CN115841382A - 一种虚拟电厂交易区块链及其信用评价方法及其共识机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟电厂交易区块链，包括主链与侧链，所述主链部署在资源聚合层，所有聚合商和市场主体都可申请成为主链节点，从而参与能源及服务交易；所述侧链部署于分布式资源层，包含小规模的分布式电源、居民用户等利益主体；所述资源聚合层用以协调聚合商、大容量电源、大规模储能等市场主体与电力市场；所述分布式资源层用以协调小规模的分布式电源、居民用户等市场主体与聚合商。及其信用评价方法及其共识机制。可在大规模节点接入的情况下，快速、安全、高效的完成对电力交易和数据的共识，便于各大小市场主体的安全准入与退出，提高了区块链系统的弹性。

Description

一种虚拟电厂交易区块链及其信用评价方法及其共识机制

技术领域

本发明主要涉及区块链领域，尤其涉及一种一种虚拟电厂交易区块链及其信用评价方法及其共识机制。

背景技术

现有配电侧用户用能模式丰富，分布式电源投资主体多样。然相关利益主体复杂，各主体之间以及电网与个主体之间的交互成本昂贵，利益分配机制对所有市场参与者并不公开透明，增加了交易过程中的信用成本。亟需利用虚拟电厂(Virtual Power Plant,VPP)管理模式突破灵活性资源分层互动模式，构建可信的市场交易环境。区块链技术的公开透明、不可篡改的特点使其在虚拟电厂可信交易方面具有优势。

共识机制是在分布式系统中达成一致的过程，是区块链系统的关键技术之一，在区块链系统中，共识机制主要解决谁来产生区块和谁来验证区块的问题。在电力交易方面，某些技术方案提出一种委托权威证明(DPoA)共识机制对区块链节点进行信用评价与激励，通过构造履约信用函数和验证奖励函数对链上节点的交易履约与交易验证情况进行量化评价；另有一种技术方案提出一种基于信用评分的电力交易区块链改进RAFT共识机制，利用信用评分的方式替代节点投票避免选举纠纷，通过设置审核节点提高RAFT对恶意节点的适应能力，并通过实例模拟验证了所提机制的有效性和快速性；另有一种技术方案提出一种适用于能源区块链的动态信用度的DPBFT算法，该方法提升了交易处理速度，适合于能源领域的区块链应用。一种技术方案提出提出一种基于信誉值投票与随机数选举的RN-VPBFT共识算法,具有更低的通信复杂度及更好的去中心化特性。另有一种技术方案提出了一种基于实用拜占庭容错(PBFT)算法的多能源交互主体共识方法,分别针对能源监管主体下和能源对等主体下的能源区块链网络,使多能源主体在不诚实和互不信任的情况下,均可达成有效共识。另有一种技术方案提出提出了一种基于权重的区块链共识优化算法，以实现虚拟电站中快速高效的能源交易。

然而，虽然区块链能一定程度抵御恶意攻击，但恶意节点仍可以通过干扰区块共识的方式发动攻击，实现降低共识效率、窃取隐私信息等目的。由于电力交易数据共识需要具有隐私性、高效性等要求，因此需要及时发现恶意节点，尽早降低恶意节点对共识的影响。但目前主流共识算法较少考虑恶意节点的攻击。考虑到业务模式的升级和用户数量的快速增长，电力数据的区块共识需要较高的交易吞吐量和较低的交易时延，需要设计适合未来大规模电力交易的共识机制。但目前主流共识算法的共识效率较低，无法应对海量电力数据的交易。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种虚拟电厂交易区块链及其信用评价方法及其共识机制，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括：

