基于區(qū)塊鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡研究

郭佳程，寧德軍，李泱丞，沈 建

（1.中國科學院上海高等研究院，上海 200120；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 100049；3.中南大學計算機學院，長沙 410083）

0 概述

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將風電、光伏發(fā)電等分布式能源發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)是必然趨勢，但是分布式能源容量小且具有間斷性、隨機性和波動性等特點，直接并網(wǎng)使用會降低能源穩(wěn)定性和利用率［1］。為構建集廣泛聚合分布式能源、需求響應、分布式儲能等功能于一體的分布式能源共享網(wǎng)絡，需對分布式能源進行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度，并對能源供應者和消費者身份進行耦合，進而實現(xiàn)不同供能資源的協(xié)同及分布式能源的消納。然而在構建分布式能源共享網(wǎng)絡的過程中，由于難以實現(xiàn)能源信息的公開透明，網(wǎng)絡中各能源主體間存在信息獲取不對稱問題，能源調(diào)度規(guī)則、利益分配機制等信息始終由能源公司掌握，用戶在交易過程中處于弱勢地位，極大地增加了分布式能源共享網(wǎng)絡達成互信的難度。

區(qū)塊鏈技術［2］能夠較好地解決分布式能源共享網(wǎng)絡主體間的互信問題，基于區(qū)塊鏈技術建立分布式能源共享網(wǎng)絡可以實現(xiàn)各參與主體在信息平臺上的雙向選擇［3］。在共享網(wǎng)絡中，能源信息被記錄于區(qū)塊鏈賬本中，支持合理的計量和認證，確保共享網(wǎng)絡面向全部主體公開透明［4］。在交易平臺中，各參與主體之間的交易過程通過智能合約實現(xiàn)并對交易行為加以約束。但是，將區(qū)塊鏈技術應用于分布式能源共享領域依然存在網(wǎng)絡性能較差、隱私保護機制不夠完善、能源調(diào)度效率與透明度不高等問題。

本文在分布式能源共享網(wǎng)絡中引入?yún)^(qū)塊鏈技術中的側鏈技術［5］，提出一種可信分布式能源共享網(wǎng)絡，形成由交易鏈與調(diào)度鏈組成的姊妹鏈，并通過硬件終端與物理世界的能源設施相連接得到三層網(wǎng)絡結構，最終利用三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系實現(xiàn)網(wǎng)絡的透明化運行。在能源調(diào)度方面，設計一種分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，為用戶調(diào)度當前狀態(tài)下最優(yōu)的儲能站并將其與鏈碼體系相結合，實現(xiàn)能源調(diào)度全過程無人為干擾，以減少能源損耗，提升共享網(wǎng)絡透明度和整體能源利用率。

1 研究現(xiàn)狀

自2008 年中本聰提出區(qū)塊鏈這一概念以來［2］，區(qū)塊鏈首先在金融領域取得了重要突破，進而向物聯(lián)網(wǎng)、供應鏈、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等眾多領域輻射。在能源領域，近年來得益于技術的成熟和政策的推動，國外出現(xiàn)了眾多將區(qū)塊鏈應用于能源領域的探索與研究。利用區(qū)塊鏈對交易數(shù)據(jù)與交易過程真實性進行保護是將區(qū)塊鏈應用于能源領域的最根本出發(fā)點，因此交易安全、網(wǎng)絡性能與信息系統(tǒng)安全成為研究的重點。在分布式能源交易方向，澳大利亞Power Ledger 公司構建了基于區(qū)塊鏈的太陽能電力交易平臺［6-7］，美國能源公司LO3 與西門子公司以及區(qū)塊鏈技術公司ConsenSys 共同合作開發(fā)了名為“布魯克林微電網(wǎng)”的能源區(qū)塊鏈項目［8-9］，能源公司Innogy 和Oxygen Initiative 聯(lián)合推出區(qū)塊鏈EV 充電平臺Share&Charge［10-11］。在阻塞管理與輔助服務方向，歐洲輸電系統(tǒng)運營商TenneT 為提升電網(wǎng)供電穩(wěn)定性，以Hyperledger Fabric 私有鏈為底層架構，在德國以及荷蘭建立了能源區(qū)塊鏈試點項目［12］。在需求響應方向，針對能源生態(tài)系統(tǒng)中需求響應時延大及單一需求被多次重復響應的缺陷，Bittwatt 項目組基于以太坊建立了智能化需求響應平臺［13-14］。在信息系統(tǒng)安全方向，英國Future Cities Catapult 機構聯(lián)合區(qū)塊鏈平臺公司Guardtime 開發(fā)了一種無密鑰簽名基礎設置（Keyless Signature Infrastructure，KSI）的區(qū)塊鏈技術［15］，該技術旨在提高電網(wǎng)在面臨網(wǎng)絡攻擊時的安全性。

