CN112767146A - 基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制 - Google Patents

基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制 Download PDF

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Abstract

基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，系统包括智能社区、能源交易区块链，剩余电能用户和电能需求用户节点，买卖双方通过签订智能合约并发布于能源交易区块链上；能源交易区块链，用于将买卖双方的电能需求广播到智能社区的所有节点上；买卖双方基于双向拍卖机制在社区进行“隔墙售电”，剩余电能用户和电能需求用户之间会以低于电网的电价进行能源交易，能源区块链根据各节点的销售和消费能源情况，进行交易记录和结算；本发明能够在保证交易公平、公正、安全可靠的基础上，实现社区内能源资源最优化配置以及资源的高效合理地利用，有助于维护整个社区电能市场供需平衡，信任，提高电力系统的安全稳定水平。

Description

基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，特别是一种基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制。
背景技术
随着国民经济的快速发展和电气化水平的不断提高，城镇居民的用电量需求呈现不断上升的趋势，继续通过传统集中式发电技术，把电网的规模扩大，这不仅会造成电网的运行难度与运行成本增加，而且难以满足电力用户对用电安全性、可靠性和多样化供电的要求。与此同时，全球能源资源短缺与污染环境等问题也日趋严峻，这使电力领域将目光投向了污染小，可靠性高、能量利用效率高安装地点灵活的分布式可再生能源发电技术。
区块链技术属于分布式存储技术，数据保存在网络中的每个节点，由所有节点共同维护，难以篡改，这样就能够有效解决交易双方间的信任问题。区块链技术以去中心化的信任机制为核心，能够在能源场景中发挥促进交易，提供认证，提高运行能力。且有安全性和公开透明性等特征，天然上在运行方式、安全防护等方面与能源互联网有相似之处，在未来能源互联网中具有广泛的应用潜力，有助于促进多形式能源、各参与主体的协同，促进信息与物理系统的进一步融合，实现交易的多元化和低成本化，是一项具有重大意义和实用价值的课题，同时智能合约可以保证调度方案自动执行，提高了整体运行效率。在电力交易层面，将区块链技术引入电力用户之间的电能交易中，保证了电力用户的的电能交易在没有中心机构的参与下的信息真实性，交易的公平性、透明性及结算的及时性。同时，提高了交易的运行效率和整个交易系统运行的稳定性，降低了运行成本。
在社区中，电力家庭有时会自给自足，在他们满足自身需要后当有电能剩余时，他们可以为电能不充足的家庭提供电力(我们也称为隔墙售电)。因此，电力用户在建立整个智能社区的供需平衡以建立高利用率的电力市场方面发挥着重要作用。
然而，在社区的电力系统中仍然存在一些问题。第一，在生产生活实际过程中，燃煤发电仍然是占据主导地位的，新能源技术发电电量占比还是比较小的，而燃煤发电技术虽然在经过升级优化后效率有所提高，但是总体的包括运行、维护、输送和投资建设等成本是偏高的，难以满足现在电力系统现代化和高灵活性的需求，最终导致入户电价过高；第二，在一些地区的居民之间会通过第三方的机构来进行能源交易，由于用户需要提供如用户地址、钱包地址等隐私信息才能进行能源交易，这导致在交易的过程当中用户的一些隐私被恶意侵犯；第三，另外，由于可再生能源的局限性(例如，间歇性和不确定性)，所有电力用户不可能总是能够满足自身需要。当输送至电能不足家庭或者电网时时，电能会遭受巨大的损失。因此，需要进一步努力实行电力用户之间的电能交易，这样会对整个社区的电力发展起到极大的推动作用。
发明内容
针对以上存在问题，提出了一种基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制。
本发明的技术方案如下：
(1)构建智能社区能源交易区块链和能源互联网；
(2)社区中的用户通过屋顶太阳能电池板等分布式能源发电；
(3)社区中所有的电力用户通过智能电表设备完成数据的采集，买卖双方制定电力交易合约；
