷响应等。
实体：实体是需求侧响应事务的一些具体属性，包括发起方地址、接收方地址、交易发生额、响应力度量值。
合约：以计算机代码形式定义的需求侧响应智能合约代码，代码以中间代码形式保存在链上。
配置数据：配置数据指需求侧响应链正常运行过程中所需的配置信息，包括共识协议版本号，主链配置信息。
本发明需求响应力度量化算法描述：需求侧响应终端采用非侵入式方法24小时提取各个时段的用电/发电的指纹信息，并可根据用户设置连接相关设备的开关，在接收到需求侧响应后的直接控制设备的运行。
具体算法如下：
Figure BDA0002483580100000041
附图说明
图1是本发明网络系统架构图。
图2是本发明网络系统结构图。
图3是本发明网络系统主链在公网和专网的分工图。
图4是本发明网络系统主链功能及其结构图。
图5是本发明网络系统区块数据结构图。
图6是本发明网络系统主链内轻量级POW算法流程图。
图7是本发明网络系统子链内的轻量级POW算法流程。
具体实施方式
下面将参照附图详细地来描述本发明示例性的实施例。虽然附图中展示了本发明
示例性的实施例，然而可以以各种形式实现本发明，并且不应该被这里阐述的实施例所限制。相反地，提供下述实施例的目的是为了能更好地理解本发明，并且能将本发明的范围更完整的传达给本领域相关的技术人员。
本发明构建了一种基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法及其系统，该系统的架构包括响应层、主链层和决策层，如图1所示。其中如图4所示，主链层主链结构上分为三层：
(2.1)基础层：由P2P网络、区块链存储服务和电力GPS时钟服务构成，GPS时钟服务直接采用变电站内部的GPS时钟同步信号，将可实现非常精确的区块链时间戳服务。
(2.2)核心层：由摘要算法、ECC或国密非对称加密算法、轻量级POW算法、需求侧响应账本和智能合约虚拟机组成。
(2.3)服务层：由需求侧设备接入管理、主链节点管理和需求侧响应账本应用构成。
本系统设计为两层共识算法协作的系统，主链网络和子链网络共识算法都为轻量级的POW，其中子链网络采用轻量级POW算法保证响应力度值最大的节点获得记账权；主链网络根据子链网络响应需求侧管理指令的力度值，采用轻量级POW算法确定主链网络中的出块节点。这种两层的结构的共识算法，可防止任何可能的作恶节点。
图2是本发明基于区块链的电力市场需求侧响应网络结构图。为提高需求侧响应的效率，将系统设计为主链网络和若干子链网络组成的主从网络结构。子链网络由若干终端在5G切片电力专网内组成，并和2台互为备用的主机节点有映射对应关系；主链网络由电力光纤专网内的主机组成，每一次由决策网络发起的私钥加密后需求响应指令中，主链网络根据映射关系选择两台互为备用的主机中的一台主机代表子链网络进行出块，记录对应子链网络中的所有交易，并对每一个相应账号进行奖励或惩罚。
提供一种基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统的具体实施实例，具体实现方案如下：
S01：初始化，用户的基于区块链的电力市场需求侧响应终端安装后采集用户本地的用电设备信息，包括设备运行实时数据和用电实时数据；
S02：申请认证，用户的终端在得到用户授权后向主链发起身份认证请求，请求认证后接入子链网络；
S03：通过认证，主链审核后通过终端发起的认证请求，允许用户接入子链网络；
S04：定制相应策略：终端观测规定时长用户的用电行为后为用户定制个性化的需求侧响应策略，在获得用户授权后，终端具有响应主链发起的需求响应指令的能力；
S05：子链网络出块：主链决策网络发起需求响应指令，主链网络根据映射关系选择两台互为备用的主机中的一台主机代表子链网络进行出块，记录对应子链网络中的所有交易；
S06：主链出块：决策层网络根据各个主链节点的需求响应力度汇集值，记录主链网络中的所有交易；
S07：主链网络节点获取奖励积分：决策层网络根据主链网络的需求响应力度汇集值，将奖励积分奖励给对应的主链出块节点。
S08：子链网络节点获取奖励积分：主链网络根据各个子链网络的需求响应力度汇集值，将奖励积分奖励给对应的子链出块节点。
S09：奖励积分：主链网络根据各个子链网络的需求响应力度汇集值，将奖励积分奖励给对应的子链出块节点。
S10：提取积分：用户可通过手机接入终端，从主链层提取自身账号内的需求侧响应积分。
图3基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统主链在公网和专网的分工图，由于电力光纤专网对用户而言是不可访问的，所以主链必须有一部分节点要放置到公网上，为保障主链的安全，放置公网上的节点不具备出块功能，只提供账号积分查询功能。这样外网通过P2P网络只是接受新的区块数据，保持和专网区块链数据库的同步。