(1)设计虚拟电厂区块链可信交易架构，提出虚拟电厂扁平化交易体系与相应的区块链系统部署方式。

(2)划分虚拟电厂区块链交易系统中的节点类型，从交易评价、工作可靠性与记账能力方面设计了市场主体信用评价体系。

(3)提出适应虚拟电厂交易的分布式共识机制VPP-PBFT。基于信用值完成包括选主在内的区块链系统节点状态变更，增加监督节点监督系统的共识过程，并基于此简化传统PBFT共识算法原有的一致性协议。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于信用值的虚拟电厂交易区块链，包括：主链与侧链，所述主链部署在资源聚合层，所有聚合商和市场主体都可申请成为主链节点，从而参与能源及服务交易；所述侧链部署于分布式资源层，包含小规模的分布式电源、居民用户等利益主体；所述资源聚合层用以协调聚合商、大容量电源、大规模储能等市场主体与电力市场；所述分布式资源层用以协调小规模的分布式电源、居民用户等市场主体与聚合商。

进一步地，所述聚合商和市场主体为虚拟电厂交易区块链系统中的节点，并根据信用值划分为节点。

进一步地，所述节点包括：

次节点，次节点只负责产生电力交易的数据，不参与区块链系统的共识过程，只有存储正式区块的权限；同时，次节点可以对共识结果进行监督，对错误记录的节点和数据提出质疑；

共识节点，共识节点是指区块链系统根据所有节点的信用值排序结果，选取的排名靠前的N1个节点；在共识全过程中，共识节点负责对接收到的详细交易信息进行投票验证，生成投票结果，并反馈到主节点；

主节点，主节点是指区块链系统在共识节点集合中根据节点的信用值排序结果，在最靠前的N2个共识节点中随机选出的单个节点，用于分发请求、将有效的电力交易信息统计结果写入新区块、收集预备块的验证投票结果与新主块的存储结果；

监督节点，监督节点用于监控系统的共识过程，核算更新各节点的信用值，并赋予查验各节点信息的权利；在虚拟电厂交易区块链系统中，监督节点设置于电网公司节点或政府监管部门节点。

一种根据前述的基于信用值的虚拟电厂交易区块链的信用评价方法，所述方法为，将交易信用值R_E,i、共识信用值R_c,i、记账信用值R_w,i，由熵权法分析个指标的重要程度，形成节点的综合信用值。

所述由熵权法分析个指标的重要程度，形成节点的综合信用值具体为：由熵权法分析个指标的重要程度，确定R_E,i、R_c,i、R_w,i的权重因子，形成节点的综合信用值：

R_i＝a*R_E,i+b*R_c,i+c*R_w,i#(1)

式中a、b、c为熵权法确定的权重系数。

所述R_E,i、R_c,i、R_w,i范围为(0,100)，若低于20，将终止该节点在主链上的一切操作，包括参与共识、交易等；新节点i加入主链后，根据节点处理器配置、通信延迟等情况在[40,60]范围内预设初始值R_i(0)。

所述交易信用值R_E,i以如下方式评估：

其中，a_i,t为主链节点i在第k轮共识前的履约程度评估系数，b_i,k为主链节点i在第k 轮共识过程时的欠款情况评估系数。

所述共识信用值R_c,i以如下方式评估：

若第k轮共识成功，则参与共识的节点信用更新：

其中，

为第k轮共识参与节点i的信用奖励值；/>

为共识成功信用奖励系数。

所述记账信用值R_w,i以如下方式评估：

h_i,k为第i个主链记账节点在第k轮共识前的记账能力系数。

其中t_i,k为第i个主链记账节点在第k轮共识后的出块时间，

为区块系统平均出块时间。若 t_i,k少于区块链系统平均出块时间，则记账能力系数取最大值1；反之，若t_i,k多于区块链系统平均出块时间，则按式计算记账能力评估系数，若t_i,k大于区块链系统平均出块时间的2倍，则取记账能力系数为最小值0。

