CN111461890B - 基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法 - Google Patents
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Abstract
鉴于分布式能源资源的迅速崛起，为提升分布式发电利用效率，随着电改的推进，我国也提出了分布式发电的交易试点，然而如何保证参与方安全、公正及高效的交易尤为重要。本发明提出了一种基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法，利用区块链技术提供一个可靠、快速又低成本的方式，去记录并验证电力交易和结算。以分布式光伏为例，分布式光伏的利益相关方非常多且缺乏互信，未来电力市场化导致价格波动明显，通过本发明中提出的利用区块链和加密算法技术、联盟区块链分布式总账数据实现算法式信任使得分布式发电相关方点对点交易，并通过智能合约等方式自动执行电力交易波动自动响应，降低交易成本，增强了购售电交易双方的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及分布式发电交易领域，特别是基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法。
背景技术
分布式发电通常是指利度用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的发电系统。运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网，且在配电系统平衡调节为特征的发电设施，分布式发电包括太阳能发电、风力发电、生物质能发电等等，由于其分布广阔，其特点是就近利用清洁能源资源，能源生产和消费就近完成，具有能源利用率高，污染排放低等优点，代表了能源发展的新方向和新形态。目前，分布式发电已取得较大进展，但仍受到市场化程度低、缺乏交易机制和平台保障、公共服务滞后、管理体系不健全等因素的制约。为加快推进分布式能源发展和分布式发电市场化交易，本发明提出了一种基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法。
发明内容
本发明的目的是提供基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法，考虑到分布式发电的特点，为提升发电使用效率，一般由分布式能源发的电会就近消纳，即所谓“隔墙售电”，市场交易方为特地范围内的群体或第三方，因此本交易系统底层采用区块链的联盟链技术进行实现，内部指定多个预选的节点为分布式记账主体，每个数据块的生成由所有的预选节点共同决定，其他接入节点可以参与交易，但不过问记账过程，交易相关方通过该联盟链开放的Query API(Application Programming Interface) 接口进行限定查询。交易参与方可通过系统提供的不同交易模式进行交易，包括：双边协商、撮合交易、集中竞价、竞价博弈等模式，也可通过基于区块链算法式信任机制的智能合约模块进行点对点自动交易。本发明基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统由数据采集预测子系统和分布式发电交易子系统构成，所述数据采集预测子系统包括历史发电和用电数据采集模块，光伏发电预测模块，风力发电预测模块，用电负荷预测模块。所述分布式发电交易子系统包括用户管理模块，价格策略模块，智能合约模块，交易管理模块，结算管理模块，合同管理模块，信息发布模块等，其中交易子系统数据的用户数据，交易数据，合同数据等全部通过区块链进行数据上链存储，链上数据采用非对称式加密算法进行加密，交易参与方不同用户通过各自唯一的私钥来查询整个联盟区块链上包含自身交易相关的数据，交易结算的执行通过调用底层联盟区块链上开发的Transaction API(ApplicationProgramming Interface) 交易接口完成。所有数据上链通过调用底层区块链上的Persistent API(Application Programming Interface)进行数据存储，具体如图2所示。系统上层功能模块使用JAVA EE和大数据机器学习相关开源技术进行开发实现，采用技术包括：Vue视图模板引擎、SpringCloud/SpringBoot微服务框架、MyBatis持久层框架、ShardingSphere分布式数据表组件、ElasticSearch搜索引擎、Activiti规则引擎、MySQL关系型数据库、消息队列中间件（Kafka）、InfluxDB物联网数据库、Zookeeper协调系统、Hadoop 数据库、Hbase、Hadoop 数据仓库Hive、Hadoop 数据采集Flume、OTA离线数据分析平台、机器学习框架TensorFlow、Python等。
