CN114358929A - 基于区块链的分布式能源集中交易方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于区块链的分布式能源集中交易方法及系统，包括以下步骤：步骤一：构建基于区块链的分布式能源交易系统；步骤二：用户通过网站或者应用程序注册并提出购售电请求，通过基于应用框架及区块链标准开发的区块链系统向区块链写入数据信息；步骤三：区块链接收到用户提交的报价后，结合用户侧软硬件设备传输的数据，对购售电双方进行撮合、结算，最终形成实时供需曲线并出清；步骤四：记录交易内容，将出清结果上传至区块链储存；本发明提出一种新的连续双边拍卖的竞价方式，调整购售电双方的报价，减小购售双方利益损失；为供应对象提供最优的报价决策，使得供应对象的市场收益最大化。

Description

基于区块链的分布式能源集中交易方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，尤其涉及基于区块链的分布式能源集中交易方法及系统。

背景技术

随着能源资源短缺、生态环境恶化等问题不断加剧，分布式能源是未来能源系统中不可缺少的一部分。，与“双碳”目标相契合的太阳能、风能、光伏等分布式能源污染小、能源转换率高、运行可靠性高，将初步成为供电的重要来源。

但目前传统的电力市场中分布式能源交易存在着许多问题，随着分布式能源交易规模的不断扩大，信息数据不断增加，出清变得十分过程繁琐。对于供用电方，存在着电力市场交易中由于电力损耗造成的成交量与实际接受量不符、用户获取信息不及时等问题。目前大部分分布式交易过程缺少中心监管机制，如何对交易双方的各项信息进行确认与核实以确保交易安全是急需解决的问题。

区块链作为一种去中心化的分布式共享数据库，通过首尾哈希值单向连接实现链式存储。区块链各节点都拥有完整账本的副本，任何节点均可实时查看和校对交易数据。区块链具有去中心化、信息公开透明、信息不可篡改、高可靠性等特点，将其应用至分布式能源交易成为一种研究趋势。同时区块链的工作量证明机制、智能合约、信息安全机制等为其应用到分布式能源交易提供了保障。

例如，中国专利CN201810296960.5公开了售电公司多时间尺度交易电量决策方法和系统。基于不同时间尺度负荷用电量需求，考虑了非传统电源和负荷的电量需求，为新形态配电网条件下售电公司参与不同时间尺度购电交易提供了准确的参考依据；但是其对于交易双方的信息保密度差，无法确保交易安全。

发明内容

本发明主要解决现有的技术中布式能源交易过程缺少中心监管机制导致交易安全性差的问题；提供一种基于区块链的分布式能源集中交易方法及系统，为分布式能源交易提供安全保障。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于区块链的分布式能源集中交易方法，包括以下步骤：

步骤一：构建基于区块链的分布式能源交易系统；

步骤二：用户通过网站或者应用程序注册并提出购售电请求，通过基于应用框架及区块链标准开发的区块链系统向区块链写入数据信息；

步骤三：区块链接收到用户提交的报价后，结合用户侧软硬件设备传输的数据，对购售电双方进行撮合、结算，最终形成实时供需曲线并出清；

步骤四：记录交易内容，将出清结果上传至区块链储存。通过区块链进行链上用电交易，交易信息公开，去中心化、信息公开透明、信息不可篡改和高可靠性，保障了交易双方的信息安全，同时，保证了交易过程的安全和不可逆不可反悔，提高交易效率。

作为优选，用户进行区块链参与节点注册的方法为：用户签订电子合同并进行电子签名，输入资质信息后广播给区块链其他节点，认证成功后获取用户每日用电曲线，将用电曲线进行离散化处理，取整时时刻的离散值，进行均值处理，将低于平均值的时刻标记为0，将高于平均值的时刻标记为1，产生24位的二进制数，将获得的二进制转化为十进制得到验证码，用户输入验证码后注册成功，所述验证码作为用户写入的数据信息的加密密钥。通过用户自身每天变化的用户曲线进行信息加密，用户可查看自身的用电曲线进行解密后下载或修改写入区块链的数据信息，其他用户可查看该用户的信息，但没有获取解密密钥时，无法更改和下载该用户的数据信息，保证用户信息的安全性。

