CN114928449B - 支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，包括：基于联盟链全体共识节点，选取主代表与若干从代表参与能源系统优化；根据选取的主代表，对能源系统优化模型进行求解，并将最优解传输至从代表；从代表采用交叉通信机制对最优解进行验证，并向全体区块链成员广播转发验证通过的最优解，全体区块链成员检查从共识节点处接收到的解，并选取共识节点发送量大于50％的解执行。与现有技术相比，本发明具有保证区块链的高容错性，降低主代表计算复杂度，提高主代表计算资源利用率与计算效率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，尤其是涉及一种支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法。
背景技术
随着电力系统与冷、热、气、交通、水、碳等系统的耦合程度逐渐加深，电力系统优化的边界逐渐扩大。区块链去中心化、公开透明的特性可以解决能源系统优化时中心化机构缺失、市场主体间难以互信的难题。共识算法决定了共识节点的行为模式，影响着区块链的运行方式。现有共识算法下，区块链只被用于进行简单的逻辑运算或作为数据传输与存储的介质。然而能源系统的优化调度是包含大量物理约束的复杂优化问题，现有共识算法下求解复杂优化问题时需要将优化问题写入智能合约，由大量共识节点调用智能合约求解优化问题。这种方式存在严重问题：共识节点通常要求解复杂数学难题，在能源系统优化场景下同时肩负求解并验证大规模优化问题的计算任务，冗余的计算导致大量计算资源被浪费，区块链的运行时间显著增加。
现有集中式优化或分解协调优化方法应用于能源系统优化场景时，由于优化相关参数由中心化机构掌握，调度结果的最优性无法被其他市场主体检验，导致无法监督中心化机构的潜在作恶行为，解决市场主体间的信任问题。而传统区块链作协调级或基于区块链的优化方法中，由于各节点需要同时求解优化问题与复杂数学难题，导致区块链运行能耗高，吞吐量低，难以实际应用于能源系统优化场景。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，该方法能够在保证区块链高容错性的前提下降低区块链共识节点的计算复杂度，节约计算资源，降低区块链运行能耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，该方法包括：
基于联盟链全体共识节点，选取主代表与若干从代表参与能源系统优化；
根据选取的主代表，对能源系统优化模型进行求解，并将最优解传输至从代表；
从代表采用交叉通信机制对最优解进行验证，并向全体区块链成员广播转发验证通过的最优解，全体区块链成员检查从共识节点处接收到的解，并选取共识节点发送量大于50％的解执行。
进一步地，根据工作量证明、权益证明或随机投票的方式，从参与能源系统优化的全体节点中选取1个主代表与若干从代表参与能源系统优化。具体步骤包括：
基于主代表与从代表选取函数，根据工作量证明、权益证明或随机投票的方式，从参与能源系统优化的全体节点中选取1个主代表与若干从代表参与能源系统优化，选取的主代表用以求解能源系统优化模型，并将最优解发送给其余从代表供其检验，选取的从代表用以检验其他代表转发的解的最优性并转发最优解；
在每轮共识结束后，利用黑名单管理函数对诚信记录黑名单进行更新，将作恶节点记录到黑名单内；在主代表与从代表选取函数选举产生代表后，调用黑名单管理函数，查询代表是否在黑名单内，若代表在黑名单内，则终止其代表权并调用主代表与从代表选取函数选取新代表进行替代，重复上述过程直至所有代表均不在黑名单内，完成选取主代表与若干从代表工作。
进一步地，根据选取的主代表，对能源系统优化模型进行求解的具体内容为：
主代表调用能源系统优化模型求解函数求解数学优化模型，能源系统优化模型求解函数基于如下形式的数学问题求解能源系统优化：
式中，N为跨能源系统数量；Xi为决策变量，具体为各能源系统的可调节变量，n为决策变量的个数；fj(Xi)为能源系统目标函数；g(Xi)为能源系统优化等式约束；h(Xi)为能源系统优化不等式约束；能源系统优化模型求解函数通过调用专业非线性求解器对上述非凸优化模型进行求解。优选地，各能源系统的可调节变量包括但不限于各能源系统的节点电力潮流、节点电压、节点气压或节点水温；所述能源系统目标函数为各能源系统的用能成本。所述能源系统优化等式约束包括但不限于各种能源系统中的基尔霍夫方程和能量平衡方程；所述能源系统优化不等式约束包括但不限于网络上下限约束和参数上下限约束。所述专业非线性求解器包括但不限于IPOPT、Baron或CONOPT。