附图说明
图1是本发明实施中系统功能架构示意图。
图2是本发明实施中上层交易系统与底层区块链交互示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法，用于所有分布式发电方与购电方之间的点对点交易。
为使得本发明的内容、目的、特征及优点能够更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护说明书的范围。
如图1所示，本发明提供了基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统，包括数据采集预测子系统和分布式发电交易子系统，所述数据采集预测子系统包括历史发电和用电数据采集模块，光伏发电预测模块，风力发电预测模块，用电负荷预测模块。所述分布式发电交易子系统包括用户管理模块，价格策略模块，智能合约模块，交易管理模块，结算管理模块，合同管理模块，信息发布模块等。
所述历史发电数据采集模块通过物联网技术对发电方的分布式发电量进行在线采集。所述用电数据采集模块通过物联网技术对用电方的用电数据进行能耗在线采集，相关采集频率均可通过系统灵活配置，例如：5分钟/次，15分钟/次。其中用到的物联网技术基于非阻塞输入输出模型的能源物联网数据采集方法和软件网关进行实现，具体的实现过程包括：采集器与通信网关进行连接、使用调度任务进行数据采集、数据处理、数据转发功能，其中包括采集器与通信网关模块的网络通信是基于I/O多路复用即非阻塞输入输出模型NIO(Non-blocking Input/Output)，使用反应器模式即主从 Reactor 多线程模型实现；并发处理使用负载均衡技术LVS，数据处理对协议数据使用协议缓冲区技术（ProtocolBuffer），简称protobuf解码技术，实现快速提高数据的转换能力；数据存储使用时序数据库和关系型数据库；数据转发采用消息队列中间件（Kafka）作为数据缓冲。
所述光伏发电预测模块采用机器学习算法根据天气数据和历史发电数据采集模块采集到的历史光伏发电出力数据进行模型的训练，再输入未来的天气数据和模型最终实现对光伏发电的出力预测，预测算法采用结合多元线性回归，分步回归及人工神经网络等多种模型组合实现。
所述风力发电预测模块同样采用机器学习算法根据历史天气数据和历史发电数据采集模块采集到的风力发电出力数据进行模型的训练，再结合未来的天气数据作为输入在训练好的模型上进行未来风力发电出力的预测，预测算法采用梯度提升，人工神经网络，支持向量回归，随机森林等多种算法组合实现。
所述用电负荷预测模块通过用电数据采集模块对用电负荷采集的历史数据进行建模分析和训练，对用户用能进行画像，结合画像数据和模型进行预测，预测算法采用递归神经网络模型，多变量线性回归模型，Holt-Winter时间序列挖掘算法，长短期记忆模型算法等多种模型组合实现。
所述用户管理模块用于管理分布式发电用户，用电需求方等相关基础信息，并通过非对称加密算法对用户信息进行加密存储，整个数据存放在联盟链不同的数据区块上，分布式交易参与每个用户通过各自的私钥访问自身的用户数据。
所述价格策略模块用于对分布式交易的模式进行管理，交易模式包含双边协商、撮合交易、集中竞价、竞价博弈等模式，通过与上述用户管理模块的数据进行关联，以实现每个买卖用户在不同交易模式下的价格策略。
所述智能合约模块是基于上述用户管理和价格策略数据通过底层联盟区块链的分布式数据存储、共识机制用于自动执行的数据化合约，自动执行价格策略模块中的价格，然后自动计算支付金额来调取交易管理模块和结算管理模块进行交易并完成结算。
所述交易管理模块有交易执行和交易查询两部分功能构成，交易执行可由上述智能合约模块自动发起或者有参与方手动发起，具体视交易模式而定，交易过程通过底层区块链技术实现分布式记账，并结合以非对称加密的密码学方式保证的不可篡改和不可伪造，其中可采用的非对称加密算法包括：RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）。
所述结算管理模块用于对分布式发电交易进行结算和管理，由交易模块触发，生成对应的结算支付记录，每一笔结算记录都会根据交易双方身份的唯一标识和交易时间，交易数量等信息利用SHA256哈希散列算法生成哈希值，作为该笔的结算记录的唯一标识，存储在底层区块链上的分布式账本中。
所述合同管理模块主要应用于双边协商交易的模式，对中长期交易签订交易合同，并自动管理合同的有效期等信息作为交易双方的中长期合约存储于底层联盟链上。