一种基于前述信用评价方法的共识机制，所述共识机制流程为：

1)某节点产生电力交易或数据记录请求时，将请求放入缓存交易池中，等候主节点开展记录；

2)上一轮共识结束后，监督节点根据各节点在共识中的行为计算各节点信用值，变更节点状态，并广播全网；

3)主节点从缓存交易池中获取交易数据并打包，将打包好的预备块广播给各共识节点进行合法性投票验证；

4)各共识节点接收主节点广播的预备块，检验预备块的数字签名、区块高度、哈希值、时间戳等信息，检验完成后将结果反馈给主节点；

5)主节点对收到的投票确认信息进行判断，确认后将生成包含交易哈希值的正式区块，将正式区块广播给监督节点进行信息验证；

6)监督节点对正式区块合法性进行验证，并将验证结果反馈给主节点，主节点收到监督节点的确认后将区块更新上链并广播给系统所有节点，同时清除缓存交易池中的该条交易；

7)监督节点根据各节点在共识中的行为计算各节点信用值，变更节点状态并广播全网，随后开启下一轮共识。

与现有技术方案相比，本发明的技术效果在于：针对虚拟电厂区块链交易的架构和交易特点，基于联盟链技术提出一种适用于虚拟电厂交易的VPP-PBFT共识机制，可在大规模节点接入的情况下，快速、安全、高效的完成对电力交易和数据的共识。基于监督节点的主侧链联盟链治理结构便于各大小市场主体的安全准入与退出，提高了区块链系统的弹性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一个实施例的虚拟电厂扁平化交易体系与区块链系统部署架构图；

图2是本发明一个实施例的节点状态划分示意图；

图3是本发明一个算例的部分节点信用值变化情况图；

图4是本发明一个算例的各节点担任共识节点次数图；

图5是本发明一个算例的各节点担任主节点次数图；

图6是本发明一个算例的各共识算法通信开销对比图；

图7是本发明一个实施例的共识机制流程图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

一种基于信用值的虚拟电厂交易区块链，包括：主链与侧链，所述主链部署在资源聚合层，所有聚合商和市场主体都可申请成为主链节点，从而参与能源及服务交易；所述侧链部署于分布式资源层，包含小规模的分布式电源、居民用户等利益主体；所述资源聚合层用以协调聚合商、大容量电源、大规模储能等市场主体与电力市场；所述分布式资源层用以协调小规模的分布式电源、居民用户等市场主体与聚合商。

虚拟电厂扁平化交易体系与区块链系统部署架构如图1所示。虚拟电厂内部聚合协调海量分布式资源，包括风电、光伏、智能楼宇、电动汽车、储能和电力用户等多类市场主体，由各聚合商分别运营。按照主体容量大小和市场代理形式，将虚拟电厂内部自上而下划分为资源聚合层与分布式资源层。其中资源聚合层用以协调聚合商、大容量电源、大规模储能等市场主体与电力市场；分布式资源层用以协调小规模的分布式电源、居民用户等市场主体与聚合商。资源聚合层中聚合商包括负荷聚合商、电动汽车聚合商、综合能源服务商等，通常包括一类或多类分布式资源。虚拟电厂运营商将虚拟电厂外部电网调度需求与外部电力市场交易信息输出为购售电特性，在实时市场起到模拟外部交易环境，为聚合商提供交易平台的功能，作为内部聚合商和外部市场交易的媒介，实现了虚拟电厂扁平化交易。

在基于多代理系统的虚拟电厂扁平化交易体系中，为了适应多层级的虚拟电厂市场机制，构建主侧联盟链形式的区块链。主链部署在资源聚合层，所有聚合商和市场主体都可申请成为主链节点，从而参与能源及服务交易。侧链部署于分布式资源层，包含小规模的分布式电源、居民用户等利益主体。

所述聚合商和市场主体为虚拟电厂交易区块链系统中的节点，并根据信用值划分为节点。

如图2所示，所述节点包括：

次节点，次节点只负责产生电力交易的数据，不参与区块链系统的共识过程，只有存储正式区块的权限；同时，次节点可以对共识结果进行监督，对错误记录的节点和数据提出质疑；

共识节点，共识节点是指区块链系统根据所有节点的信用值排序结果，选取的排名靠前的N1个节点；在共识全过程中，共识节点负责对接收到的详细交易信息进行投票验证，生成投票结果，并反馈到主节点；