进一步地，采用最优解传输函数将能源系统优化模型求解函数计算得到的优化结果传输至其他从代表，最优解传输函数首先将包含决策变量Xi与各约束对应的拉格朗日乘子的优化结果打包，随后在文件后附上表明优化结果来源的签名，最后将带有签名的文件转发至所有从代表以供其验证解的最优性。
进一步地，从代表采用交叉通信机制对最优解进行验证的具体内容为：
基于最优性验证函数，从代表对包含决策变量Xi与各约束对应的拉格朗日乘子的优化结果验证其是否满足KKT条件和二阶充分性条件；若满足，且从代表从未接收过对应的最优解，则调用交叉通信函数，将自己的签名附在最优解后传播至从未给文件签名的共识节点；若不满足，则不转发解至其他共识节点。
进一步地，向全体区块链成员广播转发验证通过的最优解的具体内容为：
基于最优解广播函数，根据共识节点接收的解的数量、签名情况进行对应的广播操作；当交叉通信环节结束后，能源系统优化进入广播最优解的阶段；
在广播最优解的阶段，各代表调用最优解广播函数判断是否广播最优解；当共识节点从未接收过最优解时，判断主代表未传播过最优解，最优解广播函数申请更换主代表并发起新一轮共识；当共识节点接收过一个最优解时，判断不存在作恶行为，最优解广播函数向全体区块链成员广播最优解；当共识节点接收过一个最优解与不少于一个错误解时，判断存在恶意节点，最优解广播函数向全体区块链成员广播最优解，并申请调用黑名单管理函数更新黑名单，将错误解带有的签名对应的共识节点拉黑；当共识节点接收过不少于两个最优解时，判断原问题存在多解，则最优解广播函数在最优解中选取一个最优解并向全体区块链成员广播。
本发明提供的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明方法将传统共识算法中求解无意义、高耗能的数学难题过程替换为优化模型求解过程，降低主代表计算复杂度，提高了主代表计算资源利用率与计算效率，适用于能源系统优化场景；
2)基于优化问题的求解复杂、验证简单的数学特性，利用最优性条件判断解的最优性，降低了从代表验证主代表发送的解的最优性的计算复杂度，提高了共识从代表计算效率；
3)通过设计验证阶段共识节点间低冗余交叉通信机制，抑制了恶意市场主体通过拒发、错发或发送不一致信息的方式破坏优化，保证了区块链的高容错性。
附图说明
图1为实施例中支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法的总体流程示意图；
图2为实施例中选主模块的流程示意图；
图3为实施例中验证阶段共识节点交叉通信流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
为进一步清楚地说明本发明技术方案，首先对本领域相关技术术语进行解释：
共识算法：确保区块链内去中心、无权威、彼此平等的各节点对区块链的事件/决策达成共识的算法。常见的共识算法有很多，例如PoW(Proof of Work，工作量证明)、PoS(Proof of Stake，权益证明)、DPoS(Delegate Proof of Stake，委托权益证明)、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法)等。
联盟链：联盟链是一种由若干个中心一起合作维护、介于公有链和私有链之间的区块链形式。联盟链内部指定多个预选节点为记账人，每个块的生成由所有预选节点共同决定。
本发明涉及一种支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，该方法适用于能源系统优化场景，如图1所示，该方法的总体流程为：采用“选主-造块-验证”的结构，适用于联盟链架构。其中，在选主环节设计了“主代表求解优化问题，从代表验证最优性条件”协同运作机制，以保证优化问题求解过程的有序性与高效性。在造块环节将传统共识算法中求解无意义、高耗能的数学难题过程替换为优化模型求解过程，降低主代表计算复杂度，以提高主代表计算资源利用率与计算效率。在验证环节设计了优化问题最优解的快速验证方法，基于优化问题的“求解复杂、验证简单”的数学特性，利用最优性条件判断解的最优性，以降低从代表验证主代表发送的解的最优性的计算复杂度，提高共识从代表计算效率。此外，还设计了验证阶段共识节点间低冗余交叉通信机制，用于抑制恶意市场主体通过拒发、错发或发送不一致信息的方式破坏优化，保证区块链的高容错性。