國內(nèi)針對能源區(qū)塊鏈的研究主要為網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)處理性能以及網(wǎng)絡結構安全等方面，同時對于分布式能源網(wǎng)絡運行模式的研究也取得了一定進展。文獻［16-18］分別以區(qū)塊鏈為核心架構構建了能源交易平臺以及與其相匹配的平臺運行策略，其中文獻［17-18］基于各自平臺分別提出一種市場模型和競價策略。文獻［19］致力于區(qū)塊鏈與智慧能源在商業(yè)模式上的結合，提出一種基于區(qū)塊鏈的智慧能源商業(yè)模式。文獻［20-21］關注能源區(qū)塊鏈中的信息安全問題，文獻［20］設計并實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈技術的電力系統(tǒng)信息交換平臺，文獻［21］提出一種基于區(qū)塊鏈的電子數(shù)據(jù)保全方案。文獻［22］基于區(qū)塊鏈對能源電力調(diào)度網(wǎng)絡的供需規(guī)則進行優(yōu)化。文獻［23］針對基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)中的接入認證技術進行研究，提出一種基于區(qū)塊鏈的分布式認證模型。文獻［24］對RAFT 共識算法進行改進，提出一種分布式新能源接入下的改進型RAFT 算法。

目前，側鏈技術多用于解決數(shù)據(jù)壓力與隱私保護問題。文獻［25］基于供應鏈溯源系統(tǒng)，提出一種用戶數(shù)據(jù)轉移的側鏈模型，以解決區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲問題。文獻［26］提出一種基于側鏈的智慧能源交易模型，該模型利用資金交易與能源調(diào)度分割思想，本文受其啟發(fā)，將該思想融入基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡設計中。

2 基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡

2.1 基本網(wǎng)絡

在傳統(tǒng)區(qū)塊鏈能源網(wǎng)絡環(huán)境下，高冗余的數(shù)據(jù)存儲模式?jīng)Q定其必須在數(shù)據(jù)存儲量與網(wǎng)絡整體性能間進行取舍，而分布式能源共享網(wǎng)絡中主體眾多、交易頻繁，同時對網(wǎng)絡性能和數(shù)據(jù)存儲量提出了更高的要求。此外，能源交易與調(diào)度所產(chǎn)生并依賴的數(shù)據(jù)在很大程度上并不重合。在區(qū)塊鏈公開透明的環(huán)境下，如果直接將上述信息記錄在鏈上，則會發(fā)生部分主體獲取到與之不相關信息的情況，產(chǎn)生隱私泄露等問題。本文基于區(qū)塊鏈側鏈技術提出一種可信的分布式能源共享網(wǎng)絡，其基本網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡架構Fig.1 Architecture of trusted distributed energy sharing network based on sidechain

在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡中，根據(jù)職責差異將主體分為3 類：

1）能源公司：存在于交易層和調(diào)度層，職責包括向用戶收取用能費用（通證），將通證轉化為能源權益發(fā)放給用戶，調(diào)度下屬儲能站等。

2）儲能站：存在于調(diào)度層和物理層，職責包括能源權益與傳輸命令轉化，通過物理設施向用戶輸送能源或接收用戶輸出的能源。

3）用戶：存在于交易層、調(diào)度層和物理層，是共享網(wǎng)絡所觸達的終端，職責包括能源權益獲取與變現(xiàn)，能源權益與傳輸命令轉化，通過物理設施接收并使用能源并將富余能源或自生產(chǎn)能源向儲能站輸送。

與主體相對應，在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡中，根據(jù)網(wǎng)絡結構與職責的差異，將整體網(wǎng)絡設計成縱向的三層網(wǎng)絡結構，由下至上分別為物理層、調(diào)度層、交易層，其中調(diào)度層與交易層通過側鏈技術構成姊妹鏈，又稱為調(diào)度鏈與交易鏈，兩者通過交易鎖合約進行信息傳遞和價值交換?；趥孺湹目尚欧植际侥茉垂蚕砭W(wǎng)絡融合了區(qū)塊鏈側鏈、鏈碼、通證、復合式存儲策略等技術，具有以下特征：

1）高可信與高透明。通過區(qū)塊鏈技術對能源公司、儲能站和用戶的實時狀態(tài)以及發(fā)生于鏈上的所有交易進行記錄，確保交易記錄真實無篡改且可追溯，保障了能源共享網(wǎng)絡中信息的可靠性。交易與主體狀態(tài)信息面向鏈上全體節(jié)點透明公開，有助于打破能源公司對能源數(shù)據(jù)的壟斷，使用戶和能源公司在交易中處于平等地位。通過鏈碼技術，簡化業(yè)務流程，大幅壓縮人工介入的空間，確保交易規(guī)則清晰、交易執(zhí)行過程透明無人為干擾。