(4)将步骤(3)得出的电力合约交易经历电能用户请求、预准备、准备、提交、应答这五个阶段完成区块共识，并记录于能源区块链；
(5)在双向拍卖机制的基础上，买卖双方制定电力交易智能合约共识的约束条件，通过双向拍卖机制，剩余电能用户首先对所出售电能进行标价并发布到网络中，智能电表对电能进行记录，然后电能需求用户对所购买的电能进行报价，买卖双方通过清算价格的方式进行匹配交易。在通过筛选后，买卖双方执行双向匹配的电力交易智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布，买卖双方之间的电能交易通过加密货币进行结算；
(6)完成价值转移，结束交易。
进一步的，所述步骤(1)构建社区的能源区块链时，能源区块链结合了剩余电能用户和电能需求用户以及储能装置，供需电力用户之间在双向拍卖机制下通过签订智能合约完成电力交易。
进一步的，步骤(2)中的剩余电能用户通过屋顶太阳能发电系统等分布式能源产生电能，在满足日常用电之后将多余的电能通过“隔墙售电”的方式出售给电能需求用户，在剩余电力用户没进行电能交易而且用户有电能剩余时，电能剩余用户设备系统(即光伏系统)就会传输的剩余的电能给储能装置，然后储能设备系统会将收集的电能出售给电网，电网会根据智能社区中电能不足用户的需求输送电能，接下来储能设备系统会将出售电能所得的费用一部分用于自身运行维护费用，另外一部分根据剩余电力用户输送的多余电能的比例进行分配。
进一步的，步骤(3)的电力交易智能合约包括以下方面：智能电表会记录用户的用电量从而完成数据的采集，连入网络，进行数据的分析写入区块链，能源区块链根据不同用户的需求进行匹配，然后完成电力交易合约的签订，每份电力交易合约的区块链存证信息，确保合约唯一性。
进一步的，步骤(5)中在双向拍卖机制的基础上，买卖双方通过以太币进行有效且安全的电力合约交易，电能需求用户和剩余电能用户进行交易的过程如下：
当电能剩余家庭i以xi元每度电来销售Yi度电，定义卖方销售的电量总数为N度，买方购买的电量总数为n度。当所有出价高于或等于清算价的消费者、所有出价低于清算价的生产者都可以进行匹配交易，当匹配完成之后，买卖双方则通过智能合约进行交易.
1)求满足Zu≤N≤Zu+1的下标u,如果N＝∑Yi,则有:
x＝αxu+(1-α)xu+1(0≤α≤1) (1)
在社区的电力用户能源交易过程中，若电能不足家庭需要K度电并且出价大于或等于x,即买卖双方共有N度电的出价大于或等于x，剩余家庭有(N-K)度电出价大于等于x，又因为剩余家庭需要交易的N度电量，剩余家庭有(N-(N-K)＝K)度电出价小于x，所以出价高于或等于清算价的消费者、所有出价低于清算价的生产者可以进行匹配交易，赢得拍卖。
2)求满足Zu≤N≤Zu+1的下标u,如果N＜∑Yi,则有:
x＝xu+1 (2)
所有购买价格高于清算价的电能不足家庭、所有销售价格低于清算价的剩余家庭以及部分价格等于清算价的电能不足家庭和剩余家庭都可以匹配交易。
在社区的电力用户能源交易过程中，所有出价买卖者i的出价等于x，i∈[k1，k2]和k1≤u≤k2,我们有
Figure BDA0002843983770000051
在方法一中公式(3)等号成立的情况是(∑Yi＝N),在方法2下为N≤∑Yi.电能不足家庭需要购买K1度电且购买价格大于x，剩余家庭有k2度电出售且价格小于x，电能不足家庭需要k3度电且购买价格大于或等于x，剩余家庭销售k4度电且销售价格小于或等于x，则有公式
Figure BDA0002843983770000052
剩余家庭售价大于x的电量少于(N-k1)度，剩余家庭售价小于等于x的电量多于(N-(N-k1)＝k1)度电，即k1≤k2,所以，所有购买价格大于x的电能不足家庭将赢得拍卖。同理可得，k2≤k3,所有售价小于x的剩余家庭将赢得拍卖，而价格等于x的买卖双方中只能有部分交易成功，出价相同者中由交易量最多的获得赢标，这样使得电量的利用率达到最大化。价格等于x的电量中有多少交易成功，比较k3和k4，如果k3≤k4，则价格等于x的电量中所有电能不足家庭需要购买的电量和部分剩余家庭的需要销售的电量将进行匹配交易；如果k3＝k4，则所有出价等于x的物品都将进行匹配交易。
有益效果：