进一步地，上述方法基于“选主-造块-验证”的共识机制设计以下三个模块：
(1)选主模块S1：对应选主环节。联盟链全体共识节点选取1个主代表与若干从代表参与能源系统优化，设计“主代表求解优化问题，从代表验证优化问题”的协同运行机制与代表轮换机制，保证优化问题的有序高效求解。
(2)造块模块S2：对应造块环节。模块S1选出的主代表将传统共识算法中求解无意义、高耗能的数学难题过程替换为能源系统优化模型求解过程，降低共识算法在造块环节的计算量与共识时间。
(3)验证模块S3：对应验证环节。对于模块S2传输的解，模块S1选出的从代表基于最优性条件快速验证其最优性，降低共识算法在验证环节的计算量与共识时间。此外，通过设计验证阶段共识节点间低冗余交叉通信机制，抑制恶意市场主体破坏优化以最大化自身利益的行为。
上述选主模块S1包括以下2个函数：
函数S1.1：主代表与从代表选取函数；
函数S1.2：黑名单管理函数。
选主模块S1的详细流程如图2所示，结合函数S1.1、函数S1.2，该模块的实施步骤如下：
函数S1.1根据工作量证明、权益证明或随机投票的方式，从参与能源系统优化的全体节点中选取1个主代表与若干从代表参与能源系统优化，可避免由于参与优化的主体规模过大导致的通信成本提升、通信效率与节点规模可扩展性降低等问题。选出的主代表负责求解能源系统优化模型，并将最优解发送给其余从代表供其检验。选出的从代表负责检验其他代表转发的解的最优性并转发最优解。
函数S1.2负责记录作恶节点。在每轮共识结束后，黑名单管理函数会对诚信记录黑名单进行更新，将作恶节点记录到黑名单内。在函数S1.1选举产生代表后，会调用S1.2函数查询所有代表的诚信记录。查询代表是否在黑名单内，如果代表在黑名单内，终止其代表权并调用S1.1函数选取新代表进行替代。重复上述过程直至所有代表都不在黑名单内，完成S1模块的选主任务。
上述造块模块S2包括以下2个函数：
函数S2.1：能源系统优化模型求解函数；
函数S2.2：最优解传输函数。
结合函数S2.1、函数S2.2，造块模块S2的实施步骤如下：
函数S2.1负责求解能源系统优化模型。不同于传统共识算法通过求解复杂数学难题保证系统高容错性，本发明中，主代表只需调用函数S2.1求解复杂的数学优化模型。函数S2.1基于如下形式的数学问题求解能源系统优化：
式中，N为跨能源系统数量；Xi为决策变量，通常为各能源系统的潮流、节点电压、气压或水温等可调节变量；n为决策变量的个数，fj(Xi)为能源系统目标函数，通常为各能源系统的用能成本；g(Xi)为能源系统优化等式约束，包括各种能源系统中的基尔霍夫方程、能量平衡方程等；h(Xi)为能源系统优化不等式约束，包括网络上下限约束、参数上下限约束等。在能源系统优化模型中，上述模型通常为非凸优化模型，相较于凸优化模型求解复杂，函数S2.1通过调用专业非线性求解器(例如IPOPT，Baron，CONOPT等)，耗费主代表较多计算资源进行求解。
函数S2.2负责将函数S2.1计算得到的优化结果传输给其他从代表。函数S2.2首先将包含决策变量Xi与各约束对应的拉格朗日乘子的优化结果打包，随后在文件后附上自己的签名以表明优化结果的来源，最后将其转发给所有从代表以供其验证解的最优性。
上述验证模块S3包括以下4个函数：
函数S3.1：最优性验证函数；
函数S3.2：交叉通信函数；
函数S3.3：最优解广播函数；
函数S3.4：最优解执行函数。
函数3.1负责验证解的最优性，下面论述其验证原理。上述优化问题的拉格朗日函数为其中：L为优化问题的拉格朗日函数，λ与μ为优化模型各类约束的拉格朗日乘子。当优化模型为凸优化时，最优解的充分必要条件为KKT条件(Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件是非线性规划(nonlinear programming)最佳解的必要条件)：
当优化模型为非凸优化时，最优解在满足KKT条件的基础上还需要满足二阶充分性条件：
式中，d为辅助向量。从上述最优性条件可以看出，检验解的最优性的计算均为简单加减乘除逻辑运算，远小于求解优化模型的计算量，具有“求解复杂，验证简单”的数学特性。基于上述数学原理，从代表在接收到S2.2函数传输的决策变量与拉格朗日乘子的数值后，调用函数S3.1对解的最优性进行快速验证。