2）提升網(wǎng)絡性能并加強隱私保護。通過側鏈技術，將交易數(shù)據(jù)與調(diào)度數(shù)據(jù)進行拆分：一方面降低了單個節(jié)點需要維護的賬本數(shù)據(jù)量和針對單個節(jié)點的無價值信息比例，減輕了單條鏈上的數(shù)據(jù)存儲壓力，一定程度上彌補了區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)存儲方面的短板，提升網(wǎng)絡整體性能；另一方面將資產(chǎn)與能源儲備信息相互隔離，也隔絕了部分主體接觸無關數(shù)據(jù)的途徑（如調(diào)度層儲能站節(jié)點無法獲得與資金相關的交易信息），加強了網(wǎng)絡隱私保護。

3）實現(xiàn)能源供需主體的耦合?；趥孺湹目尚欧植际侥茉垂蚕砭W(wǎng)絡對能源供給者與消費者主體身份進行耦合，即各主體既能購買和使用能源，又能通過售賣剩余或自產(chǎn)能源賺取相應的能源權益轉換為資產(chǎn)，以減少能源網(wǎng)絡中的能源浪費，實現(xiàn)能源利用率最大化。

2.2 三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系

三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系是針對基于側鏈的可信分布式共享網(wǎng)絡設計的鏈碼體系，通過建立一套跨越三層網(wǎng)絡的鏈碼體系，實現(xiàn)鏈上主體間無人工介入環(huán)境下的條件-響應式工作協(xié)同。該鏈碼體系定義了基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡中通證交易、能源調(diào)度、能源命令響應等行為的邏輯規(guī)則，重點關注交易鏈與調(diào)度鏈間狀態(tài)的一致性，基于簡化支付確認（Simplified Payment Verification，SPV）［27］模式設計的交易鎖合約應用于跨越姊妹鏈間的一致性通信，能有效防止因信息傳遞過程中的時間延遲而導致的一致性問題發(fā)生。圖2 為三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系，與交易層與調(diào)度層的姊妹鏈結構相對應，“Transaction”與“Schedule”分別為部署于交易鏈和調(diào)度鏈的鏈碼，兩者均包含Initialization、Transaction、Token、Query、DB、Apps 模塊，Schedule鏈碼額外包含Algorithm 模塊。三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系由能源供給和能源收購兩套規(guī)則組成，如圖3 和圖4 所示。

圖2 三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系Fig.2 Three-layer network cooperative work chaincode system

圖3 三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系的能源供給規(guī)則Fig.3 Energy supply rules of three-layer network cooperative work chaincode system

圖4 三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系的能源收購規(guī)則Fig.4 Energy acquisition rules of three-layer network cooperative work chaincode system

三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系的能源供給規(guī)則具體步驟如下：

S1：交易鏈用戶向能源公司發(fā)送能源購買申請并支付一定數(shù)額的通證。

S2：交易鏈能源公司執(zhí)行交易鎖合約，將用戶支付的通證轉換為調(diào)度鏈上的能源權益。

S3：調(diào)度鏈能源公司將轉換的能源權益分配給用戶。

S4：調(diào)度鏈執(zhí)行分布式能源動態(tài)調(diào)度機制選擇合適的儲能站，向儲能站發(fā)送供能申請并支付能源權益。

S5：調(diào)度鏈儲能站向物理層終端發(fā)送供能命令。

S6：物理層儲能站向用戶供能。

S7：調(diào)度鏈在周期結算時，儲能站將全部能源權益支付給能源公司。

S8：調(diào)度鏈用戶和能源公司根據(jù)需要執(zhí)行交易鎖合約，將能源權益轉換為交易鏈上的通證。

三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系的能源收購規(guī)則具體步驟如下：

S1：交易鏈在周期結算完成后，能源公司根據(jù)需求擴充調(diào)度鏈的能源權益儲備，執(zhí)行交易鎖合約，將通證轉換為調(diào)度鏈上的能源權益。

S2：物理層用戶向能源動態(tài)調(diào)度機制分配的儲能站輸送剩余或自產(chǎn)能源。

S3：調(diào)度鏈儲能站核實數(shù)據(jù)。

S4：調(diào)度鏈向用戶支付相應數(shù)額的能源權益。

S5：調(diào)度鏈用戶和能源公司根據(jù)需要執(zhí)行交易鎖合約，將能源權益轉換為交易鏈上的通證。

能源供給的步驟S2 與S8 以及能源收購的步驟S5 使用了基于SPV 模式的交易鎖合約。該合約的作用是保證交易鏈和調(diào)度鏈資產(chǎn)的一致性。交易鎖合約由通證轉換能源權益規(guī)則和能源權益轉換通證規(guī)則組成，兩者在步驟上相互對應，在此以通證轉換能源權益為例對交易鎖合約的具體規(guī)則進行說明，如圖5 所示。