作为优选，所述的区块链采用的共识算法为实用拜占庭容错算法。为缩短交易达成共识时间，本发明采用新型共识机制算法实用拜占庭容错算法(PBFT)；PBFT中仅主节点接受客户端交易请求，通过三次全局广播过程，整个网络中所有正常节点达成一致；客户端接收到对于该请求1/3以上参与节点返回相同结果则表明共识达成；在实用拜占庭容错算法中，整个系统能够容忍1/3节点故障；本发明提出一种动态授权PBFT，参与共识算法的副本节点可随时加入、退出网络，整个共识算法可动态感知和调整最大容忍失效节点的数目，并且动态删除共识表现最差的节点。

作为优选，所述的出清的方法为连续双边拍卖的方式。区块链接收到发用电用户的购售电报价信息后，需要有去中心化的交易平台将买卖双方的报价及需求聚集在一起进行撮合匹配，形成供需曲线后出清；这些撮合过程需要公开透明地展示给用户，以保证参与双方的利益。出清方式一般可以分为集合竞价和连续双边拍卖，本发明使用连续双边拍卖的方式；连续双向拍卖是指在市场参与者以多对多形式存在的情况下，买卖双方在交易周期内可以随时提交报价，一旦价格匹配即可成交的交易形式；在连续双向拍卖机制中，买卖双方按照“价格优先，时间优先”的原则进行排序，买方价格从高到低排序，而卖方价格从低到高排序，价格相同的情况下，按提交报价时间前后排序。

作为优选，所述连续双边拍卖的具体方法为：首先对最近n笔交易进行竞争性均衡价格估计：

式中：p^′为近n笔交易的竞争性均衡价格估计；p_i表示第i笔交易的成交价；ω_i表示第i笔交易的权重；

接着对不同的用户和分布式能源提供商依据进取性模型进行报价：

式中：τ_in,b、τ_in,s、τ_ex,b和τ_ex,b分别为内缘买方、内缘卖方、外缘买方和外缘卖方目标报价；v、c分别是用户和分布式能源提供商的购电估价和成本；MIN、MAX分别是市场规定最低购电价和最高售电价格。

作为优选，交易双方的报价策略如下：

用户报价策略：

式中：η∈[0，1]表示用户报价增加率；p_ob(t)和p_os(t)分别为t轮交易中最优买价和最优卖价；分布式能源提供商报价策略：

作为优选，当用户购电估价高于均衡价格时，该用户即为内缘买方，否则为外缘买方；当分布式能源提供商成本低于均衡价格时，该分布式能源提供商即为内缘卖方，否则为外缘卖方。进取度r是反映进取性强烈程度的参数，r为[-1，1]的实数，r越接近于1，则市场主体竞价的愿望越强烈，r越接近于-1，则市场主体竞价的愿望越消极，r等于0时表明市场主体对交易持中立的态度。

本发明还提供一种基于区块链的分布式能源集中交易系统，包括：

区块链系统，给用户提供区块链链上交易节点，采用拜占庭容错算法进行共识表决，当交易节点收到交易请求后，交易节点向区块链其他参与节点进行三次全局广播，交易节点接收其他参与节点的结果反馈，当反馈内容达到三分之一相同时共识达成，共识表决过程中，其他参与节点可随时加入或退出；

后端系统，作为区块链的链下节点，通过区块链接口调度模块与区块链系统连接，连接有数据库系统，将区块链链上交易节点的交易信息和其他参与节点的数据信息存储在数据库系统中，通过通信模块分别与电表系统和用户终端连接；

用户终端，进行用户注册、登录以及报价请求，包括售电用户终端和购电用户终端；

电表系统，通过数据采集模块采集实际供电信息和发电信息，并对每个交易周期的电量进行汇总计算。每个区块链的链上节点均设置有一个后端系统，用户终端被购电用户或售电用户持有，方便用户进行分布式能源交易，区块链对交易过程进行公开并记录，交易过程得到有效保障。