主节点，主节点是指区块链系统在共识节点集合中根据节点的信用值排序结果，在最靠前的N2个共识节点中随机选出的单个节点，用于分发请求、将有效的电力交易信息统计结果写入新区块、收集预备块的验证投票结果与新主块的存储结果；

监督节点，监督节点用于监控系统的共识过程，核算更新各节点的信用值，并赋予查验各节点信息的权利；在虚拟电厂交易区块链系统中，监督节点设置于电网公司节点或政府监管部门节点。

一种根据前述的基于信用值的虚拟电厂交易区块链的信用评价方法，所述方法为，将交易信用值R_E,i、共识信用值R_c,i、记账信用值R_w,i，由熵权法分析个指标的重要程度，形成节点的综合信用值。

所述由熵权法分析个指标的重要程度，形成节点的综合信用值具体为：由熵权法分析个指标的重要程度，确定R_E,i、R_c,i、R_w,i的权重因子，形成节点的综合信用值：

R_i＝a*R_E,i+b*R_c,i+c*R_w,i#(1)

式中a、b、c为熵权法确定的权重系数。

所述R_E,i、R_c,i、R_w,i范围为(0,100)，若低于20，将终止该节点在主链上的一切操作，包括参与共识、交易等；新节点i加入主链后，根据节点处理器配置、通信延迟等情况在[40,60]范围内预设初始值R_i(0)。

所述交易信用值R_E,i以如下方式评估：

其中，a_i,t为主链节点i在第k轮共识前的履约程度评估系数，b_i,k为主链节点i在第k 轮共识过程时的欠款情况评估系数。

a.履约程度：

作为发电侧节点，在规定时间内未按照智能合约中所规定的电量完成发电，导致用电侧节点需要从电网购买电量，以填补发电侧节点违约电量的空缺，从而导致用电侧节点产生损失。作为用电侧节点，在规定的时间内，未按照智能合约规定的用电量购入电量，导致发电侧节点需要将剩余电量出售给电网或其他电力节点，从而导致发电侧节点产生损失。

a_i,k由成功竞标量和实际交易量之间的相对大小决定：

2％为交易总量达标门槛，成功竞标量和实际交易量的相对偏差在2％以内则履约程度评估系数取最大值1。反之，则按实际相对偏差大小计算a_i,k。若实际相对偏差超过10％，则本次交易总量评估不合格，a_i,k取最低值0。

b.欠款情况：

当节点在资金周转不开时会有欠款情况发生，若在协议欠款偿还日期后仍未支付资金，则需对该节点信用值进行调整。依据欠款额的比例和欠款偿还超期天数扣除一定的信用值，欠款比例越多，扣除的信用值越高；欠款偿还超期时间越长，扣除的信用值越高。

b_i,k为主链节点i在第k轮共识前的欠款情况评估系数：

式中，

为主链节点i在第k轮共识前的总欠款额，/>

为主链节点i在第k轮共识前的总合同额，D为欠款偿还超期天数。若主链节点i在第k轮共识前没有欠款情况发生，则本轮欠款情况评估系数取最大值为1；反之，若超期天数在90天以内，则按照实际欠款比例与欠款偿还超期天数计算评估系数b_i,k，若超期天数超过90天，则欠款情况评估系数取最小值0。