圖5 基于SPV 的交易鎖合約規(guī)則Fig.5 Transaction lock contract rules based on SPV

基于SPV 模式的交易鎖合約規(guī)則具體步驟如下：

S1：交易鏈主體發(fā)起交易鎖交易，將一定數(shù)額的通證發(fā)至隨機指定的交易鎖地址進行鎖定。

S2：交易鏈將交易鎖交易寫入鏈上，并經(jīng)過若干區(qū)塊（一般為6 個）對其進行確認，等待交易鎖交易被確認后，按照交易鎖合約內(nèi)置的數(shù)據(jù)結構將交易鎖交易信息打包為數(shù)據(jù)包發(fā)送至調(diào)度鏈。

S3：調(diào)度鏈接收數(shù)據(jù)包，并按照數(shù)據(jù)包內(nèi)的區(qū)塊路徑驗證交易鏈對應區(qū)塊上的交易鎖交易信息是否與數(shù)據(jù)包信息一致。

S4：調(diào)度鏈驗證通過后執(zhí)行解鎖指令，按照通證與能源權益的兌換比例將原先存于調(diào)度鏈某一交易鎖地址內(nèi)的能源權益解鎖發(fā)送至主體在調(diào)度層的錢包內(nèi)，等待調(diào)度鏈將交易鎖交易寫入鏈上，并經(jīng)過若干區(qū)塊（一般為6 個）對其進行確認，通證轉換能源權益完畢。

在能源權益轉換通證時，反向執(zhí)行上述規(guī)則，即先在調(diào)度鏈鎖定能源權益，再在交易鏈解鎖相應比例的通證即可。

交易鎖合約保證了同一價值的資產(chǎn)，同一時間內(nèi)只能在一條鏈上流通，先鎖定再解鎖的機制也杜絕了因為通信延遲而導致的雙花問題發(fā)生，確保了整個能源共享網(wǎng)絡中價值的整體一致性。

三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系在網(wǎng)絡運行之初即寫入?yún)^(qū)塊鏈中，任何對鏈碼規(guī)則的更改都將在區(qū)塊鏈上留下完整記錄，以確保鏈碼體系在規(guī)則層面的透明。在執(zhí)行過程中，無論是能源供應還是能源收購都完全由事先部署的鏈碼體系控制，可操作空間僅限于交易鏈和調(diào)度鏈中的錢包賬戶，同時每一筆交易都將記錄在其發(fā)生的區(qū)塊鏈側鏈上，無法被篡改或偽造且不可抵賴，以確保鏈碼體系在執(zhí)行層面的透明。綜上，三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系的部署大幅度加強了基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡的透明性，使其在規(guī)則和執(zhí)行層面真實可信。

3 分布式能源動態(tài)調(diào)度機制

能源在傳輸和存儲的過程中，由于天氣、海拔、溫度、距離、設備老化等原因會產(chǎn)生一定程度的損耗，降低能源利用率，這一現(xiàn)象在分布式能源網(wǎng)絡中尤為明顯。此外，雖然能源調(diào)度規(guī)則可以通過上鏈的方式向網(wǎng)絡中所有主體公開，但在規(guī)則執(zhí)行的過程中依舊存在人為介入的情況，這將削弱能源調(diào)度的透明度，降低能源共享網(wǎng)絡的整體可信度。

本文在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡環(huán)境下，提出一種分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，其目的是通過宏觀調(diào)度，為用戶分配合適的儲能站進行能源供給或收購，以降低能源損耗，提升能源共享網(wǎng)絡中能源的整體利用率，并且通過鏈碼技術實現(xiàn)能源調(diào)度全過程的透明化。分布式能源動態(tài)調(diào)度機制由能源供給和能源收購兩部分組成，機制流程如圖6 和圖7 所示，其中，E表示儲能站剩余能源量，n和m表示用戶數(shù)，X表示儲能站供給能源的次數(shù)，x表示用戶接收能源的次數(shù)，S表示儲能站剩余儲能空間，Y表示儲能站接收能源的次數(shù)，y表示用戶出售能源的次數(shù)。

能源供給和能源收購分為以下兩階段：

1）儲能站分配。能源公司根據(jù)儲能站列表為用戶分配儲能站，儲能站列表執(zhí)行局部被動更新策略，即能源公司不主動大范圍更新儲能站列表，而是當儲能站狀態(tài)發(fā)生變化時，由儲能站向能源公司發(fā)出通知，能源公司更新該儲能站的狀態(tài)（available/unavailable）。與全局性質(zhì)的更新相比，局部被動更新策略在保證儲能站列表實時準確的同時，減少了無狀態(tài)變化的儲能站與能源公司間不必要的狀態(tài)詢問通信，壓縮了數(shù)據(jù)量，減輕了能源共享網(wǎng)絡的通信和存儲負擔。

