CN111882385A - 一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易及评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源交易区块链技术，具体涉及一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易及评估方法，通过联盟区块链技术、P2P网络和授权拜占庭容错共识机制，将电力市场运营机构和电力市场交易主体分别归入全节点网络和轻节点网络，通过引入联盟区块链技术，利用其弱中心化特性，部分解放市场运营机构的中心管控权限，实现了电力灵活自主、公平公正的交易；架构底层P2P网络满足了各市场主体间资源与服务交换，适应了电力交易市场分布特性；基于拜占庭容错共识通信技术，建立抗毁性与生存性指标，定量衡量了该弱中心化区块链技术在电力交易市场中的可靠性。

Description

一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易及评估方法

技术领域

本发明属于能源交易区块链技术领域，尤其涉及一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易及评估方法。

背景技术

随着售电市场逐步放开，交易主体不断增加，产生了大量多元交融的交易数据，电力信息系统的管理难度提高，分布式电力交易平台被提出更高效可靠的要求。区块链技术作为新兴的分布式价值传输协议，其弱中心化的技术特性有利于电力市场交易主体充分发挥市场化自主行为促进电力市场交易的公平公正与高效运营。因此区块链技术被广泛应用在电力交易领域。

杨德昌等人在《区块链在能源互联网中应用现状分析和前景展望》分析了区块链与能源互联网的兼容性，以及区块链技术在电力体制改革中的应用前景。欧阳旭等人在《区块链技术在大用户直购电中的应用初探》中构建了区块链技术在电改背景下的大用户直购电的准入机制与交易框架。林俐等在《典型分布式发电市场化交易机制分析与建议》中进行基于区块链技术的不同电力交易机制策略优化，并进一步分析了国外的典型能源区块链项目特性。佘维等人在《基于能源区块链网络的虚拟电厂运行与调度模型》中结合区块链技术与虚拟电厂运行调度模型，致力于提高虚拟电厂运行效率与数据和存储安全性。Yu S，YangS等人在《Distributed energy transaction mechanism design based on smartcontract》中基于区块链智能合约实现电力市场交易机制，并对电力交易过程中的审计，投标，清算和结算过程进行了分析。

目前电力交易模式由集中式向分布式逐渐演化，引发了分布式电力交易模式下市场主体互信不足，数据安全性不高、管理难度大等隐患。传统的由电网公司垂直向用户供电的中心化电力交易模式难以满足分布式电力交易的要求，其可靠性大大降低，因此电力市场迫切需要利用区块链技术对电力市场交易模式进行弱中心化。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够容纳电力交易分布化产生的大量交易数据前提下，利用区块链技术的弱中心化特性，部分解放电网的中心管控权限，实现电力灵活自主、公平公正的交易的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，通过联盟区块链、P2P网络和授权拜占庭容错共识机制将电力市场运营机构和电力市场交易主体分别归入全节点网络和轻节点网络；电力市场运营机构等效为全节点，全节点保存有从创世区块开始的所有结构化的合约基础数据与交易数据，通过Hash映射保护用户隐私与交易的机密信息；电力市场交易主体通过一定的准入机制参与电力交易过程，在联盟区块链能源交易网络中作为轻节点，具备可扩展性并且占据大部分节点比例，保存与合约相关的交易Hash以及简要支付验证所必须的时间戳邻近的交易数据，并可从全节点上传、下载数据。

在上述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法中，联盟区块链共识节点负责权限控制、账务记载，同时线下规则约束参与者的行为。

在上述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法中，在通信架构底层引入P2P网络，去除传统客户端/服务器C/S模式的中心服务器，在P2P网络各节点间实现CPU计算资源共用、磁盘存储共享、信息交换。

在上述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法中，电力市场运营机构包括电力交易中心与电力调度机构；电力市场交易主体包括发电企业、售电公司、电网企业、电力用户、独立辅助服务提供者。

在上述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法中，电力市场交易主体的准入机制包括：电力市场交易主体向电力交易中心提交身份ID、地理位置、能源类型、发电特性信息，并通过联盟区块链能源交易网络广播至全网；联盟区块链全节点根据智能合约的预设条件对新增的轻节点信息进行校验；通过校验的电力市场交易主体，加入联盟区块链能源交易网络，并获得特定ID作为唯一的身份标识。

在上述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法中，授权拜占庭容错共识机制实现共识通信包括：首先根据节点权益选出记账节点，再通过拜占庭容错算法实现共识。

