CN112990568A - 一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，包括：S1，对节点进行多角度评价获得节点综合得分，获取决策节点和出块节点；S2，用户节点广播用能需求，供能节点广播可供能源量和报价，触发智能合约并判断所在系统能否满足用能需求，若能则进S6，否则进S3；S3，决策节点选取最优方案；S4，将用能方案广播给其他综合能源系统，判断是否符合安全约束，若符合则进S5，若不符合则返回S3；S5，反馈数字签名，得到满足相关约束后的反馈后，决策节点向交易相关系统发送交易信息；S6，决策节点收集交易生成微区块并进行投票，票数足够则达成共识，其余节点更新区块链；S7，出块节点收集微区块，生成区块。

Description

一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法

技术领域

本发明涉及基于区块链共识机制的综合能源交易领域，特别是涉及一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法。

背景技术

在能源革命不断推进，能源利用效率愈来愈被看重的大背景下，综合能源系统可在一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行，协同管理、交互响应和互补互济。在满足系统内多元化用能需求的同时，有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展。

但当前电、热、气等能源系统相对独立，能源交易模式存在巨大差异，存在信任问题，对于综合能源系统中的多能源交易带来巨大挑战。而区块链定位为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的新型应用模式，具有去中心化、防篡改、可溯源的特点，能够较好的契合综合能源系统中分布式能源交易的场景，从而推动综合能源系统的发展。

而基于区块链架构打破异构能源系统壁垒的关键就是解决信任问题，而共识机制便是解决信任问题的关键。现有的共识机制多是基于金融行业特点构建，不适用于能源系统，主流的几种共识机制都存在需要大量算力资源或是容易中心化等缺陷，例如POW对于算力、电能等资源消耗大，且吞吐量较小；POS容易形成权力较大的节点影响公平；DPOS则会影响节点参与共识的积极性，这些共识机制都不适用于综合能源系统，

在现有技术中：

1)综合能源系统中涉及多种能源，不同能源系统现有交易模式存在壁垒，与此同时，交易过程中因为涉及双边协商、竞价，缺少解决信任问题的机制，很难实现综合能源交易；

2)区块链的特点十分契合综合能源系统交易场景，但现有的区块链共识机制因吞吐量少、占用资源多等问题，不适用于当前场景；

3)现有的共识机制中缺乏节点属性的划分，造成需要对不相关属性交易进行共识，导致共识效率低下等问题；

4)当前分布式能源在能源交易中缺乏话语权，往往需借助第三方作为中介，造成信息不透明等信任问题。

针对现有技术中的问题，考虑到综合能源系统的特殊性，急需一种在考虑提高共识效率的前提下，能结合综合能源并涉及多种能源的实际情况的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，以解决上述现有技术存在的问题，使综合能源系统和区块链中的共识机制相结合进行多能源交易。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法,包括以下步骤：

S1，构建若干个综合能源系统，所述综合能源系统包括若干个能源终端，将若干个所述能源终端构建为区块链中若干个节点，对所述节点进行综合评价，得出综合得分，基于所述综合得分选取决策节点和出块节点；

S2，有能源需求的用户节点广播用能需求，供能节点广播可供能源量和报价，触发智能合约，所在综合能源系统无法满足用能需求时，所述决策节点收集无法满足的用能需求并考虑其他综合能源系统；

S3，所述决策节点基于所述智能合约和所述其他综合能源系统提出的可供能源量、报价、节点综合得分选取最优方案；

S4，将用能方案广播给所述其他综合能源系统，基于相关能源种类的决策节点判断方案中的能量传输是否符合安全约束，若符合所述安全约束则将数字签名反馈，所述决策节点发送交易信息进行交易；

S5，所述决策节点基于收集到的涉及本系统的交易生成微区块并进行广播，由所在综合能源系统涉及此种类能源的节点进行投票，大于等于总票数的2/3则交易达成共识，由决策节点向系统节点反馈并更新区块链；