2）能源傳輸。儲能站與用戶建立連接，實際執(zhí)行能源供給或收購的命令。值得注意的是，儲能站與用戶的連接并不是長期不變的，其執(zhí)行延遲主動更新策略，即當儲能站儲能量及剩余儲能空間充足時，每傳輸k個單位能源，用戶就主動斷開與儲能站的連接，回到儲能站分配階段，由能源公司根據(jù)當時最新的儲能站列表重新分配儲能站。該策略既減少了當網(wǎng)絡中出現(xiàn)更優(yōu)的available 儲能站時用戶長期無法與當前儲能站斷開連接而轉為與更優(yōu)儲能站建立連接產(chǎn)生的不必要損耗，又由于用戶必須傳輸k個單位能源才能更換儲能站，因此杜絕了網(wǎng)絡劇烈變動而導致的頻繁更換儲能站這一情況的發(fā)生。通過對參數(shù)k的設定，能夠在能源損耗與通信成本間建立動態(tài)平衡。

圖6 分布式能源動態(tài)調(diào)度機制的能源供給流程Fig.6 Energy supply flow of distributed energy dynamic scheduling mechanism

圖7 分布式能源動態(tài)調(diào)度機制的能源收購流程Fig.7 Energy acquisition flow of distributed energy dynamic scheduling mechanism

應用分布式能源動態(tài)調(diào)度機制能夠使用戶在絕大部分時間內(nèi)與最優(yōu)儲能站建立連接并傳輸能源，有效減少分布式能源共享網(wǎng)絡中的能源損耗。與三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系類似，分布式能源動態(tài)調(diào)度機制通過與鏈碼技術結合，實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的條件式自執(zhí)行。一方面，最大限度降低能源調(diào)度過程中的人為干擾，確保能源調(diào)度在執(zhí)行層面的透明性；另一方面，對調(diào)度規(guī)則和調(diào)度行為進行記錄并將數(shù)據(jù)記入?yún)^(qū)塊鏈，確保能源調(diào)度在規(guī)則和數(shù)據(jù)層面的透明性。綜上，通過分布式能源動態(tài)調(diào)度機制能夠較好地提升網(wǎng)絡透明度和整體能源利用率。

4 實驗與結果分析

4.1 實驗目的

本文針對三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系和分布式能源動態(tài)調(diào)度機制設計三組實驗，分別驗證網(wǎng)絡結構和鏈碼體系的有效性與安全性以及動態(tài)調(diào)度機制的合理性與高效性，以證明本文提出的基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡合理可行、安全可信且能實現(xiàn)提升能源利用率的目標。

4.2 實驗環(huán)境

本文在Hyperledger Fabric［28］聯(lián)盟鏈環(huán)境下搭建實驗網(wǎng)絡并編寫鏈碼體系和算法，同時利用如表1所示的軟硬件環(huán)境進行實驗。為簡化實驗流程，本文設定在固定時間內(nèi)向每個用戶供給的能源量固定，如在單位時間1（如1 min）內(nèi)向用戶1 供給的能源量為1 個單位。

表1 實驗環(huán)境的軟硬件配置Table 1 Software and hardware configuration of experimental environment

4.3 實驗步驟

實驗1三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系跨鏈價值交換驗證實驗，具體實驗步驟如下：

1）在鏈碼體系中設置觀察點。

2）在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡環(huán)境下運行鏈碼體系，分別執(zhí)行：購買能源權益；能源權益轉換為通證，觀察預設的觀察點是否給出正確反饋。

3）查詢區(qū)塊鏈交易記錄，驗證步驟2 中的操作是否被真實記錄。

實驗2三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系能源傳輸驗證實驗，具體實驗步驟如下：

1）在鏈碼體系中設置觀察點。

2）預設儲能站列表并按照算法規(guī)則預先手動推算能源傳輸過程。

3）在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡環(huán)境下運行鏈碼體系，分別執(zhí)行：能源供給；能源收購，觀察預設的觀察點是否給出正確反饋。

4）對比實際能源傳輸過程與步驟2 中推算的能源傳輸過程是否一致。

5）查詢區(qū)塊鏈交易記錄，驗證步驟3 中的操作是否被真實記錄。

實驗3多用戶條件下能源損耗率對比實驗，具體實驗步驟如下：

1）預設儲能站列表。

2）制定多用戶的用能腳本。

3）在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡環(huán)境下按照步驟1 中的腳本模擬用戶進行能源交易。