一和基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易的可靠性评估方法，通过对抗毁性与生存性两大指标进行相应建模，利用定量计算的方法，量化联盟区块链在电力交易市场中的可靠性；具体步骤如下：

式(1)为综合抗毁性指标在考虑网络结构、节点和链路影响的同时，解决抗毁性的随机性量度需要计算复杂的条件概率：

式中，l_i表示与节点i相连的可用通信链路数量；r_ij表示与节点i相连的第j条可用通信链路的通信可靠度，r_i表示节点i的通信可靠度；

考虑因素繁杂且求解过程困难的问题，在N个节点构成的通信网络中，节点平均抗毁性指标I_total可表示为：

式中，I_i表示节点i的综合抗毁性；

式(3)为生存度指标用于度量当通信网络的健全性遭到毁坏后，剩余网络节点和通信链路实现网络拓扑结构的重组的连通能力，反映节点的生存性和链路的迂回特性；

式中，t表示通信跳距，p_i表示节点i的通信可靠度，P_im表示节点i的跳面m的生存度，等于该跳面内所有节点通信可靠度乘积

n_im表示节点i第m跳面内的节点数目，l_im表示节点i与第m跳面内其他节点的相连通信链路数；

对于N节点电力交易通信网络，采用加权方式表示系统生存度指标S_total：

式中，α_i表示节点i的生存度加权系数；d_i为节点i的某跳数内的节点数量。

本发明是有益效果：架构底层P2P网络满足了各市场主体间资源与服务交换，适应了电力交易市场分布特性；基于拜占庭容错共识通信技术，建立抗毁性与生存性指标，定量衡量了该弱中心化区块链技术在电力交易市场中的可靠性。

可适应电力交易不断分布化下大量多元交融的交易数据的电力交易管理，利用联盟区块链技术弱化电网在电力市场交易中的调配作用，实现参与电力交易的产消用户间的权责平等、透明互信、智能自治；在联盟区块链技术的改型下，定量计算电力市场交易的毁灭性与生存性，减小了定量分析通信可靠性的计算与求解复杂程度，确保弱中心化联盟区块链技术对电力市场交易改进后的可靠性。

附图说明

图1为本发明一个实施例应用弱中心化联盟区块链技术的电力市场交易架构；

图2为本发明一个实施例区块链信息交互结构；

图3为本发明一个实施例联盟区块链能源交易网络；

图4为本发明一个实施例弱中心化联盟链技术下电力交易市场准入架构；

图5为本发明一个实施例拜占庭容错共识通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例利用区块链技术对电力市场交易模式进行弱中心化，在公有链、专有链、联盟链三大区块链技术中进行分析选型，考虑到电网的智能化水平不足以实现完全去中心化，脱离电网调配完成发电、输变电、配用电过程供需关系平衡。选择弱中心化程度处于公有链和专有链之间的联盟链技术框架，更适应于电力交易过程中不同机构间的协作场景。联盟链共识节点负责权限控制、账务记载，同时有线下规则约束参与者的行为。

本实施例通过联盟区块链技术、P2P网络和授权拜占庭容错共识机制，将电力市场运营机构和电力市场交易主体分别归入全节点网络和轻节点网络，通过引入联盟区块链技术，利用其弱中心化特性，部分解放市场运营机构的中心管控权限，实现了电力灵活自主、公平公正的交易；架构底层P2P网络满足了各市场主体间资源与服务交换，适应了电力交易市场分布特性；基于拜占庭容错共识通信技术，建立抗毁性与生存性指标，定量衡量了该弱中心化区块链技术在电力交易市场中的可靠性。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，将电力市场运营机构和电力市场交易主体分别归入全节点网络和轻节点网络。其中全节点保存有从创世区块开始的所有结构化的合约基础数据与交易数据，通过Hash(哈希)映射保护用户隐私与交易的机密信息；电力市场交易主体要通过一定的准入机制才能在参与电力交易过程，在联盟区块链能源交易网络中作为轻节点，具备可扩展性并且占据了大部分节点比例，保存与合约相关的交易Hash以及简要支付验证所必须的时间戳邻近的交易数据，并可从全节点上传、下载相关数据。

并且，在通信架构底层引入P2P(Peer-to-Peer)网络，去除传统C/S(Client/Sever，客户端/服务器)模式中的中心服务器，在P2P网络各节点间实现CPU计算资源共用、磁盘存储共享、信息交换等。

并且，基于联盟链系统，采用授权拜占庭容错(delegated byzantine faulttolerance，dBFT)共识机制达成节点共识。先根据节点权益选出记账节点，再通过拜占庭容错算法实现共识。