本发明提出了一种基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，第一，这种机制通过对区块链底层技术与智能合约之间的融合进行研究，能进一步优化分布式可再生能源发电、售电以及供给用户之间的关系。第二，交易机制的建立具有高度隐私和安全性，在用户的太阳能光伏发电系统等分布式能源发电后，所发电量将用于社区中的用户之间的“隔墙销售”，保护了用户的隐私。第三，双向拍卖机制作为用户之间合约中的定价方法在用户间进行交易，并制定清算价格的合理性，使社区能源交易中报价合理的产消者可以快速达成交易。
附图说明
图1是本发明的系统交易模型图；
图2是本发明方法的步骤流程图。
具体实施方式
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、详细地描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
图1是本发明的系统交易模型图，图2是本发明实例提供的基于区块链的能源交易系统整体结构流程示意图，本实施例中的一种区块链能源安全交易方法，包括下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
本实施例中的一种基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，包括
(1)构建社区能源交易区块链和能源互联网，能源互联网包括多个节点，每个节点为剩余电能用户节点或/和电能需求用户节点；
(2)社区中的用户通过屋顶太阳能电池板等分布式能源发电，社区的储能装置会根据电力用户传输的多余电能进行收集记录，在用户进行交易时再输送至电能用户；
(3)社区中所有的电力用户通过智能电表设备完成数据的采集，剩余电能用户和电能需求用户分别将要出售的电量和要购买的电量上传至能源互联网，买卖双方制定电力交易合约；
(4)将步骤(3)得出的电力合约交易经历电能用户请求、预准备、准备、提交、应答这五个阶段完成区块共识，并记录于能源区块链；
(5)在双向拍卖机制的基础上，买卖双方制定电力交易智能合约共识的约束条件，买卖双方通过以太币进行有效且安全的电力合约交易，通过双向拍卖机制，剩余电能用户对所出售电能进行标价，电能需求用户对电能进行报价的方式，在通过筛选后买卖双方执行最优的电力交易智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布，买卖双方之间的电能交易通过加密货币进行结算；
(6)完成价值转移，结束交易。
2.进一步地，步骤(1)构建社区的能源区块链时，能源区块链结合了剩余电能用户和电能需求用户以及储能装置，供需电力用户之间在双向拍卖机制下通过签订智能合约完成电力交易。
3.进一步地，步骤(2)中的剩余电能用户通过屋顶太阳能发电系统等分布式能源产生电能，在满足日常用电之后将多余的电能通过“隔墙售电”的方式出售给电能需求用户，在剩余电力用户没进行电能交易而且用户有电能剩余时，电能剩余用户设备系统(即光伏系统)就会传输的剩余的电能给储能装置，然后储能设备系统会将收集的电能出售给电网，电网会根据社区中电能不足用户的需求输送电能，接下来储能设备系统会将出售电能所得的费用一部分用于自身运行维护费用，另外一部分根据剩余电力用户输送的多余电能的比例进行分配。
4.进一步地，步骤(3)的电力交易智能合约包括以下方面：智能电表会记录用户的用电量从而完成数据的采集，连入网络，进行数据的分析写入区块链，能源区块链根据不同用户的需求进行匹配，然后完成电力交易合约的签订，每份电力交易合约的区块链存证信息，确保合约唯一性。
5.进一步地，在社区中，电力买卖双方用户会通过智能电表来查看设备产生的电能值，表中显示每个电力用户的电量信息。剩余电能用户通过区块链网络发送售电信息，电能需求用户可以从能源交易网络中看到生产者发布的售电信息，然后根据用电需求报价回应交易请求，并触发状态机启动智能合约，投放到区块链网络中，买卖双方在双向拍卖机制的基础上根据清算价匹配交易，交易达成之后将会被广播到整个网络中，最后由区块链共识机制来确认交易信息并写入能源区块链中，整个交易过程不需要主电网或集中式的交易服务平台。步骤(5)中在双向拍卖机制的基础上，买卖双方通过以太币进行有效且安全的电力合约交易，电能需求用户和剩余电能用户进行交易的过程如下：
当电能剩余家庭i以xi元每度电来销售Yi度电，定义卖方销售的电量总数为N度，买方购买的电量总数为n度。当所有出价高于或等于清算价的消费者、所有出价低于清算价的生产者都可以进行匹配交易，当匹配完成之后，买卖双方则通过智能合约进行交易.