4）待步驟3 運行完畢后，統(tǒng)計網(wǎng)絡中的整體能源使用量和能源損耗率。

5）移除分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，采用隨機選擇儲能站的方法，反復執(zhí)行步驟3 和步驟4 達到預設次數(shù)后，對能源使用量和能源損耗率取均值。

6）對比步驟4 和步驟5 中的能源使用量和能源損耗率。

7）設定不同儲能站列表和用戶規(guī)模，多次執(zhí)行步驟1～步驟6，以獲得在不同環(huán)境下能源損耗的對比情況。

4.4 實驗結果

實驗1購買能源權益和能源權益向通證轉換實驗。在購買能源權益實驗中，transaction 表示交易鏈，schedule 表示調(diào)度鏈，如圖8 中①所示，通證與能源權益的轉換比為1。該實驗首先分別獲取用戶在交易層與調(diào)度層以及能源公司在交易層的錢包初始情況，如圖8 中②所示，用戶在交易層擁有1 000 枚通證，在調(diào)度層的能源權益為0，能源公司在交易層擁有1 000 枚通證?，F(xiàn)用戶通過交易鏈向能源公司支付73 枚通證以換取73 個單位的能源權益，如圖8中③所示。圖8 中④與⑤分別為交易鎖合約在交易層執(zhí)行鎖定和在調(diào)度層執(zhí)行解鎖命令。執(zhí)行完成后再次獲取用戶在交易層與調(diào)度層以及能源公司在交易層的錢包情況，如圖8 中⑥所示，用戶在交易層擁有的通證數(shù)量已減少73 枚，目前為927 枚，在調(diào)度層的能源權益為73 個單位，能源公司在交易層擁有的通證數(shù)量依舊為1 000 枚并未增加，其原因是用戶支付的73 枚通證已通過交易鎖合約發(fā)送至交易鎖地址進行鎖定。實驗結果符合預期。

圖8 購買能源權益實驗結果Fig.8 Experimental results of purchasing energy rights

能源權益向通證轉換實驗驗證用戶將20 個單位的能源權益轉換為20 枚通證，在圖9 中，①為交易層與調(diào)度層中用戶錢包的初始狀態(tài)，②為轉換命令，③與④分別為鎖定與解鎖命令，⑤為轉換完成后用戶錢包的最終狀態(tài)。實驗結果符合預期。

圖9 能源權益向通證轉換實驗結果1Fig.9 Experimental results 1 of energy rights conversion to general certificate

實驗驗證能源公司將300 個單位的能源權益轉換為300 枚通證，在圖10 中，①為交易層與調(diào)度層中能源公司錢包的初始狀態(tài)，②為轉換命令，③與④分別為鎖定與解鎖命令，⑤為轉換完成后能源公司錢包的最終狀態(tài)。實驗結果符合預期。

圖10 能源權益向通證轉換實驗結果2Fig.10 Experimental results 2 of energy rights conversion to general certificate

圖11 和圖12 展示了交易鏈和調(diào)度鏈在實驗1中產(chǎn)生的交易記錄。兩條鏈上的記錄相互印證且符合實驗過程，說明區(qū)塊鏈對交易的記錄真實有效。

圖11 實驗1 交易鏈記錄Fig.11 Transaction chain record of experiment 1

圖12 實驗1 調(diào)度鏈記錄Fig.12 Scheduling chain record of experiment 1

圖13 為在與側鏈結構相對的單鏈結構上同時執(zhí)行資金交易和能源調(diào)度的對比實驗的交易記錄。可以看出，在單鏈結構中，資金交易和能源調(diào)度的交易記錄混雜在一起，且儲能站a 能額外獲得用戶與能源公司的資金交易信息，能源公司也能了解用戶與儲能站a 之間的能源調(diào)度情況。而在圖11 和圖12 的姊妹鏈結構中，兩條鏈上只存有發(fā)生于本鏈的交易記錄，一條鏈上的主體無法獲取到另一條鏈上的交易記錄，同時各條鏈上的記錄邏輯清晰，在總數(shù)據(jù)量基本不變的前提下，各條鏈上的數(shù)據(jù)壓力較小，說明側鏈較好地實現(xiàn)了提升網(wǎng)絡性能及保護主體隱私的目標。通過實驗1，驗證了基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡和三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系跨鏈交易模塊的有效性與安全性。

圖13 實驗1 單鏈對比Fig.13 Single chain comparison of experiment 1

實驗2能源供給和能源收購實驗。在能源供給實驗中的初始化儲能站列表如表2 所示，其列出了用戶和儲能站間傳輸能源的損耗率，其中：∞表示用戶與儲能站間無有效線路，不可傳輸能源；available/unavailable 表示儲能站儲能是否充足且符合供能要求。實驗2 中的兩個子實驗均設定單次連接的供能/收能上限k=10。用戶1 申請供能和申請用能過程如圖14、圖15 所示。