S7，所述出块节点收集交易周期内的微区块，验证并生成区块，下发给所有出块节点更新区块链。

进一步地，所述S1中综合评价的指标包括：用能体验、共识参与度、能源利用率、环境友好指数；

其中所述用能体验包括用户满意度、供能质量、信用值；

所述共识参与度，从参与共识次数、对共识投票的响应时间来衡量节点参与共识的积极。

进一步地，所述能量利用率包括产能利用率、供能利用率，公式如下：

η_in＝E_ac/E_in

η_out＝E_tr/E_out

其中，η_in表示产能利用率，η_out表示供能利用率，E_ac表示节点用于产能实际有效利用的能源量，E_tr表示节点产出能源中被交易的能源量，E_in、E_out则分别表示节点产能所消耗的能源量、产出的能源量。

进一步地，所述环境友好指数包括节点污染物排放指数ε_po、碳排放指数ε_c和可再生能源占比ε_re，公式如下：

ε_po＝P_out/P_qu

ε_c＝C_out/C_qu

ε_re＝E_re/E_out

其中P_out、C_out表示节点污染物排放量和碳排放量，P_qu、C_qu分别表示规定的污染物排放量和碳排放配额，E_re表示节点产能中可再生能源量，E_out表示节点产出能源量。

进一步地，所述S1中得出综合得分的方法为：

S1.1，对所述综合评价的指标进行归一化处理，所述指标包括主观指标和客观指标；

S1.2，得到主观指标权重和客观指标权重；

S1.3，基于所述主观指标权重和所述客观指标权重得到所述合权重；

S1.4，基于所述归一化的指标数据和所述组合权重得到综合评价值；

S1.5，基于处理的交易量得到奖励分数，结合所述综合评价值得出综合得分。

进一步地，所述S1中的出块节点由每个综合能源系统中分数最高的节点轮流担任，并在循环一次后重新评价所有节点选出新的出块节点；所述决策节点由除所述出块节点外系统中综合评价最高的节点担任，每种能源选择一个节点。

进一步地，所述S3中选取最优方案的具体评判标准为：成本最低、供能节点综合得分最高、碳排放指数最低，根据所述标准提出目标函数和约束条件，具体为：

其中，obj.表示最优方案，minH_总表示最高的供能节点综合得分，maxNp_总表示最低的成本，minC_总表示最低的碳排放指数，s.t.表示优化方案所受约束，

表示节点i所需s种能源量，

表示编号i的节点s种类能源交易量，ρ表示能源传输过程中的损失率，

表示节点i最多可提供s种能源量，

表示节点i对s种能源提供的报价，O_g表示规定能源报价的最高值。

进一步地，所述S2中的所在综合能源系统，能够满足用能需求时直接进行S5。

进一步地，所述S4中判断方案中的能量传输是否符合安全约束中，若不符合所述安全约束则返回S3选取新方案。

进一步地，每个节点的票数具体的计算方式如下：

其中Ω表示综合能源系统每种能源的节点集合，V_i表示i节点的票数，Np_i表示节点i的综合评价值。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明对综合能源系统中的节点进行多角度评价，更加合理地选择决策节点和出块节点。综合评价高的节点在能源交易时享有优先权，并且能够得到政府补贴，能激发节点对提升用能体验、能源效率、环境友好等方面的热情，并且更积极地参与共识机制，提高请求处理速度；

(2)针对系统内能源交易、跨系统能源交易等不同场景，分析之间的差异，考虑到能源传输需要满足物理约束，提出更契合场景的共识机制，并对节点按照能源种类进行划分，节点只需对相关种类的能源交易进行共识，既提高了效率，又减轻节点的存储压力。与此同时，在对节点的综合评价中引入共识参与度的评价，更能激发节点参与共识的积极性，有利于保障综合能源交易高效安全进行。

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为本发明的流程图；

图2为本发明中的区块链结构图；

图3为本发明中的智能合约示意图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。

本发明旨在提出合理的区块链共识机制来保证综合能源系统中交易的安全可靠，本发明的区块链结构图见图2，其中区块链去中心化、防篡改等特点为综合能源交易提供了安全架构，共识机制则为交易双方提供了可信的保障。本方案运用在综合能源智能场景下，当有节点提出能源需求申请时，首先判断所在综合能源系统能否满足需求，如不能满足则根据成本最低、碳排放最低等目标选取跨区域调配能源方案，根据上述不同情况，本发明提出适合场景下的共识机制，能够更加高效的达成共识，并对节点按照能源种类进行划分，只处理相关种类能源交易从而提高共识效率。

