基于博弈策略的能源區(qū)塊鏈安全交易機(jī)制

李剛, 趙琳穎, 關(guān)雪, 魯斌，2，辛銳, 程凱

(1.華北電力大學(xué)計算機(jī)系，河北省保定市 071003；2. 復(fù)雜能源系統(tǒng)智能計算教育部工程研究中心，河北省保定市 071003；3.國網(wǎng)河北省電力有限公司信息通信分公司，石家莊市 050021；4.河北省電力物聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊市 050021)

0 引 言

新一代信息技術(shù)給能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了重大契機(jī)，能源系統(tǒng)正在由封閉模式過渡轉(zhuǎn)變到開放模式。以能源電力科學(xué)和信息科學(xué)為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)，旨在建立一種多種能源形式(節(jié)點)共同參與的共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[1]，進(jìn)而達(dá)到信息流和能量流的雙向流通與互動。然而，當(dāng)前參與主體的多樣性、能源數(shù)據(jù)的安全性以及交易信息的保密性等諸多實際問題制約著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，迫切需要找到新的解決途徑[2]。

區(qū)塊鏈(blockchain，BC)技術(shù)的分布式、不可篡改、匿名性等特性與能源互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求極為貼合，為其安全問題提供了一種新的解決方案[3]。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在金融[4]、物聯(lián)網(wǎng)[5-6]、數(shù)據(jù)存儲[7]等方面已有較多應(yīng)用，現(xiàn)已逐漸擴(kuò)展到能源交易領(lǐng)域。例如，文獻(xiàn)[8]提出了基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的電力交易方法；文獻(xiàn)[9]提出了基于雙向拍賣定價機(jī)制的智能合約算法；文獻(xiàn)[10]提出了融合雷電網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)的電動汽車充電交易機(jī)制等。

由于能源互聯(lián)網(wǎng)中存在多方參與主體，交易雙方的利益目標(biāo)不同，僅從整體角度考量交易過程并不能切實反映真實狀態(tài)，因此可引入博弈理論對交易雙方的協(xié)商過程進(jìn)行闡述，進(jìn)而為交易市場提供合理的能源供需策略參考。文獻(xiàn)[11]借助主從博弈優(yōu)化了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運行方案；文獻(xiàn)[12]通過主多從博弈模型探究了售電商與用戶之間的策略互動行為；文獻(xiàn)[13]針對微電網(wǎng)能源管理場景提出了基于Stackelberg的最優(yōu)定價模型。然而，上述研究依舊在傳統(tǒng)的中心化模式背景下進(jìn)行探索，難以保證用戶隱私安全以及交易處理性能。

因此，本文結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)交易市場的應(yīng)用特性和安全需求，擬將博弈策略引入能源區(qū)塊鏈的安全交易機(jī)制中，保障交易雙方的利益需求。首先，運用博弈理論求解買賣雙方定價策略的唯一納什均衡解，為交易的撮合提供價格參考；然后，設(shè)計基于聯(lián)盟鏈的弱中心化多主體能源交易機(jī)制，通過對區(qū)塊結(jié)構(gòu)及實用拜占庭容錯(practical byzantine fault tolerance，PBFT)共識機(jī)制的優(yōu)化，提升能源交易效率；最后，依據(jù)算例分析證明本文所提安全交易機(jī)制的可行性、有效性。

1 能源區(qū)塊鏈

能源互聯(lián)網(wǎng)可分為能源網(wǎng)絡(luò)層和信息管理層2個層面，其基本架構(gòu)如圖1所示。

能源網(wǎng)絡(luò)層是由儲能裝置、天然氣網(wǎng)、供熱網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)、智慧電網(wǎng)和能源輸送配置網(wǎng)等互聯(lián)共享、相互耦合形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系[14]；信息管理層包含信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、綜合能源管控平臺、能源市場交易平臺等。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture of an energy Internet

通過能源網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)能量輸配、信息傳遞等功能，并將匯總信息通過能源輸送配置網(wǎng)絡(luò)傳輸至信息管理層。用戶可通過信息互聯(lián)網(wǎng)實時準(zhǔn)確地獲取能源流動狀況，利用綜合信息管控平臺實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲的靈活協(xié)調(diào)，借助能源交易平臺形成開放、平等、自由的多元主體市場體系，發(fā)展高效、循環(huán)、綠色的新型商業(yè)模式[15]。