表2 能源供給實驗儲能站列表1Table 2 Energy supply experimental storage station list 1

圖14 能源供給實驗結果1Fig.14 Energy supply experimental results 1

圖15 能源供給實驗結果2Fig.15 Energy supply experimental results 2

如圖16 所示，按照分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，選定儲能站b 為用戶1 供能，儲能站b 核對自身儲能信息儲能量為20個單位（大于4個單位），儲能站b可供能。

圖16 能源供給實驗結果3Fig.16 Energy supply experimental results 3

用戶1 與儲能站b 建立連接，儲能站b 為其供能。在達到單次供能上限后，用戶1 與儲能站b 斷開連接，重新申請供能。此時儲能站列表如表3 所示，可以看出儲能站列表并未改變。用戶1 申請供能如圖17 所示。

表3 能源供給實驗儲能站列表2Table 3 Energy supply experimental storage station list 2

圖17 能源供給實驗結果4Fig.17 Energy supply experimental results 4

如圖18 所示，按照分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，選定儲能站b 為用戶1 供能，儲能站b 核對自身儲能信息儲能量為10個單位（大于4個單位），儲能站b可供能。

圖18 能源供給實驗結果5Fig.18 Energy supply experimental results 5

用戶1 與儲能站b 建立連接，儲能站b 為其供能。當供能量達4 個單位后，儲能站b 不再符合供能要求，儲能站b 與所有用戶斷開連接，用戶1 重新申請供能。此時儲能站列表如表4 所示，可以看出，此時儲能站b 的狀態(tài)已更新為unavailable，而此時儲能站a 通過儲能已符合供能要求，因此狀態(tài)更新為available，恢復供能。能源供給實驗完畢，實驗結果符合預期。

表4 能源供給實驗儲能站列表3Table 4 Energy supply experimental storage station list 3

在能源收購實驗中的初始化儲能站列表如表5所示，設定儲能站a 的儲能上限為20 個單位。用戶3申請能源收購過程如圖19、圖20 所示。

表5 能源收購實驗儲能站列表1Table 5 Energy acquisition experimental energy storage station list 1

圖19 能源收購實驗結果1Fig.19 Energy acquisition experimental results 1

圖20 能源收購實驗結果2Fig.20 Energy acquisition experimental results 2

如圖21 所示，按照分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，選定儲能站a 為用戶3 供能，儲能站a 核對自身空余的儲能空間為15 個單位，儲能站a 可收能。

圖21 能源收購實驗結果3Fig.21 Energy acquisition experimental results 3

用戶3 與儲能站a 建立連接，儲能站a 收購用戶3的能源。在達到單次供能上限后，用戶1 與儲能站b斷開連接，重新申請供能，此時儲能站列表如表6 所示，可以看出儲能站列表并未改變。如圖22 所示，按照分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，選定儲能站a 為用戶3 供能，儲能站a 核對自身空余的儲能空間為5 個單位，儲能站a 可收能。

表6 能源收購實驗儲能站列表2Table 6 Energy acquisition experimental energy storage station list 2

圖22 能源收購實驗結果4Fig.22 Energy acquisition experimental results 4

當收能量達3 個單位后，儲能站a 的儲能空間已滿，不再符合收能要求，儲能站a 與所有用戶斷開連接，用戶3 重新申請能源收購，此時儲能站列表如表7 所示?？梢钥闯?，此時儲能站a 的狀態(tài)已更新為unavailable。與此同時，儲能站c 的儲能量也達到上限，狀態(tài)更新為unavailable。能源收購實驗完畢，實驗結果符合預期。

表7 能源收購實驗儲能站列表3Table 7 Energy acquisition experimental energy storage station list 3

圖23 展示了實驗2 中調(diào)度鏈產(chǎn)生的交易記錄。實驗2 中用戶1 與儲能站b 交易14 次，用戶3 與儲能站a 交易13 次，與調(diào)度鏈中的交易記錄吻合，說明區(qū)塊鏈對交易的記錄真實有效。

圖23 實驗2 調(diào)度鏈記錄Fig.23 Scheduling chain record of experiment 2

通過實驗2，驗證了基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡以及三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系能源傳輸模塊的有效性與安全性。

實驗3以網(wǎng)絡規(guī)模為基準設計5 輪實驗，每輪實驗的用戶數(shù)和儲能站數(shù)固定，儲能站列表各不相同，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，各儲能站列表中的最大線路損耗率也逐漸擴大，符合能源損耗與距離正相關的實際情況。每輪實驗中用戶使用能源供給/能源收購服務的行為按照每輪實驗的腳本進行，不同輪次實驗腳本各不相同，相同輪次中使用調(diào)度算法與隨機選擇儲能站的腳本相同。