本发明中，综合能源系统的每个能源终端都相当于一个区块链节点，包括电网公司、天然气公司、CCHP、CHP、微网、储能设备、能源负荷等，根据综合能源系统的特点将节点进行区域性划分，通过综合评价选出决策节点、出块节点来完成共识。在综合能源系统中，没有必要每个节点都存储所有信息，也没有必要参与不相关种类能源交易的共识。除了出块节点，其他节点只需要参与所在系统中所需或者所产能源相关的交易信息的共识，并储存由决策节点生成的微区块保障交易信息防篡改。与此同时，为了提高节点参与共识的积极性，在综合评价加入对参与共识的评价指标，并对于出块节点、决策节点进行加分，本发明的流程图如图1所示。

本发明的具体流程如下：

Step1：赋予综合能源系统中节点编号ID，每一个编号映射一个集合{ad，Nt，Ns，Np}，其中包括节点重要信息：节点地址ad、节点涉及能源类型Nt、节点所属系统Ns、节点综合得分Np。其中节点综合得分便是根据对每个节点从主客观角度等多个角度进行综合评价得出的，根据评价分数确定综合能源系统中决策节点和每个节点在共识中相应的投票票数。

为了减少能源浪费、提升用户体验、降低碳排放、鼓励积极参与共识，所以从用能体验、能源利用率、环境友好、共识参与度等多角度对节点做出综合评价，提出如下的评价体系：

1.用能体验：由每个节点提供用能服务的用户进行评价，在每次交易完成时给出，其中主要包含用户满意度、供能质量(供能质量针对不同能源含义不同，对于电能指的是电能质量、停电次数，热能指的是温度)、信用值。对于节点可能为多个用户提供能源供应的情况，满意度、供能质量取评价的平均值。

2.能源利用率：能源利用率反映能源消耗水平和利用效果，即能源有效利用程度的综合指标，其中包含了产能利用率(有效利用的能源与实际消耗能源的比率)η_in、供能利用率(节点实际产出能源中被有效使用的比率)η_out，具体见下面公式：

η_in＝E_ac/E_in

η_out＝E_tr/E_out

其中E_ac表示节点用于产能实际有效利用的能源量，E_tr表示节点产出能源中被交易的能源量，E_in、E_out则分别表示节点产能所消耗的能源量、产出的能源量。其中对于CCHP这种产出能源是多种的情况，进行综合计算，而对于含有分布式光伏、风电的微网用户因产出电能不需要消耗其它能源所以不存在η_in。

3.环境友好指数：包含节点污染物排放指数ε_po、碳排放指数ε_c和可再生能源占比ε_re等指标来对节点环境友好程度做出评价，对于指标的量化具体见公式：

ε_po＝P_out/P_qu

ε_c＝C_out/C_qu

ε_re＝E_re/E_out

其中P_out、C_out表示节点污染物排放量和碳排放量，P_qu、C_qu分别表示规定的污染物排放量和碳排放配额，E_re表示节点产能中可再生能源量，E_out表示节点产出能源量。

4.共识参与度：从参与共识次数、对共识投票的响应时间来衡量节点参与共识的积极性。与此同时，为了提高节点参与共识的积极性，对于出块节点、决策节点，根据处理的交易数量给予奖励。

综上所述，对节点的综合评价既包括主观的用户评价，又包括客观的指标评价。对于各项指标的权重，本发明采用主客观组合赋权法来客服主观随意性并避免客观所得结果与实际情况不符，使综合评价结果更科学合理。在此选用模糊层次分析法和客观赋权法CRITIC法，并采用乘法组合得到组合权重。评价过程如下：

1)对指标进行归一化处理

由于定量指标的量纲一般不同，为了便于综合评价，对指标值进行归一化处理，为了避免指标数据为0的情况，这里采用样本值除以序列极值将所有数据值集中到(0，1)这个量级附近。其转化函数为：