如图5所示，是本发明基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统区块数据结构图，本系统专门设计了需求侧响应链的底层数据格式，其由账号、区块、事务、实体、合约和配置数据构成。
如图6所示，是本发明基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统主链内轻量级POW算法流程图。
所述算法流程图中，在每一次需求侧管理指令下发后，将触发改变主链网络内主机所代表子链网络的状态进行切换，切换后将根据各个子链网络本次需求侧响应的总力度值，采用轻量级POW算法在主链网络上确定出块节点。由于主链网络采用电力光纤专网，网络延迟将比传统以太网大幅缩短1到2个数量级，进入单位毫秒级别，轻量级的POW的算法过程的速度将大幅提升。
如图7所示，是本发明基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统子链内轻量级POW算法流程图。
所述算法流程图中，需求侧响应力度值为6的节点获得本次需求侧响应的记账权，其账号将获得积分奖励。基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统子链内轻量级POW算法子链网络采用5G切片电力专网，网络延迟将比传统以太网大幅缩短1到2个数量级，进入单位毫秒级别，轻量级的POW的算法过程的速度将大幅提升。
应该注意到的是，上述实施例仅仅是对本发明实施例进行说明的，并非对本发明实施例进行限制，而且领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用户发起需求侧响应终端接入子链网络的上链请求，所述终端上链请求包括用户侧的用电数据和用户侧信息；
(2)触发校验智能合约，所述校验智能合约对所述用户的身份进行校验，校验合法性通过后，执行所述的需求侧响应终端上链流程；
(3)所述终端上链完成后将与台网内的所有需求侧响应终端并入一个子链网络，并成为子链网络上的一个节点，同时该子链系统映射在主链上成为一个主链节点；
(4)所述终端观测规定时长用户的用电行为后为用户定制个性化的需求侧响应策略，在获得用户授权后，终端具有响应主链发起的需求响应指令的能力；
(5)决策层决策区块链系统将需求指令采用私钥加密后，对主链层主链网络广播需求指令；
(6)所述主链层主链网络接收需求指令并采用公钥对密文正确解密后，对子链网络广播需求指令；
(7)所述子链网络内的需求侧响应终端受到广播消息后，响应需求侧管理指令，将响应需求侧管理的指令先后的监测对比得到响应力度值；
(8)子链网络内响应需求侧管理指令力度大的终端将获得出块权，负责区块链的记账权。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的电力市场需求侧响应网络方法，其特征在于，流程出现分叉后，从分叉的地方开始，计算各个分叉后面的POW的工作量，工作量最大的分叉视为唯一合法的分叉。
3.基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统，其特征在于，在架构上分为三层：
(1)决策层：需求指令注入端网络决策系统；
决策层是在电力光纤专网内由需要发布需求侧响应的不同市场主体；
决策层由需求侧决策区块链系统构成，用于对主链层下发需求指令，并触发高层智能合约进行奖励和惩罚，在决策层区块链系统内记录需求响应决策全过程；决策层根据主链节点的响应力度值，对主链上的每一个节点进行奖励或惩罚；
(2)主链层：需求侧主链系统；
主链层由需求侧响应主链网络构成，各个主链节点根据决策层指令向子链网络下发相应的需求响应指令，记录所有装置和子链节点的响应结果，并根据终端节点和主链间签署的智能合约执行奖励和惩罚；
(3)响应层：需求侧响应装置；
响应层由安装在用户、分布式电源端和微网的终端装置在电力无线专网内组网构成，并以台区为单位形成一个独立的子链网络，在安装时设置其在主链的账号及其智能合约，终端接收响应指令并根据用户设置进行响应，如实记录并反映用户的需求侧响应行为；用户可通过手机接入终端，从主链层提取自身账号内的需求侧响应积分。
4.根据权利要求3所述的基于区块链的电力市场需求侧响应网络系统，其特征在于，所述的主链网络结构上分为三层：
(2.1)基础层：由P2P网络、区块链存储服务和电力GPS时钟服务构成，GPS时钟服务直接采用变电站内部的GPS时钟同步信号，将可实现非常精确的区块链时间戳服务；
(2.2)核心层：由摘要算法、ECC或国密非对称加密算法、轻量级POW算法、需求侧响应账本和智能合约虚拟机组成；
(2.3)服务层：由需求侧设备接入管理、主链节点管理和需求侧响应账本应用构成。
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