實驗使用Python 語言的Simpy 庫，對于每組實驗設定用戶的到達服從特定泊松分布并設定對應數(shù)目的儲能站，每個電站的基礎儲能量服從均值為40 個單位的正態(tài)分布，假設用戶與儲能站之間的損耗服從特定正態(tài)分布。每組實驗中每名用戶請求的電量數(shù)目服從均值為10 個單位的正態(tài)分布，電站與用戶之間進行電量交換的時間服從均值為60 s 的正態(tài)分布。在具有使用能源收購服務的用戶實驗中，售電量服從均值為5 個單位的正態(tài)分布，售電用戶與電站進行電量交換的時間均值為30 s 的正態(tài)分布。從表8 可以看出，在相同網(wǎng)絡環(huán)境下，使用調(diào)度機制選擇儲能站的能源損耗率約為隨機選擇儲能站的能源損耗率的60%～80%，并且隨著網(wǎng)絡規(guī)模與復雜度的提升，該數(shù)據(jù)逐步減小，說明本文提出的分布式能源動態(tài)調(diào)度機制在基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡環(huán)境中的效果較好，且當處于規(guī)模大和線路復雜的分布式網(wǎng)絡時效果將進一步提升。

本文所有實驗中的主要時延在于兩條側鏈間進行代幣與能源權益的價值轉移以及各節(jié)點形成共識生成區(qū)塊所需的時間，而前者的主要時延在于執(zhí)行交易鎖合約對代幣或能源權益進行鎖定或解鎖的行為寫入?yún)^(qū)塊鏈中并被證實有效所需的時間，即自鎖定或解鎖行為產(chǎn)生起生成6 個區(qū)塊的時間，其本質(zhì)上也是各節(jié)點形成共識生成區(qū)塊所需的時間。與以太坊等公有鏈采用PoW 等共識機制不同，本文實驗在Hyperledger Fabric 聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡環(huán)境下采用Raft 共識機制，區(qū)塊生成時間能夠達到秒級，并且支持人為設置單區(qū)塊交易數(shù)量上限和最大出塊間隔，實驗設置的單區(qū)塊交易數(shù)量上限為10 條，最大出塊間隔為1 s，因此鎖定或解鎖行為被證實有效的時延約為6 s，側鏈間一次完整的價值轉移操作的時延約為10 s。Hyperledger Fabric 吞吐量可達1 000 transaction/s以上，在實際生產(chǎn)環(huán)境下能達到300 transaction/s～500 transaction/s。經(jīng)過測算，本文實驗環(huán)境下的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡能夠滿足200 名用戶的實時用電需求且整體運行時間在可接受范圍內(nèi)。在實際生產(chǎn)環(huán)境中，網(wǎng)絡整體性能受硬件條件、網(wǎng)絡規(guī)模等因素的影響較大，與實驗環(huán)境相比存在一定的差異。

表8 分布式能源動態(tài)調(diào)度機制實驗結果Table 8 Experimental results of distributed energy dynamic scheduling mechanism

綜上，三組實驗分別驗證了基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡環(huán)境下三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系的有效性與安全性，以及分布式能源動態(tài)調(diào)度機制的合理性與有效性。通過實驗可以得出，基于側鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡具有較高的有效性與安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)交易公正透明、減輕數(shù)據(jù)存儲壓力、非相關信息分離的隱私保護和主體供需身份耦合等目標，并且在提升網(wǎng)絡整體能源利用率方面也有較好的性能表現(xiàn)。

5 結束語

針對分布式能源共享網(wǎng)絡中隱私保護和能源調(diào)度等問題，本文提出一種基于區(qū)塊鏈的可信分布式能源共享網(wǎng)絡，以區(qū)塊鏈中的側鏈技術為基礎構建三層基本網(wǎng)絡，并設計應用于該網(wǎng)絡環(huán)境的三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系和分布式能源動態(tài)調(diào)度機制，通過三組實驗驗證了該網(wǎng)絡設計的合理性、有效性與安全性。實驗結果表明，三層網(wǎng)絡協(xié)同工作鏈碼體系實現(xiàn)了分布式能源網(wǎng)絡中主體間的可信交易，并且在減輕數(shù)據(jù)存儲壓力、保護交易隱私以及提升能源利用率等方面均有較好的性能表現(xiàn)。下一步將對交易鎖合約及調(diào)度層鏈碼體系進行優(yōu)化，并結合前沿能源調(diào)度算法設計真實環(huán)境下的分布式能源動態(tài)調(diào)度算法。