第k轮共识结束后，节点i交易信用值R_E,i(t)的更新规则为：

其中，

和/>

分别表示本轮共识过程的交易质量评估系数高于上轮共识过程的交易信用奖励值和相反情况下的惩罚值，其数学表述如下：

所述共识信用值R_c,i以如下方式评估：

若第k轮共识成功，则参与共识的节点信用更新：

其中，

为第k轮共识参与节点i的信用奖励值；/>

为共识成功信用奖励系数。/>

考虑节点因故障或恶意动作而造成的共识失败，按导致失败的原因对相应责任节点进行信用值调整：

a类：若主节点信息记录有误，将按照下式对主节点和发送确认信息的共识节点进行惩罚：

其中，

为第k轮共识参与节点i的信用惩罚值；/>

为a类共识失败信用惩罚系数。

b类：若共识节点未按时反馈，则说明该节点存在恶意动作或通讯故障问题，只对该类共识节点进行惩罚，信用惩罚值表述为：

其中，

为b类共识失败信用惩罚系数。

c类：若主节点和共识节点同时发生故障或恶意动作导致共识失败且无法判定责任节点时，系统重新进行一次共识，综合两次共识结果进行评估，对未按时正确操作的共识节点归类并依据以上两种情况进行惩罚。

另外，次节点可利用被动接收的广播信息参与正式交易发生前的离线核验，并获得一定的共识信用奖励：

其中，

为次节点i的离线审核共识信用奖励系数，离线核验成功时/>

若发现区块记录有误并证实，/>

同时，错误区块被移除，记录该区块的主节点共识信用直接降为最低值20，其余共识节点的共识信用按下式修改(假设当前已进行完第1次共识)：

考虑到主节点在共识过程中发挥的作用大于其他共识节点，故主节点的共识成功信用奖励系数的数值一般要高于其余共识节点。各类节点按照在系统中的作用做如下排序：监督节点>主节点>共识节点>次节点，根据节点的作用大小，设置不同系数如表1所示。

表1各类型节点共识调整系数

所述记账信用值R_w,i以如下方式评估：

h_i,k为第i个主链记账节点在第k轮共识前的记账能力系数。

其中t_i,k为第i个主链记账节点在第k轮共识后的出块时间，

为区块系统平均出块时间。若 t_i,k少于区块链系统平均出块时间，则记账能力系数取最大值1；反之，若t_i,k多于区块链系统平均出块时间，则按式计算记账能力评估系数，若t_i,k大于区块链系统平均出块时间的2倍，则取记账能力系数为最小值0。

第k轮共识结束后，节点i记账信用值R_w,i(k)的更新规则为：

一种基于前述信用评价方法的共识机制，如图7所示，所述共识机制流程为：

1)某节点产生电力交易或数据记录请求时，将请求放入缓存交易池中，等候主节点开展记录；

2)上一轮共识结束后，监督节点根据各节点在共识中的行为计算各节点信用值，变更节点状态，并广播全网；

3)主节点从缓存交易池中获取交易数据并打包，将打包好的预备块广播给各共识节点进行合法性投票验证；

4)各共识节点接收主节点广播的预备块，检验预备块的数字签名、区块高度、哈希值、时间戳等信息，检验完成后将结果反馈给主节点；

5)主节点对收到的投票确认信息进行判断，确认后将生成包含交易哈希值的正式区块，将正式区块广播给监督节点进行信息验证；

6)监督节点对正式区块合法性进行验证，并将验证结果反馈给主节点，主节点收到监督节点的确认后将区块更新上链并广播给系统所有节点，同时清除缓存交易池中的该条交易；

7)监督节点根据各节点在共识中的行为计算各节点信用值，变更节点状态并广播全网，随后开启下一轮共识。

目前在联盟链应用广泛的实用拜占庭容错共识算法虽然不需要消耗大量算力，但由于恶意节点的存在，使得整个共识过程中节点间必须通过两两通信以确保消息的可靠，随着节点数量的增长，其通信开销会呈平方级增长，导致共识效率较低。PBFT算法目前已不能满足部分应用场景的需求，一定程度上限制了联盟链的进一步发展。结合虚拟电厂交易特性，VPP-PBFT在以下两个方面进行改进。