函数S3.2为交叉通信函数。在验证环节，从代表调用函数S3.1对接收到的解的最优性进行验证后，如果解满足最优性条件，且从代表从未接收过该解，则需要调用函数S3.2，将自己的签名附在最优解之后并传播给从未给该文件签名的共识节点；如果解不满足最优性条件，则不会转发解给其他共识节点。需要指出，在验证环节，虽然从代表接收的解既有可能来源于主代表，也有可能来源于其他从代表，但交叉通信行为与解的来源无关。通过S3.2函数，可以保证只要有不少于一个诚实代表接收到最优解，其余未接收过该解的代表都将接收到转发的最优解，保证了各节点间消息的同步性与一致性，使区块链能抵御作恶成员少于49％情况下的作恶行为。验证阶段共识节点交叉通信过程如图3所示。
函数S3.3为最优解广播函数，根据共识节点接收的解的数量、签名情况进行对应的广播操作。当交叉通信环节结束后，能源系统优化进入了广播最优解的阶段。在该阶段，各代表需要调用函数S3.3判断是否广播最优解。当共识节点从未接收过最优解时，说明主代表未传播过最优解，函数S3.3会申请更换主代表并发起新一轮共识；当共识节点接收过1个最优解时，说明不存在作恶行为，函数S3.3会向全体区块链成员广播最优解；当共识节点接收过1个最优解与不少于1个错误解时，说明存在恶意节点，S3.3会向全体区块链成员广播最优解，并申请调用S1.2函数更新黑名单，将错误解带有的签名对应的共识节点拉黑；当共识节点接收过不少于2个最优解时，说明原问题存在多解，则S3.3会在最优解中选取一个最优解并向全体区块链成员广播。
函数S3.4为最优解执行函数，规定了全体区块链成员如何执行调度指令。当能源系统优化进入执行阶段后，全体区块链成员将检查从共识节点处接收到的解，并选取共识节点发送量大于50％的解执行。
上述流程中，在函数S1.1选取主代表与从代表的基础上，增加了函数S1.2黑名单管理函数，及时将作恶节点剔除。并在函数S3.1最优性验证函数的基础上增加了函数S3.2交叉通信函数，目的是通过交叉通信机制保证各共识节点间消息的同步性与一致性，防止恶意节点通过拒发、错发或发送不一致信息的方式阻碍优化。此外，在函数S3.3最优解广播函数的基础上增加了函数S3.4最优解执行函数，能够防止出现多个解的情况下区块链各节点无法确定执行哪个解。
对于凸优化问题，满足Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件是凸优化问题最优解的充分必要条件；对于非凸优化问题，满足二阶充分条件是非凸优化最优解的充分条件。本发明基于上述优化问题最优性条件设计了区块链共识算法，对于给定的优化问题的一组解，不需要直接求解复杂优化问题，只需验证其是否满足最优性条件即可判断其是否为最优解，极大降低了验证最优解的计算难度。本发明设计了共识节点间交叉通信机制。主代表向从代表传输附有自己签名的最优解与验证最优性所需对偶数据。从代表接收主代表或其他从代表发送的数据，当从代表接收并验证最优解，而接收时刻前未接收过该数据时，将向其他代表广播该最优解，并在该数据后附上自己的签名。在共识算法结束前，如果从代表未接收过最优解则申请更换恶意主代表，否则进入下轮共识环节。交叉通信共识机制保证了即使恶意代表通过拒发消息、发送错误或不一致消息破坏能源系统优化，只要有不少于一个诚实代表接收过最优解时，所有代表都将接收到诚实代表转发的最优解，且根据签名察觉主代表的作恶行为并将其拉黑，使共识算法能抵御恶意代表数低于50％的作恶场景。
综上，本发明方法将传统共识算法中求解无意义、高耗能的数学难题过程替换为优化模型求解过程，降低主代表计算复杂度，提高了主代表计算资源利用率与计算效率。此外，基于优化问题的“求解复杂、验证简单”的数学特性，利用最优性条件判断解的最优性，降低了从代表验证主代表发送的解的最优性的计算复杂度，提高了共识从代表计算效率。再者，通过设计验证阶段共识节点间低冗余交叉通信机制，抑制了恶意市场主体通过拒发、错发或发送不一致信息的方式破坏优化，保证了区块链的高容错性。整体来看实现了在保证区块链高容错性的前提下降低了区块链共识节点的计算复杂度，节约了计算资源，降低了区块链运行能耗的有益效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，包括：
基于联盟链全体共识节点，选取主代表与若干从代表参与能源系统优化；
根据选取的主代表，对能源系统优化模型进行求解，并将最优解传输至从代表；
从代表采用交叉通信机制对最优解进行验证，并向全体区块链成员广播转发验证通过的最优解，全体区块链成员检查从共识节点处接收到的解，并选取共识节点发送量大于50％的解执行；