由于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、自治協(xié)同、多元化市場、智能合約的特征極為貼合能源互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，因此，區(qū)塊鏈技術(shù)可與能源互聯(lián)網(wǎng)形成天然互補優(yōu)勢，極大降低第三方信任機(jī)制的保障成本，保障能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高效性[16]。

本文從特征融合以及技術(shù)需求兩方面闡述區(qū)塊鏈技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)交叉融合的可行性。

1)特征融合：能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)同樣具備分布式、協(xié)同合作、公平共享、智能運行的優(yōu)勢。能源互聯(lián)網(wǎng)中主要包括分布式能源服務(wù)商、用戶側(cè)節(jié)點、微電網(wǎng)3部分，它們之間各自決策、公平合作、能源共享、平等交易，并根據(jù)控制系統(tǒng)智能運行；區(qū)塊鏈技術(shù)各節(jié)點間分布運行，平等運用數(shù)據(jù)資源，根據(jù)智能合約自動化運行，通過共識機(jī)制達(dá)成一致，因此，能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)能夠在特征上完美融合。

2)技術(shù)需求：能源互聯(lián)網(wǎng)面臨節(jié)點眾多、交易數(shù)據(jù)冗雜的難題，可以通過區(qū)塊鏈P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交易信息傳輸以及存儲，極大增加了數(shù)據(jù)安全性；分布式能源節(jié)點之間存在的信任風(fēng)險可以通過共識機(jī)制和密碼學(xué)原理來保證能源交易的一致性和隱私性；能源服務(wù)商以及電力用戶側(cè)雙方的信息可以通過智能合約技術(shù)進(jìn)行自動化匹配處理，有效提高交易效率。

因此，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠在能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景中實現(xiàn)新的價值，能源互聯(lián)網(wǎng)也可通過區(qū)塊鏈實現(xiàn)更優(yōu)的交易性能，兩者之間可以實現(xiàn)互補。

2 能源交易主體策略博弈模型

2.1 博弈論基本概念

博弈論是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)理論組成部分[17]，其基礎(chǔ)定義包含參與者、行動、信息、策略、支付、結(jié)果和均衡。其中，參與者、行動、結(jié)果合稱“博弈規(guī)則”，可以用來求解多方博弈主體的最優(yōu)均衡解[18]。

納什均衡是一種非合作的多方互利博弈，包括所有參與者的最優(yōu)策略組合[19]。本文提出的多能源交易策略的博弈模型標(biāo)準(zhǔn)定義如下：

(1)

2.2 交易策略模型構(gòu)建

本文依托博弈理論，構(gòu)建了一個多能源交易策略的博弈模型，如圖2所示。本模型符合能源交易市場中“先能源競價后用能調(diào)整”的循環(huán)博弈規(guī)律，通過求解貼合雙方利益需求的最優(yōu)策略，為交易機(jī)制提供合理參考。模型中包含如工業(yè)用戶、產(chǎn)消者、分布式能源、商業(yè)用戶、居民用戶等n個能源用戶和如電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等m個能源商戶，分別用集合T={T1,T2,…,Tn}和U={U1,U2,…,Um}表示，其中Ti代表各能源用戶，Uj代表各能源商戶。將最大化能源互聯(lián)網(wǎng)平臺的總利益作為目標(biāo)函數(shù)，如式(2)所示。

(2)

式中：Wtotal為系統(tǒng)的總利益。

1)能源用戶模型。

以能源用戶的收益最大化為目標(biāo)，需考量自身消費需求、預(yù)期交易成本等因素。

依據(jù)能源用戶Ti對電能和天然氣能的偏好系數(shù)計算需求總和，如式(3)所示。

(3)

(4)

圖2 能源交易主體策略博弈模型Fig.2 Strategy game model between energy transaction entities

收益函數(shù)定義如式(5)所示。

(5)

2)能源商戶模型。

(6)