所述信息发布模块主要对分布式发电交易市场的信息、交易信息、中长期和日前市场交易的信息进行发布，针对交易信息的访问需通过各自用户身份的私钥验证才可访问，保证每个用户只能访问自身交易相关的区块信息，以保证双方的隐私。
对应上述模块，若进行分布式发电交易为实时交易市场时底层采用通过联盟链上的Paxos算法进行管理，也就是基于选举领导者的共识机制，领导者节点和多个强监管节点参与，这样保证在分布式发电在实时交易中的性能保证和资源消耗达到最低。
针对本发明提出的基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统和方法，具体分为以下步骤：
步骤一、根据上述数据采集预测子系统的相关模块所产生的数据进行非对称加密；
步骤二、把步骤一中加密完的数据通过底层区块链进行数据上链存储，并确保每个数据区块中包含用户的唯一标识代码，参与底层区块链数字签名的生成；
步骤三、针对区块上的预测结果数据作为一种数据源输入至分布式发电交易子系统中价格策略模块和智能合约模块。若用户在价格策略上采用的是竞价博弈的模式，针对分布式发电用户则在预测功能上会针对发电用户的发电出力预测和对市场用电需求方负荷的预测，为其发布24小时后（日前市场）可发电量、时段、挂牌价格等信息提供智能辅助决策，为其进行市场博弈；针对用电需求方则会根据不同的发电方公布的日前市场可发电量，价格等市场供应情况，在交易开放后，为用电需求购买方每5分钟进行精准实时负荷预测，结合市场供应情况和价格策略，自动为其提供博弈策略和智能化建议；
步骤四、通过步骤三和用户设定的价格策略和智能合约规则自动进行发电方和用电方的智能合约交易，整个交易过程基于底层区块链算法式信任机制下执行，确保数据链的透明和安全；当然当前步骤也可通过用户手动发起交易，交易模式取决于交易双方在用户管理模块和交易管理模块中的用户交易设置；
步骤五、通过自动读取预设的合同管理模块、价格策略模块及步骤四的交易结果进行交易结算，交易结算的过程通过结算交易模块进行实现，实现过程需要通过验证交易用户的唯一标识代码，以及通过私钥进行加密验证用户的合法性，最终换取数字签名与底层区块链数据进行交互；当然当前结算步骤也可通过手动发起或定时发起，取决于交易双方在合同管理模块的约定和设置；
步骤六、针对步骤五的结算结果会通过底层区块链进行分布式存储和与其它数据链同步，交易和结算结果同时也会通过信息发布模块进行公布。当然信息发布模块也可针对日前市场需求提前由交易参与方提前自主发布包括，预测可发电量、时段、售价；需求电量、时段、意向购买价格等数据。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (3)
1.一种基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统，其特征在于包括：数据采集预测子系统和分布式发电交易子系统，所述数据采集预测子系统包括历史发电和用电数据采集模块，光伏发电预测模块，风力发电预测模块，用电负荷预测模块，所述分布式发电交易子系统包括用户管理模块，价格策略模块，智能合约模块，交易管理模块，结算管理模块，合同管理模块，信息发布模块；
所述历史发电数据采集模块通过物联网技术对发电方的分布式发电量进行在线采集；所述用电数据采集模块通过物联网技术对用电方的用电数据进行能耗在线采集，相关采集频率均可通过系统灵活配置；
其中用到的物联网技术基于非阻塞输入输出模型的能源物联网数据采集方法和软件网关进行实现，具体的实现过程包括：采集器与通信网关进行连接、使用调度任务进行数据采集、数据处理、数据转发功能，其中包括采集器与通信网关模块的网络通信是基于I/O多路复用即非阻塞输入输出模型NIO(Non-blocking Input/Output)，使用反应器模式即主从Reactor多线程模型实现；并发处理使用负载均衡技术LVS，数据处理对协议数据使用协议缓冲区技术(Protocol Buffer)，简称protobuf解码技术，实现快速提高数据的转换能力；数据存储使用时序数据库和关系型数据库；数据转发采用消息队列中间件(Kafka)作为数据缓冲；
所述光伏发电预测模块采用机器学习算法根据天气数据和历史发电数据采集模块采集到的历史光伏发电出力数据进行模型的训练，再将未来的天气数据作为输入在训练好的模型上进行光伏发电的出力预测，预测算法采用结合多元线性回归，分步回归及人工神经网络多种模型组合实现；
所述风力发电预测模块同样采用机器学习算法根据历史天气数据和历史发电数据采集模块采集到的风力发电出力数据进行模型的训练，再结合未来的天气数据作为输入在训练好的模型上进行未来风力发电出力的预测，预测算法采用梯度提升，人工神经网络，支持向量回归，随机森林多种算法组合实现；所述用电负荷预测模块通过用电数据采集模块对用电负荷采集的历史数据进行建模分析和训练，对用户用能进行画像，结合画像数据和模型进行预测，预测算法采用递归神经网络模型，多变量线性回归模型，Holt-Winter时间序列挖掘算法，长短期记忆模型算法多种模型组合实现；