并且，对抗毁性与生存性两个通信可靠性性能指标进行建模，定量计算出指标结果反映电力市场交易的可靠程度：从确定性和随机性方面综合分析抗毁性，在考虑了网络结构、节点和链路影响的同时，大大减小计算与求解的复杂程度；基于节点随机失效、链路可靠的情况，建立通信网络的生存度指标，反映通信网络部分失效后的重组回复能力。

具体实施时，如图1所示，应用弱中心化联盟区块链技术的电力市场交易架构包括各类发电企业、售电(含配售电)公司、电网企业、电力用户、独立辅助服务提供者等市场主体以及电力交易中心与电力调度机构等市场运营机构。基于区块链技术的电力交易管理系统为电力市场交易主体提供电能交易平台，实现电力交易的匹配、验证、结算、价值转移，分布式存储等功能，促进多主体电力市场竞争博弈的信息公开透明化。电力交易监管政策以区块链智能合约等形式，严格监管电力交易过程。其中电力交易市场主体处于物理层，虚拟层上的信息系统制定电力交易市场机制与定价机制。

电力市场交易主体通过一定的准入机制参与电力交易过程，在联盟区块链能源交易网络中作为轻节点，具备可扩展性并且占据了大部分节点比例，保存与合约相关的交易Hash以及简要支付验证所必须的时间戳邻近的交易数据。

电力交易运营机构等效为全节点，全节点的数量较少，每个全节点保存有从创世区块开始的所有结构化的合约基础数据与交易数据。

如图2所示，本实施例联盟区块链技术下各个区块的信息交互方式。区块具体包含区块头与区块体：区块头包含前一区块头Hash值，随机数，Merkle根等。区块体记录了得到验证后的交易信息，这些交易信息经过Hash运算，以Merkle tree的数据结构连接到区块头，可以方便快速地校验区块数据的完整性，保证信息不被恶意篡改传播。

如图3所示，本实施例弱中心化联盟区块链技术中全节点与轻节点的关系：轻节点可从全节点上传、下载相关数据。全节点通过Hash映射保护用户隐私与交易的机密信息，保证了数据的不可篡改性。这样做的好处不仅保留了账本存储容量，提高处理性能，也极大减少了系统的存储负担。电力交易联盟链保留了类似于中心化的数据库，构成了一个广义上的“弱中心化”分布式电力交易通讯机制，不仅有利于提高链上的共识效率，且便于查询、统计、审计等中心化的操作。

如图4所示，本实施例弱中心化联盟区块链技术中的交易网络准入管理过程，电力交易中心承担监管角色，只有当电力市场交易主体符合市场准入机制后才能加入电力交易联盟区块链。电力市场交易主体向电力交易中心提交相关信息，如身份ID，地理位置，能源类型，发电特性等，并通过联盟区块链能源交易网络广播至全网。联盟区块链全节点根据智能合约中的预设条件对新增的轻节点信息进行校验。通过校验的电力交易市场主体，即可加入联盟区块链能源交易网络中，并获得特定ID作为唯一的身份标识。

如图5所示，本实施例弱中心化联盟区块链技术采用授权拜占庭容错算法实现共识通信过程，假定在某个共识周期内的联盟链全节点X0以较高的节点权益被选定为“临时”通信主节点，联盟链内的其余全节点为通信从节点X₁,X₂,...,X_n，记为，打叉的节点X_n代表该节点为问题节点，表现为其他对节点的请求无响应。一次成功的算法共识包括：联盟链临时通信主节点X₀收集全网电力交易信息，整合成一个待验证区块(block data)，附上本节点的数字签名以及区块Hash值，向全网广播；每个节点收到交易列表后，根据区块内容执行交易，基于交易结果计算新区块的哈希摘要，用私钥对区块审计结果(result)形成数字签名，并向全网广播；在一定时间范围内，若一个节点收到超过2f(f为可容忍的拜占庭节点数)个其他节点发来的审计信息都与自己相等，则向全网广播一条认证信息(commit)；如果一个节点收到包括自己共2f+1个认证信息后，代表代表共识已正确完成，即可提交回复信息(reply)至临时通信主节点X₀；通信主节点X₀将该区块连同参与审计的其他节点证书及对应数据签名整合成记录(records)并广播，并将区块存入联盟链中。

要保证弱中心化区块链技术的可靠性，采用基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易的可靠性评估方法，包括对抗毁性与生存性两大指标进行相应建模，利用定量计算的方法，量化弱中心化区块链技术在电力交易市场中的可靠性。