式中：ηe和ηg表示電能、天然氣傳輸途中的消耗參數(shù)。

因能源商戶在其日常生產(chǎn)運行、器械購入維護(hù)等方面的成本無法精準(zhǔn)計量，因而，本文通過一個可微函數(shù)對其進(jìn)行描述。能源商戶Uj成本函數(shù)如式(7)所示。

(7)

能源商戶Uj的售能效用函數(shù)如式(8)所示：

(8)

能源商戶Uj的收益函數(shù)如式(9)所示：

(9)

2.3 模型求解

以博弈理論為基礎(chǔ)，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)交易場景，本文所構(gòu)建的博弈模型中的必要元素如下。

參與者：所有能源用戶Ti∈T和所有的能源商戶Uj∈U，均具有個體理性。

支付：收益函數(shù)如式(5)、(9)所示，能源商戶與能源用戶之間通過策略博弈實現(xiàn)雙方最優(yōu)均衡。

能源用戶Ti的最優(yōu)策略應(yīng)滿足：

(10)

(11)

能源商戶Uj的最優(yōu)策略應(yīng)滿足：

(12)

(13)

(14)

當(dāng)式(14)值為0時，即為最優(yōu)均衡解。求解可得：

(15)

(16)

根據(jù)納什均衡定義，若全部參與主體均滿足利益函數(shù)最大化，則不需再進(jìn)行策略博弈，組合全部參與主體策略，得到該問題的納什均衡解。設(shè)X為所有能源用戶的策略集合，P是所有能源商戶的策略集合，則(X*,P*)為納什均衡的充分必要條件如式(17)所示。

(17)

對式(12)在滿足式(13)約束條件下，構(gòu)造的拉格朗日方程如式(18)所示。

(18)

式(18)的互補松弛條件如式(19)所示。

(19)

綜上，可將目標(biāo)函數(shù)式(2)轉(zhuǎn)換為：

(20)

在本文所構(gòu)建的交易博弈模型中，能源用戶根據(jù)價格策略合理分配使用能源，能源公司通過用能策略制定電價，求唯一納什均衡解，實現(xiàn)最大利益目標(biāo)函數(shù)式(2)。

3 基于能源區(qū)塊鏈的安全交易機(jī)制

3.1 基于聯(lián)盟鏈的弱中心化多主體能源交易機(jī)制

電力系統(tǒng)與國民經(jīng)濟(jì)和信息安全息息相關(guān)，因此不宜實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)完全公開透明，確保督查機(jī)構(gòu)具有足夠的權(quán)限便可[20]。而私有鏈無法適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的萬物互聯(lián)，因此，本文基于聯(lián)盟鏈提出了具備弱中心化管理機(jī)構(gòu)的能源交易機(jī)制，如圖3所示，圖4為適應(yīng)本文所提交易機(jī)制的區(qū)塊結(jié)構(gòu)。

圖3 弱中心化多主體能源交易機(jī)制Fig.3 Weakly centralized multi-agent energy trading mechanism

能源用戶和能源商戶向能源交易平臺發(fā)送加入申請，弱中心化管理機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行身份驗證和用戶注冊，形成交易資源池F={FT1,FT2,…,FTn}。管理機(jī)構(gòu)對交易雙方的服務(wù)請求進(jìn)行安全及交易量等物理約束審核，如式(1)，對接收到的買賣意向進(jìn)行調(diào)節(jié)反饋；將滿足約束條件的交易申請發(fā)送至能源交易區(qū)塊鏈中，并對買賣雙方進(jìn)行身份核對；能源用戶按照降序排列，能源商戶按照升序排列，依據(jù)價格優(yōu)先、時間優(yōu)先原則自主觸發(fā)智能合約完成交易；把生成的交易數(shù)據(jù)封裝入?yún)^(qū)塊，通過共識機(jī)制實現(xiàn)全網(wǎng)廣播，并同步更新資源訊息。其中，弱中心化管理機(jī)構(gòu)僅負(fù)責(zé)買賣意向收集、交易監(jiān)管協(xié)調(diào)等輔助功能，并不直接干涉用戶與商戶之間的交易協(xié)定，在保障能源互聯(lián)網(wǎng)安全的同時實現(xiàn)交易的去中心化。