(1)基于信用值的选主策略与节点状态变更

传统PBFT算法中存在视图切换协议，整个分布式系统随时间往前推进,每一个节点都可能成为主节点。在PBFT的描述中,主节点会发生切换是因为之前的主节点出现问题。采用基于信用值的选主策略，主节点总是根据信用值变化的,避免了系统中恶意节点的预测攻击，并可依据信用值及时剔除发生故障的节点，因此视图也总是变化的。主节点依靠基于信用值的协议,在所有信用值达标的共识节点中随时间依次切换。为保证共识节点工作效率、剔除产生错误的共识节点，设计基于动态信用值的节点状态变更方法如下。

1)主节点的变更

第k轮共识结束后，若主节点出现前述共识a类、由于主节点记录错误导致的共识c类错误、或被次节点校核出区块记录信息有误的情况，其信用值在依照上述规则调整的同时，剥夺其主节点的身份状态，在下一轮共识中成为次节点。

2)共识节点的变更

第k轮共识结束后，若某次节点的信用值达到区块链系统节点集合中的前N₁位置，则赋予其共识节点的状态，可参与主节点发起的交易验证投票操作。当主节点发生错误而变更时，共识节点中信用值达到N₂位置的共识节点，获得参与随机抽取主节点的资格，被抽中的单个共识节点成为下一轮共识的主节点。

3)次节点的变更

第k轮共识结束后，若某共识节点的信用值因发生错误而降低到前N₁位置后，则剥夺其共识节点的状态，成为下一轮共识的次节点；主节点发生错误后，同样成为下一轮共识的次节点；新注册上链的节点自动成为次节点。

(2)监督节点与共识机制流程

传统PBFT算法中的一致性协议是共识的核心部分，其目的是保证节点生成的区块在全网达成一致，一致性的确保主要分为这三个阶段：预准备(pre-prepare)、准备(prepare) 和确认(commit)。主节点记录的交易信息和区块信息需要全体节点参与共识验证，系统的性能较低。为加快链上节点共识速度，基于信用值选取少数共识节点参与交易验证过程，同时增设监督节点，主节点生成区块只需与监督节点进行共识验证，降低通讯开销。在 VPP-PBFT共识机制中，监督节点的作用如下：1)负责系统一致性验证，有权查阅所有节点本地日志，监控各节点的通信状态，及时发现通信故障的节点。2)监控系统的共识过程，计算每轮共识结束后各节点的信用值，变更节点状态，并负责新节点的上链验证和信用值分配。3)共识过程中负责主节点生成区块的信息验证，并将结果同步给系统各节点。

算例分析：

为验证本发明提出的VPP-PBFT共识机制的有效性，在实验室环境下对虚拟电厂电力交易场景进行仿真测试。实验室主机配置为Intel(R)Core(TM)i5-1035G1 CPU@1.00GHz，8GB RAM，Windows 10操作系统，使用python3.9编写算法，对VPP-PBFT 机制进行模拟验证。

测试的虚拟电厂区块链系统共包括13个节点，node1到node12为虚拟电厂运营商、聚合商、大容量电源、大规模储能等市场主体节点，node13为监督节点，设置于电网公司处。假设电网公司节点具备符合要求的计算能力，且总能正确记录交易信息，不存在通信延迟等问题。在基于信用值的节点划分协议中，取N₁为6，N₂为3。为验证共识机制中的信用值变化与节点状态变化情况，设置如下场景。

1)各节点初始信用值由Random(40,60)随机模拟赋予；

2)交易特性方面：各节点的履约偏差率由Random(0,15％)随机模拟赋予，并在每轮共识结束后更新；设置node5、node6、node7、node8在本次共识中存在欠款偿还超期情况，欠款比例及超期天数如表2所示，其余节点不存在欠款偿还超期情况。

表2欠款偿还逾期节点说明

3)共识特性方面：各节点分别作为主节点、共识节点时均存在正常工作与出错的概率，各节点正常工作的概率由Random(0.7,1)随机模拟；各节点作为次节点时，可参与对已生成的区块的离线校核，各节点检验出区块记录错误的概率由Random(0,0.1)随机模拟。