所述用户管理模块用于管理分布式发电用户，用电需求方基础信息，并通过非对称加密算法对用户信息进行加密存储，整个数据存放在联盟链不同的数据区块上，参与分布式交易的每个用户通过各自的私钥访问自身的用户数据；所述价格策略模块用于对分布式交易的模式进行管理，交易模式包含双边协商、撮合交易、集中竞价、竞价博弈模式，通过与上述用户管理模块的数据进行关联，以实现每个买卖用户在不同交易模式下的价格策略；
所述智能合约模块是基于上述用户管理模块的数据和价格策略通过底层联盟区块链的分布式数据存储、共识机制用于自动执行的数据化合约，自动执行价格策略模块中的价格，然后自动计算支付金额来调取交易管理模块和结算管理模块进行交易并完成结算；
所述交易管理模块由交易执行和交易查询两部分功能构成，交易执行可由上述智能合约模块自动发起或者由参与方手动发起，具体视交易模式而定，交易过程通过底层区块链技术实现分布式记账，并结合以非对称加密的密码学方式保证的不可篡改和不可伪造，其中可采用的非对称加密算法包括：RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC(椭圆曲线加密算法)；
所述结算管理模块用于对分布式发电交易进行结算和管理，由交易管理模块触发，生成对应的结算支付记录，每一笔结算记录都会根据交易双方身份的唯一标识和交易时间以及交易数量这三个信息，再利用SHA256哈希散列算法生成哈希值，作为该笔结算记录的唯一标识，存储在底层区块链上的分布式账本中；
所述合同管理模块应用于双边协商交易的模式，对中长期交易签订交易合同，并自动管理合同的有效期信息作为交易双方的中长期合约存储于底层联盟链上；
所述信息发布模块对分布式发电交易市场的信息、交易信息、中长期和日前市场交易的信息进行发布，针对交易信息的访问需通过各自用户身份的私钥验证才可访问，保证每个用户只能访问自身交易相关的区块信息，以保证双方的隐私。
2.根据权利要求1所述基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统，其特征在于，包括：对应上述功能模块，若进行分布式发电交易为实时交易市场时，底层采用联盟链上的Paxos算法进行管理，也就是基于选举领导者的共识机制，领导者节点和多个强监管节点参与，这样保证在分布式发电在实时交易中的性能保证和资源消耗达到最低。
3.一种使用权利要求1所述基于多种预测和区块链技术的分布式发电交易系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据上述数据采集预测子系统的相关模块所产生的数据进行非对称加密；
步骤二、把步骤一中加密完的数据通过底层区块链进行数据上链存储，并确保每个数据区块中包含用户的唯一标识代码，参与底层区块链数字签名的生成；
步骤三、针对区块上的预测结果数据作为一种数据源输入至分布式发电交易子系统中价格策略模块和智能合约模块，
若用户在价格策略上采用的是竞价博弈的模式，针对分布式发电用户则在预测功能上会针对发电用户的发电出力预测和对市场用电需求方负荷的预测，为其发布24小时后(日前市场)可发电量、时段、挂牌价格信息提供智能辅助决策，为其进行市场博弈；针对用电需求方则会根据不同的发电方公布的日前市场可发电量，价格这两个市场供应情况，在交易开放后，为用电需求购买方每5分钟进行精准实时负荷预测，结合市场供应情况和价格策略，自动为其提供博弈策略和智能化建议；
步骤四、通过步骤三和用户设定的价格策略和智能合约规则自动进行发电方和用电方的智能合约交易，整个交易过程基于底层区块链算法式信任机制下执行，确保数据链的透明和安全；当然当前步骤也可通过用户手动发起交易，交易模式取决于交易双方在用户管理模块和交易管理模块中的用户交易设置；
步骤五、通过自动读取预设的合同管理模块、价格策略模块及步骤四的交易结果进行交易结算，交易结算的过程通过结算交易模块进行实现，实现过程需要通过验证交易用户的唯一标识代码，以及通过私钥进行加密验证用户的合法性，最终换取数字签名与底层区块链数据进行交互；当然当前结算步骤也可通过手动发起或定时发起，取决于交易双方在合同管理模块的约定和设置；
步骤六、针对步骤五的结算结果会通过底层区块链进行分布式存储和与其它数据链同步，交易和结算结果同时也会通过信息发布模块进行公布，
当然信息发布模块也可针对日前市场需求提前由交易参与方提前自主发布包括，预测可发电量、时段、售价；需求电量、时段、意向购买价格。
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