為更好提升上述基于聯(lián)盟鏈的弱中心化多主體能源交易機(jī)制的性能，本文設(shè)計了一種適用于能源互聯(lián)網(wǎng)的共識機(jī)制及智能合約算法。

3.2 PBFT算法改進(jìn)

共識機(jī)制的選擇是能源區(qū)塊鏈安全中極為重要的一環(huán)，它可以大大提高能源交易的共識效率和穩(wěn)定性，從而提高整個框架的可靠性。本文從節(jié)點管理、拜占庭容錯、中心化、性能、惡意節(jié)點、拓展性等方面[21-23]對常見的Raft、工作量證明(proof of work, PoW)、權(quán)益證明(proof of stake, PoS)、委托股權(quán)證明(delegated proof of stake, DPoS)等共識算法進(jìn)行比較，如表1所示。

圖4 能源區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)Fig.4 Energy blockchain structure

表1 共識算法比較Table 1 Comparison of consensus algorithms

由表1可以看出，PBFT具備節(jié)點管理權(quán)限、共識效率高、安全系數(shù)高、性能優(yōu)越，更加符合能源互聯(lián)網(wǎng)對于數(shù)據(jù)安全方面的實際應(yīng)用要求。

常規(guī)的PBFT對于網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與穩(wěn)定性有較高要求，且采用C/S架構(gòu)不符合區(qū)塊鏈P2P架構(gòu)特點。本文基于聯(lián)盟鏈節(jié)點大多可信這一特點，對PBFT算法進(jìn)行改進(jìn)，主節(jié)點無需接收客戶端服務(wù)請求后再廣播給其他節(jié)點，而是客戶端直接進(jìn)行廣播，從而減少網(wǎng)絡(luò)通信代價。通過循環(huán)方式進(jìn)行主節(jié)點選取，保障區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)一致性的同時，又能提升共識效率。

能源區(qū)塊鏈接收到交易信息后將其打包入?yún)^(qū)塊并向全網(wǎng)進(jìn)行廣播。假設(shè)共有M個節(jié)點，在完成每一輪共識后，通過式(21)從中選取一個主節(jié)點Nmaster。在區(qū)塊生成t時間后客戶端對全部共識節(jié)點廣播pre-prepare消息，共識節(jié)點進(jìn)行消息驗證并將驗證信息返回主節(jié)點Nmaster。

Nmaster=(LmodM)+1

(21)

式中：L為區(qū)塊鏈長度；LmodM表示L對M取余。

Nmaster收到來自超過2f+1個不同共識節(jié)點的驗證消息后向全網(wǎng)廣播commit消息，其中f表示區(qū)塊鏈中允許出錯的最多節(jié)點數(shù)，滿足f

智能合約根據(jù)節(jié)點交易數(shù)據(jù)進(jìn)行交易匹配，匹配成功后交給驗證節(jié)點驗證，確認(rèn)能源流與信息流雙向流通。

驗證成功后的數(shù)據(jù)上鏈永久存儲在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)交易信息的可追溯，否則該區(qū)塊將被丟棄并重新開始共識過程。

3.3 智能合約

智能合約是一種多方用戶通過計算機(jī)語句制定交易協(xié)議，并實現(xiàn)與真實世界價值流通的合同形式?？紤]到能源互聯(lián)網(wǎng)交易中的實際物理約束，本文設(shè)計的智能合約在上述多能源交易策略博弈的基礎(chǔ)上，采用基于連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制的交易算法。

將能源用戶的報價按由大至小的降序形成集合pTi={pTi,1,pTi,2,…,pTi,n}，能源商戶的報價按由小至大的升序形成集合pUj={pUj,1,pUj,2,…,pUj,m}。雙方參考博弈出的最優(yōu)策略，按照價格優(yōu)先、時間優(yōu)先的準(zhǔn)則，得到交易流程p={m,n,pU,pT,最優(yōu)策略}。會出現(xiàn)以下幾種情況：

1)當(dāng)pTi,1

2)當(dāng)pTi,n≥pUj,m時，表示當(dāng)前所有買方報價高于所有賣方售價，拍賣集合可以執(zhí)行完全，直到任意一方集合為空；

3)當(dāng)pUj,m≥pTi,1≥pUj,1≥pTi,n時，表示買方報價與賣方售價集合有部分重合,設(shè)重合元素為pTi,r,則1≤r≤n，拍賣集合可以執(zhí)行部分，直到pT集合移到r處，停止匹配，等待新的報價出現(xiàn)。