4)记账特性方面：各节点作为主节点时的出块时间与平均出块时间的倍数由Random (0.6,2.5)随机模拟。

根据以上场景设置，首先生成100轮场景，生成的场景集中包括各节点交易、共识和记账方面的特性，根据特性数据集运用熵权法训练各信用值的权重指标。确定权重指标后，再模拟100次共识操作，进行算例分析。

算例结果：

(1)节点信用值分析

熵权法运算得到的权重系数为a＝0.43、b＝0.36、c＝0.21。100轮共识结束后，监督节点根据信用值评价机制统计了部分节点信用值变化结果，如图3所示：

各节点担任主节点与共识节点的次数统计图4、图5所示：

由上图可以看出，虚拟电厂区块链交易系统的各个节点根据自身的交易特性、共识特性、记账特性动态的更新信用值，各节点的信用值每轮不断变化，相应的节点的身份也在不断变化。该共识机制有效保障了可信节点参与共识并获得共识与记账的权利，不会出现个别节点一家独大的情况。

该共识机制下，对于能够规范自己交易行为，有能力并积极维护虚拟电厂交易区块链系统的节点，其被赋予的信用值会不断提高，从而具备了参与共识或者记账的资格，保证了虚拟电厂交易区块链系统的安全可靠；对于履约行为差，债务情况不佳，自身通信能力计算能力差的节点，其被赋予的信用值会不断减少，(如node6节点，因其在共识模拟中存在欠款逾期100天的行为，其交易信用值受到影响，被赋予共识节点权利的次数最少)；对于企图发起恶意攻击的节点，其行为会被快速识别并剔除，保证了共识节点工作效率，从而保障了电力交易数据的安全可靠。

(2)通信消息量分析

根据前述，VPP-PBFT共识机制的通信包括了监督节点划分节点状态、主节点发布预备块、共识节点投票、主节点与监督节点校验、新区块广播全网、监督节点更新信用值广播全网6个部分。VPP-PBFT的通信消息量为T＝N+N₁+N₁+1+1+N+N＝3N+2N₁+2，传统 PBFT算法的通信消息量为T＝1+N+N²+N²+N＝2N²+2N+1，VPP-PBFT与PBFT 相比通信消息量由O(N²)降至O(N)，与文献中提到的共识机制作对比，RN-VPBFT算法通信消息量为T＝4N₁+6N，CPBFT算法考虑在共识阶段之前的通信次数，总的通信次数为T＝2N²–3，同样为O(N²)的消息量。各共识算法随节点数增加，其通信开销的变化对比如图6所示：

由图6可以看出，本文提出的VPP-PBFT共识机制在保证电力数据安全、适应虚拟电厂交易特性的基础上，降低了通信开销，提高了共识效率，在大规模节点接入的情况下，仍能保持较少的通信消息量，可适应未来虚拟电厂交易的场景。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于信用值的虚拟电厂交易区块链，其特征在于，包括：主链与侧链，所述主链部署在资源聚合层，所有聚合商和市场主体都可申请成为主链节点，从而参与能源及服务交易；所述侧链部署于分布式资源层，包含小规模的分布式电源、居民用户等利益主体；所述资源聚合层用以协调聚合商、大容量电源、大规模储能等市场主体与电力市场；所述分布式资源层用以协调小规模的分布式电源、居民用户等市场主体与聚合商。

2.根据权利要求1所述的基于信用值的虚拟电厂交易区块链，其特征在于，所述聚合商和市场主体为虚拟电厂交易区块链系统中的节点，并根据信用值划分为节点。

3.根据权利要求2所述的基于信用值的虚拟电厂交易区块链，其特征在于，所述节点包括：

次节点，次节点只负责产生电力交易的数据，不参与区块链系统的共识过程，只有存储正式区块的权限；同时，次节点可以对共识结果进行监督，对错误记录的节点和数据提出质疑；

共识节点，共识节点是指区块链系统根据所有节点的信用值排序结果，选取的排名靠前的N1个节点；在共识全过程中，共识节点负责对接收到的详细交易信息进行投票验证，生成投票结果，并反馈到主节点；