根据工作量证明、权益证明或随机投票的方式，从参与能源系统优化的全体节点中选取1个主代表与若干从代表参与能源系统优化；
根据工作量证明、权益证明或随机投票的方式，从参与能源系统优化的全体节点中选取一个主代表与若干从代表参与能源系统优化的具体步骤包括：
基于主代表与从代表选取函数，根据工作量证明、权益证明或随机投票的方式，从参与能源系统优化的全体节点中选取一个主代表与若干从代表参与能源系统优化，选取的主代表用以求解能源系统优化模型，并将最优解发送给其余从代表供其检验，选取的从代表用以检验其他代表转发的解的最优性并转发最优解；
在每轮共识结束后，利用黑名单管理函数对诚信记录黑名单进行更新，将作恶节点记录到黑名单内；在主代表与从代表选取函数选举产生代表后，调用黑名单管理函数，查询代表是否在黑名单内，若代表在黑名单内，则终止其代表权并调用主代表与从代表选取函数选取新代表进行替代，重复查询过程直至所有代表均不在黑名单内，完成选取主代表与若干从代表工作；
根据选取的主代表，对能源系统优化模型进行求解的具体内容为：
主代表调用能源系统优化模型求解函数求解数学优化模型，能源系统优化模型求解函数基于如下形式的数学问题求解能源系统优化：
s.t.g(Xi)＝0，i∈[0，n]，
h(Xi)≤0,i∈[0,n]
式中，N为跨能源系统数量；Xi为决策变量，具体为各能源系统的可调节变量，n为决策变量的个数；fj(Xi)为能源系统目标函数；g(Xi)为能源系统优化等式约束；h(Xi)为能源系统优化不等式约束；能源系统优化模型求解函数通过调用专业非线性求解器对非凸优化的能源系统优化模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，采用最优解传输函数将能源系统优化模型求解函数计算得到的优化结果传输至其他从代表，最优解传输函数首先将包含决策变量Xi与各约束对应的拉格朗日乘子的优化结果打包，随后在文件后附上表明优化结果来源的签名，最后将带有签名的文件转发至所有从代表以供其验证解的最优性。
3.根据权利要求2所述的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，从代表采用交叉通信机制对最优解进行验证的具体内容为：
基于最优性验证函数，从代表对包含决策变量Xi与各约束对应的拉格朗日乘子的优化结果验证其是否满足KKT条件和二阶充分性条件；若满足，且从代表从未接收过对应的最优解，则调用交叉通信函数，将自己的签名附在最优解后传播至从未给文件签名的共识节点；若不满足，则不转发解至其他共识节点。
4.根据权利要求3所述的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，向全体区块链成员广播转发验证通过的最优解的具体内容为：
基于最优解广播函数，根据共识节点接收的解的数量、签名情况进行对应的广播操作；当交叉通信环节结束后，能源系统优化进入广播最优解的阶段；
在广播最优解的阶段，各代表调用最优解广播函数判断是否广播最优解；当共识节点从未接收过最优解时，判断主代表未传播过最优解，最优解广播函数申请更换主代表并发起新一轮共识；当共识节点接收过一个最优解时，判断不存在作恶行为，最优解广播函数向全体区块链成员广播最优解；当共识节点接收过一个最优解与不少于一个错误解时，判断存在恶意节点，最优解广播函数向全体区块链成员广播最优解，并申请调用黑名单管理函数更新黑名单，将错误解带有的签名对应的共识节点拉黑；当共识节点接收过不少于两个最优解时，判断原问题存在多解，则最优解广播函数在最优解中选取一个最优解并向全体区块链成员广播。
5.根据权利要求1所述的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，各能源系统的可调节变量包括但不限于各能源系统的节点电力潮流、节点电压、节点气压或节点水温；所述能源系统目标函数为各能源系统的用能成本。
6.根据权利要求1所述的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，所述能源系统优化等式约束包括但不限于各种能源系统中的基尔霍夫方程和能量平衡方程；所述能源系统优化不等式约束包括但不限于网络上下限约束和参数上下限约束。
7.根据权利要求1所述的支撑能源系统优化问题求解与验证的区块链共识方法，其特征在于，所述专业非线性求解器包括但不限于IPOPT、Baron或CONOPT。
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