其中x_ij表示第i个节点第j个指标的数据值。对于节点污染物排放指数ε_po、碳排放指数ε_c、共识响应时间用负向转化函数进行归一化，其余指标采用正向转化函数。

2)利用模糊层次分析法得到主观权重

建立综合能源系统综合评价指标模糊互补矩阵(a_ij)_n×m，将n个安全指标c_i、c_j两两比较，采用标度为0.1～0.9的模糊关系隶属度得到c_ij，形成模糊判断矩阵X＝(c_ij)_n×m，c_ij满足0≤c_ij≤1且c_ij+c_ji＝1。

按下式计算得到模糊一致判断矩阵E＝(C_ij)_n×m

所以第j个指标的主观权重α_j为

3)利用CRITIC法得到客观权重

设C_j表示第j个指标所包含的信息量，则可表示为

其中σ_j为第j个评价指标标准差，其计算方式为：

其中r_kj为指标k和指标j之间的相关系数，其计算方法为：

对于CRITIC法而言，C_j越大，则第j个指标包含的信息量越大，其相对重要性就越大，所以第j个指标的客观权重为β_j：

4)利用乘法组合的方式得到组合权重，利用下式可求得第j个指标的组合权重：

5)将归一化的指标数据n_ij乘以组合权重值W_j求和便得到节点i的综合评价值：

6)对于出块节点、决策节点，参考处理的交易量在综合评价中体现得到奖励分数：

Δ＝γlog₂tr_i

其中γ表示激励因子，tr_i则表示节点处理的交易量。所以出块节点、决策节点最终的综合评价分数为：

根据节点综合评价，选出出块节点和决策节点，其中出块节点由每个综合能源系统中分数最高的节点轮流担任，并在循环一次后重新评价所有节点选出新的出块节点，负责将所有微区块打包生成区块，并下发给每个系统的出块节点。决策节点由除出块节点外系统中综合评价最高的节点担任，每种能源选择一个节点，负责将收集到的本系统相关此种类能源的交易生成微区块，下发给其他节点。另外，对于补贴也会参考节点的综合评价。

Step2：交易周期开始，有能源需求的用户广播用能需求

(其中

表示所需能源量，s指的是能源种类，电、热、气等，i表示有能源需求的节点ID)，与此同时供能节点广播可供能源量和报价

触发预置在区块链中的智能合约，所述智能合约图如3所示，由于能源在传输过程中存在损耗，首先判断所在综合能源系统自身能否满足用能需求，如能满足需求则系统内交易进行step5，如不能满足则进行step3；

Step3：决策节点收集交易周期T内本系统无法解决的用能需求，根据其它综合能源系统提出的可供能源量、报价和节点综合评价分数

决策节点借助智能合约根据成本最低、供能节点综合评价最高、碳排放指数最低等目标选取最优方案，具体的目标函数与约束条件如下；

其中，obj.表示最优方案，minH_总表示最高的供能节点综合得分，maxNp_总表示最低的成本，minC_总表示最低的碳排放指数，s.t.表示优化方案所受约束，

表示节点i所需s种能源量，

表示编号i的节点s种类能源交易量，ρ表示能源传输过程中的损失率，

表示节点i最多可提供s种能源量，

表示节点i对s种能源提供的报价，O_g表示规定能源报价的最高值，σ_s表示单位s类能源碳排放量，μ表示能源种类的集合，∈表示交易涉及节点编号集合。另外，

Step4：由于能源系统的特殊性，在传输时受到许多物理约束的影响，而且每种能源的约束条件也有所不同。所以将交易方案

广播给供能相关的综合能源系统，由相关能源种类的决策节点判断相关方案中的能量传输是否符合安全约束，如符合上述约束则将数字签名反馈。得到满足相关约束的反馈后，决策节点发送交易信息

进行step5，如不符合则继续进行step3选取新的方案；

Step5：交易周期截止时，由决策节点收集交易周期T中涉及本系统的交易生成微区块，并进行广播由所在综合能源系统涉及此种类能源的节点进行投票，根据之前综合评价分数得到各个节点对应的票数，且每个节点票数不能超过总票数的一半。每个节点的票数具体的计算方式如下：

其中Ω表示综合能源系统每种能源的节点集合，V_i表示i节点的票数；如大于等于总票数的2/3就认定交易达成共识，由决策节点向系统节点反馈更新区块链。

Step6：交易周期结束后，由根据综合评价选出的出块节点收集交易周期T内的微区块，验证并生成区块，下发给所有出块节点更新区块链。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，构建若干个综合能源系统，所述综合能源系统包括若干个能源终端，将若干个所述能源终端构建为区块链中若干个节点，对所述节点进行综合评价，得出综合得分，基于所述综合得分选取决策节点和出块节点；