主节点，主节点是指区块链系统在共识节点集合中根据节点的信用值排序结果，在最靠前的N2个共识节点中随机选出的单个节点，用于分发请求、将有效的电力交易信息统计结果写入新区块、收集预备块的验证投票结果与新主块的存储结果；

监督节点，监督节点用于监控系统的共识过程，核算更新各节点的信用值，并赋予查验各节点信息的权利；在虚拟电厂交易区块链系统中，监督节点设置于电网公司节点或政府监管部门节点。

4.一种根据权利要求1-3所述的基于信用值的虚拟电厂交易区块链的信用评价方法，其特征在于，所述方法为，将交易信用值R_E,i、共识信用值R_c,i、记账信用值R_w,i，由熵权法分析个指标的重要程度，形成节点的综合信用值。

5.根据权利要求4所述的信用评价方法，其特征在于，所述由熵权法分析个指标的重要程度，形成节点的综合信用值具体为：由熵权法分析个指标的重要程度，确定R_E,i、R_c,i、R_w,i的权重因子，形成节点的综合信用值：

R_i＝a*R_E，i+b*R_c，i+c*R_w，i#(1)

式中a、b、c为熵权法确定的权重系数。

6.根据权利要求5所述的信用评价方法，其特征在于，所述R_E,i、R_c,i、R_w,i范围为(0,100)，若低于20，将终止该节点在主链上的一切操作，包括参与共识、交易等；新节点i加入主链后，根据节点处理器配置、通信延迟等情况在[40,60]范围内预设初始值R_i(0)。

7.根据权利要求5所述的信用评价方法，其特征在于，所述交易信用值R_E,i以如下方式评估：

其中，a_i,t为主链节点i在第k轮共识前的履约程度评估系数，b_i,k为主链节点i在第k轮共识过程时的欠款情况评估系数。

8.根据权利要求5所述的信用评价方法，其特征在于，所述共识信用值R_c,i以如下方式评估：

若第k轮共识成功，则参与共识的节点信用更新：

其中，

为第k轮共识参与节点i的信用奖励值；

为共识成功信用奖励系数。

9.根据权利要求5所述的信用评价方法，其特征在于，所述记账信用值R_w,i以如下方式评估：

h_i,k为第i个主链记账节点在第k轮共识前的记账能力系数。

其中t_i,k为第i个主链记账节点在第k轮共识后的出块时间，

为区块系统平均出块时间。若t_i,k少于区块链系统平均出块时间，则记账能力系数取最大值1；反之，若t_i,k多于区块链系统平均出块时间，则按式计算记账能力评估系数，若t_i,k大于区块链系统平均出块时间的2倍，则取记账能力系数为最小值0。

10.一种基于权利要求4-9所述信用评价方法的共识机制，其特征在于，所述共识机制流程为：

1)某节点产生电力交易或数据记录请求时，将请求放入缓存交易池中，等候主节点开展记录；

2)上一轮共识结束后，监督节点根据各节点在共识中的行为计算各节点信用值，变更节点状态，并广播全网；

3)主节点从缓存交易池中获取交易数据并打包，将打包好的预备块广播给各共识节点进行合法性投票验证；

4)各共识节点接收主节点广播的预备块，检验预备块的数字签名、区块高度、哈希值、时间戳等信息，检验完成后将结果反馈给主节点；

5)主节点对收到的投票确认信息进行判断，确认后将生成包含交易哈希值的正式区块，将正式区块广播给监督节点进行信息验证；

6)监督节点对正式区块合法性进行验证，并将验证结果反馈给主节点，主节点收到监督节点的确认后将区块更新上链并广播给系统所有节点，同时清除缓存交易池中的该条交易；

7)监督节点根据各节点在共识中的行为计算各节点信用值，变更节点状态并广播全网，随后开启下一轮共识。

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