式(1)所示的综合抗毁性指标在考虑了网络结构、节点和链路影响的同时，解决了抗毁性的随机性量度需要计算复杂的条件概率，考虑因素繁杂且求解过程困难的问题：

式中，l_i表示与节点i相连的可用通信链路数量；r_ij表示与节点i相连的第j条可用通信链路的通信可靠度；r_i表示节点i的通信可靠度。

在N个节点构成的通信网络中，节点平均抗毁性指标I_total可表示为：

式中，I_i表示节点i的综合抗毁性。

式(3′)所示的生存度指标用于度量当通信网络的健全性遭到毁坏后，剩余网络节点和通信链路实现网络拓扑结构的重组的连通能力，反映节点的生存性和链路的迂回特性。

式中，t表示通信跳距；p_i表示节点i的通信可靠度；P_im表示节点i的跳面m的生存度，等于该跳面内所有节点通信可靠度乘积

n_im表示节点i第m跳面内的节点数目；l_im表示节点i与第m跳面内其他节点的相连通信链路数。

对于N节点电力交易通信网络，采用加权方式表示系统生存度指标S_total：

式中，α_i表示节点i的生存度加权系数；d_i为节点i的某跳数内的节点数量。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，通过联盟区块链、P2P网络和授权拜占庭容错共识机制将电力市场运营机构和电力市场交易主体分别归入全节点网络和轻节点网络；其特征是，电力市场运营机构等效为全节点，全节点保存有从创世区块开始的所有结构化的合约基础数据与交易数据，通过Hash映射保护用户隐私与交易的机密信息；电力市场交易主体通过一定的准入机制参与电力交易过程，在联盟区块链能源交易网络中作为轻节点，具备可扩展性并且占据大部分节点比例，保存与合约相关的交易Hash以及简要支付验证所必须的时间戳邻近的交易数据，并可从全节点上传、下载数据。

2.如权利要求1所述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，其特征是，联盟区块链共识节点负责权限控制、账务记载，同时线下规则约束参与者的行为。

3.如权利要求1所述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，其特征是，在通信架构底层引入P2P网络，去除传统客户端/服务器C/S模式的中心服务器，在P2P网络各节点间实现CPU计算资源共用、磁盘存储共享、信息交换。

4.如权利要求1所述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，其特征是，电力市场运营机构包括电力交易中心与电力调度机构；电力市场交易主体包括发电企业、售电公司、电网企业、电力用户、独立辅助服务提供者。

5.如权利要求4所述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，其特征是，电力市场交易主体的准入机制包括：电力市场交易主体向电力交易中心提交身份ID、地理位置、能源类型、发电特性信息，并通过联盟区块链能源交易网络广播至全网；联盟区块链全节点根据智能合约的预设条件对新增的轻节点信息进行校验；通过校验的电力市场交易主体，加入联盟区块链能源交易网络，并获得特定ID作为唯一的身份标识。

6.如权利要求1所述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法，其特征是，授权拜占庭容错共识机制实现共识通信包括：首先根据节点权益选出记账节点，再通过拜占庭容错算法实现共识。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于弱中心化联盟区块链的电力市场交易方法的可靠性评估方法，其特征是，通过对抗毁性与生存性两大指标进行相应建模，利用定量计算的方法，量化联盟区块链在电力交易市场中的可靠性；具体步骤如下：

式(1)为综合抗毁性指标在考虑网络结构、节点和链路影响的同时，解决抗毁性的随机性量度需要计算复杂的条件概率：

式中，l_i表示与节点i相连的可用通信链路数量；r_ij表示与节点i相连的第j条可用通信链路的通信可靠度，r_i表示节点i的通信可靠度；

考虑因素繁杂且求解过程困难的问题，在N个节点构成的通信网络中，节点平均抗毁性指标I_total可表示为：

式中，I_i表示节点i的综合抗毁性；

式(3)为生存度指标用于度量当通信网络的健全性遭到毁坏后，剩余网络节点和通信链路实现网络拓扑结构的重组的连通能力，反映节点的生存性和链路的迂回特性；

式中，t表示通信跳距，p_i表示节点i的通信可靠度，P_im表示节点i的跳面m的生存度，等于该跳面内所有节点通信可靠度乘积

n_im表示节点i第m跳面内的节点数目，l_im表示节点i与第m跳面内其他节点的相连通信链路数；

对于N节点电力交易通信网络，采用加权方式表示系统生存度指标S_total：

式中，α_i表示节点i的生存度加权系数；d_i为节点i的某跳数内的节点数量。

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