1)求满足Zu≤N≤Zu+1的下标u,如果N＝∑Yi,则有:
x＝αxu+(1-α)xu+1(0≤α≤1) (1)
在社区的电力用户能源交易过程中，若电能不足家庭需要K度电并且出价大于或等于x,即买卖双方共有N度电的出价大于或等于x，剩余家庭有(N-K)度电出价大于等于x，又因为剩余家庭需要交易的N度电量，剩余家庭有(N-(N-K)＝K)度电出价小于x，所以出价高于或等于清算价的消费者、所有出价低于清算价的生产者可以进行匹配交易，赢得拍卖。
2)求满足Zu≤N≤Zu+1的下标u,如果N＜∑Yi,则有:
x＝xu+1 (2)
所有购买价格高于清算价的电能不足家庭、所有销售价格低于清算价的剩余家庭以及部分价格等于清算价的电能不足家庭和剩余家庭都可以匹配交易。
在社区的电力用户能源交易过程中，所有出价买卖者i的出价等于x，i∈[k1，k2]和k1≤u≤k2,我们有
Figure BDA0002843983770000101
在方法一中公式(3)等号成立的情况是(∑Yi＝N),在方法2下为N≤∑Yi.电能不足家庭需要购买K1度电且购买价格大于x，剩余家庭有k2度电出售且价格小于x，电能不足家庭需要k3度电且购买价格大于或等于x，剩余家庭销售k4度电且销售价格小于或等于x，则有公式
Figure BDA0002843983770000102
剩余家庭售价大于x的电量少于(N-k1)度，剩余家庭售价小于等于x的电量多于(N-(N-k1)＝k1)度电，即k1≤k2,所以，所有购买价格大于x的电能不足家庭将赢得拍卖。同理可得，k2≤k3,所有售价小于x的剩余家庭将赢得拍卖，而价格等于x的买卖双方中只能有部分交易成功，出价相同者中由交易量最多的获得赢标，这样使得电量的利用率达到最大化。价格等于x的电量中有多少交易成功，比较k3和k4，如果k3≤k4，则价格等于x的电量中所有电能不足家庭需要购买的电量和部分剩余家庭的需要销售的电量将进行匹配交易；如果k3＝k4，则所有出价等于x的物品都将进行匹配交易。

Claims (5)

1.一种基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)构建社区能源交易区块链和能源互联网；
(2)社区中的用户通过屋顶太阳能电池板等分布式能源发电；
(3)社区中所有的电力用户通过智能电表设备完成数据的采集，买卖双方制定电力交易合约；
(4)将步骤(3)得出的电力合约交易经历电能用户请求、预准备、准备、提交、应答这五个阶段完成区块共识，并记录于能源区块链；
(5)在双向拍卖机制的基础上，买卖双方制定电力交易智能合约共识的约束条件，通过双向拍卖机制，剩余电能用户首先对所出售电能进行标价并发布到网络中，智能电表对电能进行记录，然后电能需求用户对所购买的电能进行报价，买卖双方通过清算价格的方式进行匹配交易。在通过筛选后，买卖双方执行双向匹配的电力交易智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布，买卖双方之间的电能交易通过加密货币进行结算；
(6)完成价值转移，结束交易。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，其特征在于，步骤(1)构建智能社区的能源区块链时，能源区块链结合了剩余电能用户和电能需求用户以及储能装置，供需电力用户之间在双向拍卖机制下通过签订智能合约完成电力交易。