S2，有能源需求的用户节点广播用能需求，供能节点广播可供能源量和报价，触发智能合约，所在综合能源系统无法满足用能需求时，所述决策节点收集无法满足的用能需求并考虑其他综合能源系统；

S3，所述决策节点基于所述智能合约和所述其他综合能源系统提出的可供能源量、报价、节点综合得分选取最优方案；

S4，将用能方案广播给所述其他综合能源系统，基于相关能源种类的决策节点判断方案中的能量传输是否符合安全约束，若符合所述安全约束则将数字签名反馈，所述决策节点发送交易信息进行交易；

S5，所述决策节点基于收集到的涉及本系统的交易生成微区块并进行广播，由所在综合能源系统涉及此种类能源的节点进行投票，大于等于总票数的2/3则交易达成共识，由决策节点向系统节点反馈并更新区块链；

S7，所述出块节点收集交易周期内的微区块，验证并生成区块，下发给所有出块节点更新区块链。

2.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述S1中综合评价的指标包括：用能体验、共识参与度、能源利用率、环境友好指数；

其中所述用能体验包括用户满意度、供能质量、信用值；

所述共识参与度，从参与共识次数、对共识投票的响应时间来衡量节点参与共识的积极。

3.根据权利要求2所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述能量利用率包括产能利用率、供能利用率，公式如下：

η_in＝E_ac/E_in

η_out＝E_tr/E_out

其中，η_in表示产能利用率，η_out表示供能利用率，E_ac表示节点用于产能实际有效利用的能源量，E_tr表示节点产出能源中被交易的能源量，E_in、E_out则分别表示节点产能所消耗的能源量、产出的能源量。

4.根据权利要求2所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述环境友好指数包括节点污染物排放指数ε_po、碳排放指数ε_c和可再生能源占比ε_re，公式如下：

ε_po＝P_out/P_qu

ε_c＝C_out/C_qu

ε_re＝E_re/E_out

其中P_out、C_out表示节点污染物排放量和碳排放量，P_qu、C_qu分别表示规定的污染物排放量和碳排放配额，E_re表示节点产能中可再生能源量，E_out表示节点产出能源量。

5.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述S1中得出综合得分的方法为：

S1.1，对所述综合评价的指标进行归一化处理，所述指标包括主观指标和客观指标；

S1.2，得到主观指标权重和客观指标权重；

S1.3，基于所述主观指标权重和所述客观指标权重得到所述合权重；

S1.4，基于所述归一化的指标数据和所述组合权重得到综合评价值；

S1.5，基于处理的交易量得到奖励分数，结合所述综合评价值得出综合得分。

6.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述S1中的出块节点由每个综合能源系统中分数最高的节点轮流担任，并在循环一次后重新评价所有节点选出新的出块节点；所述决策节点由除所述出块节点外系统中综合评价最高的节点担任，每种能源选择一个节点。

7.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述S3中选取最优方案的具体评判标准为：成本最低、供能节点综合得分最高、碳排放指数最低，根据所述标准提出目标函数和约束条件，具体为：

其中，obj.表示最优方案，minH_总表示最高的供能节点综合得分，maxNp_总表示最低的成本，minC_总表示最低的碳排放指数，s.t.表示优化方案所受约束，

表示节点i所需s种能源量，

表示编号i的节点s种类能源交易量，ρ表示能源传输过程中的损失率，

表示节点i最多可提供s种能源量，

表示节点i对s种能源提供的报价，O_g表示规定能源报价的最高值。

8.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述S2中的所在综合能源系统，能够满足用能需求时直接进行S5。

9.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：所述S4中判断方案中的能量传输是否符合安全约束中，若不符合所述安全约束则返回S3选取新方案。

10.根据权利要求1所述的综合能源智能交易场景下的区块链共识机制构建方法，其特征在于：每个节点的票数具体的计算方式如下：

其中Ω表示综合能源系统每种能源的节点集合，V_i表示i节点的票数，Np_i表示节点i的综合评价值。

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