本发明的有益效果是：通过动态拜占庭算法保障区块链系统中各个节点数据和状态的一致性，使区块链技术得以更好地应用；并且提出一种新的连续双边拍卖的竞价方式，调整购售电双方的报价，减小购售双方利益损失；在此机制下，交易双方根据市场信息动态地调整报价，在分布式能源集中出清交易市场效率上优于传统地交易模型，与分布式能源小规模、低成本地特点相结合，为供应对象提供最优的报价决策，以使得供应对象的市场收益最大化。

附图说明

图1是本发明实施例的区块链的分布式能源交易系统架构示意图。

图2是本发明实施例的区块链的集中出清交易模式图。

图中1、区块链系统，2、后端系统，3、数据库系统，4、售电方手机APP，5、购电方手机APP，6、发电智能电表系统，7、售电智能电表系统，8、区块链接口调度模块，9、规则引擎模块，10、合约处理模块，11、数据库存储模块，12、HTTP通信模块，13、TCP通信模块，14、汇合计算模块，15、数据采集模块，16、用户注册模块，17、密封报价模块，18、用户体现模块，19、充值模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

实施例：一种基于区块链的分布式能源集中交易系统，如图1所示，包括：

区块链系统1，给用户提供区块链链上交易节点，采用实用拜占庭容错算法进行共识表决，当交易节点收到交易请求后，交易节点向区块链其他参与节点进行三次全局广播，交易节点接收其他参与节点的结果反馈，当反馈内容达到三分之一相同时共识达成，共识表决过程中，其他参与节点可随时加入或退出。

后端系统2，作为区块链的链下节点，通过区块链接口调度模块8与区块链系统连接，内部设置有规则引擎模块9、合约处理模块10和数据库存储模块11，通过规则引擎模块进行动态计算当前场景和当前的交易双方报价，合约处理模块通过SDK和区块链系统进行交互，调用其智能合约，通过智能合约进行自动撮合交易，通过数据库存储模块连接数据库系统3，将区块链链上交易节点的交易信息和其他参与节点的数据信息存储在数据库系统中，通过HTTP通信模块12与用户终端连接，通过TCP通信模块13与电表系统连接，数据库中采用分块存储的方式进行数据存储，当调用数据时，数据包在数据库存储模块中进行数据还原，提高数据存储的安全性。

用户终端，进行用户注册、登录以及报价请求，包括售电方手机APP4和购电方手机APP5，在售电方手机APP和购电方手机APP中均设置有用户注册模块16和密封报价模块17，售电方手机APP和购电方手机APP的区别在于，售电方手机APP中设置用户提现模块18，方便售电用户售电后进行结款提现，在购电方手机APP中设置有充值模块19，方便购电用户进行购电费用充值。

电表系统，包括发电智能电表系统6和售电智能电表系统7，在发电智能电表系统和售电智能电表系统中均设置有汇合计算模块14、数据采集模块15和TCP通信模块，通过数据采集模块采集实际供电信息和发电信息，并通过汇合计算模块对每个交易周期的电量进行汇总计算。

本发明还提供一种基于区块链的分布式能源集中交易方法，包括以下步骤：

步骤一：构建基于区块链的分布式能源交易系统；包括智能电表系统、后端系统、区块链系统、售/购方手机APP系统；其中，手机APP系统负责用户的操作部分，其中售电方手机APP中有密封报价模块、用户提现模块和注册模块；整个APP通过HTTP与后端系统进行通信；智能电表系统通过硬件采集系统通过的电量，通过汇总计算模块计算出一个撮合周期的所有电量，通过TCP协议与后端系统进行通信；后端系统、区块链系统、数据库系统需要部署于所有参与节点，其中后端系统通过HTTP或者TCP通信与手机APP或者智能电表通信，汇集当前的所有信息之后，通过规则引擎模块进行动态计算当前场景和当前的交易双方报价；合约处理模块通过SDK和区块链系统进行交互，调用其智能合约，通过智能合约进行自动撮合交易。