3.根据权利要求2所述的基于区块链技术的智能合约和双重拍卖的社区分布式能源系统交易方法，其特征在于，步骤(2)中的剩余电能用户通过屋顶太阳能发电系统等分布式能源产生电能，在满足日常用电之后将多余的电能通过“隔墙售电”的方式出售给电能需求用户，在剩余电力用户没进行电能交易而且用户有电能剩余时，电能剩余用户设备系统(即光伏系统)就会传输的剩余的电能给储能装置，然后储能设备系统会将收集的电能出售给电网，电网会根据智能社区中电能不足用户的需求输送电能，接下来储能设备系统会将出售电能所得的费用一部分用于自身运行维护费用，另外一部分根据剩余电力用户输送的多余电能的比例进行分配。
4.根据权利要求2所述的基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，其特征在于，步骤(3)的电力交易智能合约包括以下方面：智能电表会记录用户的用电量从而完成数据的采集，连入网络，进行数据的分析写入区块链，能源区块链根据不同用户的需求进行匹配，然后完成电力交易合约的签订，每份电力交易合约的区块链存证信息，确保合约唯一性。
5.根据权利要求4所述的基于区块链技术和双重拍卖的社区分布式能源交易机制，其特征在于，步骤(5)中在双向拍卖机制的基础上，买卖双方通过以太币进行有效且安全的电力合约交易，电能需求用户和剩余电能用户进行交易的过程如下：
当电能剩余家庭i以xi元每度电来销售Yi度电，定义卖方销售的电量总数为N度，买方购买的电量总数为n度。当所有出价高于或等于清算价的消费者、所有出价低于清算价的生产者都可以进行匹配交易，当匹配完成之后，买卖双方则通过智能合约进行交易.
1)求满足Zu≤N≤Zu+1的下标u，如果N＝∑Yi，则有：
x＝αxu+(1-α)xu+1(0≤α≤1) (1)
在社区的电力用户能源交易过程中，若电能不足家庭需要K度电并且出价大于或等于x，即买卖双方共有N度电的出价大于或等于x，剩余家庭有(N-K)度电出价大于等于x，又因为剩余家庭需要交易的N度电量，剩余家庭有(N-(N-K)＝K)度电出价小于x，所以出价高于或等于清算价的消费者、所有出价低于清算价的生产者可以进行匹配交易，赢得拍卖。
2)求满足Zu≤N≤Zu+1自勺下标Ll，如果N＜∑Yi，则有：
x＝xu+1 (2)
所有购买价格高于清算价的电能不足家庭、所有销售价格低于清算价的剩余家庭以及部分价格等于清算价的电能不足家庭和剩余家庭都可以匹配交易。
在社区的电力用户能源交易过程中，所有出价买卖者i的出价等于x，i∈[k1，k2]和k1≤u≤k2，我们有
Figure FDA0002843983760000031
在方法一中公式(3)等号成立的情况是(∑Yi＝N)，在方法2下为N≤∑Yi.电能不足家庭需要购买K1度电且购买价格大于x，剩余家庭有k2度电出售且价格小于x，电能不足家庭需要k3度电且购买价格大于或等于x，剩余家庭销售k4度电且销售价格小于或等于x，则有公式
Figure FDA0002843983760000041
剩余家庭售价大于x的电量少于(N-k1)度，剩余家庭售价小于等于x的电量多于(N-(N-k1)＝k1)度电，即k1≤k2，所以，所有购买价格大于x的电能不足家庭将赢得拍卖。同理可得，k2≤k3，所有售价小于x的剩余家庭将赢得拍卖，而价格等于x的买卖双方中只能有部分交易成功，出价相同者中由交易量最多的获得赢标，这样使得电量的利用率达到最大化。价格等于x的电量中有多少交易成功，比较k3和k4，如果k3≤k4，则价格等于x的电量中所有电能不足家庭需要购买的电量和部分剩余家庭的需要销售的电量将进行匹配交易；如果k3＝k4，则所有出价等于x的物品都将进行匹配交易。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113298629A (zh) * 2021-06-09 2021-08-24 哈尔滨工程大学 一种基于双向拍卖理论和智能合约的数据共享方法
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