因此，為保障交易的有效進(jìn)行，雙方報價應(yīng)符合pTi,n>pUj,1且pUj,m

將該算法部署在本文交易機(jī)制中的能源區(qū)塊鏈上，為交易平臺中的多方參與主體之間達(dá)成的協(xié)議自動生成智能合約，在保障平臺運行生態(tài)化的條件下實現(xiàn)公平有效的利益分配，提升能源交易的運行效率。

4 算例分析

圖5 能源交易參考價格Fig.5 Reference price of energy trading

設(shè)定兩條獨立的交易鏈分別對電、氣兩種能源交易場景進(jìn)行處理，其交易機(jī)制相同，因此本文僅對電能交易進(jìn)行分析。能源交易主體根據(jù)自身狀態(tài)和能源交易參考價格進(jìn)行報價，其交易信息如表2所示，左側(cè)為能源用戶交易信息，右側(cè)為能源商戶交易信息。

表2 能源交易主體交易信息Table 2 Transaction information of energy transaction entities

參考電能的交易博弈策略，遵循時間優(yōu)先及價格優(yōu)先原則，在市場條件處于供大于求的情況下，本次實驗共產(chǎn)生了10個能源交易，交易結(jié)果如圖6所示。

圖6 能源交易結(jié)果Fig.6 Energy trading results

對比各能源用戶的預(yù)期成本及實際交易成本，如圖7所示，圖中上方柱形為通過本文所提交易機(jī)制進(jìn)行交易后能源用戶的總交易成本，下方柱形為能源用戶的總預(yù)期成本，依據(jù)上下兩柱形的差額部分可以較明顯看出各能源用戶都不同程度節(jié)省了成本，基本證明了交易機(jī)制的可靠性。

圖7 能源用戶交易成本對比Fig.7 Comparison of transaction costs of energy users

PBFT算法的容錯能力為1/3節(jié)點，結(jié)合算例設(shè)計，實驗中的錯誤節(jié)點最多不超過3個。因此本文通過JAVA編程對常規(guī)PBFT及本文設(shè)計的改進(jìn)PBFT進(jìn)行1～3個失效節(jié)點、1～3個惡意節(jié)點條件下的共識完成時間測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 共識時間對比Fig.8 Consensus time comparison

從圖8的分析結(jié)果來看，改進(jìn)PBFT算法由于優(yōu)化了P2P網(wǎng)絡(luò)，減少了網(wǎng)絡(luò)傳播開銷，在節(jié)點失效和惡意節(jié)點兩種條件下與原始PBFT算法相比，時間間隔縮短了約50%，共識速度更快。

5 結(jié) 論

本文以我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為背景，從能源商戶和能源用戶之間存在的策略互動及利益依存行為出發(fā)進(jìn)行了分析研究。構(gòu)建了一種考慮能源儲存量及安全約束的能源交易主體策略博弈模型，求解能源交易利益最大化的唯一納什均衡解，為能源交易提供價格參考；然后結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的優(yōu)勢，構(gòu)建了基于聯(lián)盟鏈的弱中心化多主體能源交易機(jī)制，保障交易的安全性，通過對區(qū)塊結(jié)構(gòu)及PBFT共識機(jī)制的改進(jìn)，提高了交易效率；最后通過20個參與節(jié)點的算例分析證明了本文所提交易機(jī)制的可用性。

本文工作表明，基于區(qū)塊鏈的能源交易機(jī)制通過博弈策略的優(yōu)化，能夠為解決當(dāng)前多能源交易市場中存在的利益分配不均、信息不對稱、交易過程不夠公平可信等問題提供參考；提出的改進(jìn)PBFT算法能夠有效提升區(qū)塊鏈的共識速度。

后續(xù)將進(jìn)一步分析綜合能源系統(tǒng)中各能源耦合下的交易形態(tài)，助推“新基建”背景下能源區(qū)塊鏈的建設(shè)發(fā)展。