步骤二：发用电用户通过网站或者应用程序注册并提出购售电请求，通过基于应用框架及区块链标准开发的区块链系统向区块链写入数据信息；区块链最大的核也点就是去中也化，也就是全网并没有一个中心对象(组织)，每个节点是不能从该中心化对象中获取全局唯一数据的；要想达到全网数据的一致性，那么整个体系要有一个统一的协议和机制，确保在网络中存在恶意节点和攻击的情况依然能够维持数据的完整性和安全性，在区块链中这种协议和机制为共识算法；实用拜占庭容错共识算法仅主节点接受客户端交易请求，通过三次全局广播过程，整个网络中所有正常节点达成一致；客户端接收到对于该请求1/3以上参与节点返回相同结果则表明共识达成；在实用拜占庭容错算法中，总共有四次消息广播，两次全网全节点广播，消息广播非常消耗网络带宽，与此同时，无法应对节点的动态变化，无法感知一个节点的加入或离开，尤其是节点数目増多，更是无法感知；节点数目増多，系统容错性增强，但原始的算法还是按照之前的数目进行运算，这无疑是浪费了新加入节点的资源；本发明提出一种动态授权PBFT，参与共识算法的副本节点可随时加入、退出网络，整个共识算法可动态感知和调整最大容忍失效节点的数目，并且动态删除共识表现最差的节点。

步骤三：区块链接收到用户提交的报价后，结合用户侧软硬件设备传输的数据，对购售电双方进行撮合、结算等，最终形成实时供需曲线并出清，如图2所示；区块链接收到发用电用户的购售电报价信息后，需要有去中心化的交易平台将买卖双方的报价及需求聚集在一起进行撮合匹配，形成供需曲线后出清；这些撮合过程需要公开透明地展示给用户，以保证参与双方的利益；出清方式一般可以分为集合竞价和连续双边拍卖，本发明使用连续双边拍卖的方式；连续双向拍卖是指在市场参与者以多对多形式存在的情况下，买卖双方在交易周期内可以随时提交报价，一旦价格匹配即可成交的交易形式；在连续双向拍卖机制中，买卖双方按照“价格优先，时间优先”的原则进行排序，买方价格从高到低排序，而卖方价格从低到高排序，价格相同的情况下，按提交报价时间前后排序；连续双向拍卖过程中，买方最高报价称为最优买价，卖方最低报价称为最优卖价；当最优买价大于等于最优卖价时，即可发生交易，在匹配过程中，报价最高的买方与报价最低的卖方进行匹配，成交价为二者平均价；依次类推，直到最优买价低于最优卖价，此时称为完成一轮交易，每轮交易中至少存在一笔交易；在交易过程中，市场参与方可以查看最优买价、最优卖价以及成交价，然后根据市场信息运用报价策略不断调整自身报价进行下一轮交易，直到市场中的交易电量全部匹配完成或者交易时间截止；如果市场中买卖双方在交易截止时，还未完成匹配，则向大电网购电或售电。

基于区块链的分布式能源集中交易及系统的连续双边拍卖报价出清方式，首先对最近n笔交易进行竞争性均衡价格估计：

式中：p^′为近n笔交易的竞争性均衡价格估计；p_i表示第i笔交易的成交价；ω_i表示第i笔交易的权重；

接着对不同的用户和分布式能源提供商依据进取性模型进行报价：

式中：τ_in,b、τ_in,s、τ_ex,b和τ_ex,b分别为内缘买方、内缘卖方、外缘买方和外缘卖方目标报价；v、c分别是用户和分布式能源提供商的购电估价和成本；MIN、MAX分别是市场规定最低购电价和最高售电价格；其中当用户购电估价高于均衡价格时，该用户即为内缘买方，否则为外缘买方；当分布式能源提供商成本低于均衡价格时，该分布式能源提供商即为内缘卖方，否则为外缘卖方。进取度r是反映进取性强烈程度的参数，r为[-1，1]的实数，r越接近于1，则市场主体竞价的愿望越强烈，r越接近于-1，则市场主体竞价的愿望越消极，r等于0时表明市场主体对交易持中立的态度。

交易双方的报价策略如下；

用户报价策略：

式中：η∈[0,1]表示用户报价增加率；p_ob(t)和p_os(t)分别为t轮交易中最优买价和最优卖价；

分布式能源提供商报价策略：

步骤四：记录交易内容，将出清结果上传至区块链储存；将本发明的协同规划方法应用于分布式能源交易过程中，在更好地保障区块链系统中各个节点数据和状态的一致性地前提下，交易双方根据市场信息动态地调整报价，为交易双方提供最优的报价决策。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建基于区块链的分布式能源交易系统；

步骤二：用户通过网站或者应用程序注册并提出购售电请求，通过基于应用框架及区块链标准开发的区块链系统向区块链写入数据信息；

步骤三：区块链接收到用户提交的报价后，结合用户侧软硬件设备传输的数据，对购售电双方进行撮合、结算，最终形成实时供需曲线并出清；

步骤四：记录交易内容，将出清结果上传至区块链储存。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，

用户进行区块链参与节点注册的方法为：用户签订电子合同并进行电子签名，输入资质信息后广播给区块链其他节点，认证成功后获取用户每日用电曲线，将用电曲线进行离散化处理，取整时时刻的离散值，进行均值处理，将低于平均值的时刻标记为0，将高于平均值的时刻标记为1，产生24位的二进制数，将获得的二进制转化为十进制得到验证码，用户输入验证码后注册成功，所述验证码作为用户写入的数据信息的加密密钥。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，

所述区块链采用的共识算法为拜占庭容错算法。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，

所述出清的方法为连续双边拍卖的方式。

5.根据权利要求4所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，

所述连续双边拍卖的具体方法为：首先对最近n笔交易进行竞争性均衡价格估计：

式中：p′为近n笔交易的竞争性均衡价格估计；p_i表示第i笔交易的成交价；ω_i表示第i笔交易的权重；

接着对不同的用户和分布式能源提供商依据进取性模型进行报价：

式中：τ_in,b、τ_in,s、τ_ex,b和τ_ex,b分别为内缘买方、内缘卖方、外缘买方和外缘卖方目标报价；v、c分别是用户和分布式能源提供商的购电估价和成本；MIN、MAX分别是市场规定最低购电价和最高售电价格。

6.根据权利要求5所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，

交易双方的报价策略如下：

用户报价策略：

式中：η∈[0，1]表示用户报价增加率；p_ob(t)和p_os(t)分别为t轮交易中最优买价和最优卖价；分布式能源提供商报价策略：

7.根据权利要求5所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，

当用户购电估价高于均衡价格时，该用户即为内缘买方，否则为外缘买方；当分布式能源提供商成本低于均衡价格时，该分布式能源提供商即为内缘卖方，否则为外缘卖方。

8.基于区块链的分布式能源集中交易系统，使用如权利要求1至7任一项所述的基于区块链的分布式能源集中交易方法，其特征在于，包括：

区块链系统，给用户提供区块链链上交易节点，采用拜占庭容错算法进行共识表决，当交易节点收到交易请求后，交易节点向区块链其他参与节点进行三次全局广播，交易节点接收其他参与节点的结果反馈，当反馈内容达到三分之一相同时共识达成，共识表决过程中，其他参与节点可随时加入或退出；

后端系统，作为区块链的链下节点，通过区块链接口调度模块与区块链系统连接，连接有数据库系统，将区块链链上交易节点的交易信息和其他参与节点的数据信息存储在数据库系统中，通过通信模块分别与电表系统和用户终端连接；

用户终端，进行用户注册、登录以及报价请求，包括售电用户终端和购电用户终端；

电表系统，通过数据采集模块采集实际供电信息和发电信息，并对每个交易周期的电量进行汇总计算。

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