基于分布式區(qū)塊鏈的能源共享網(wǎng)絡處理模型設計

何 德，徐 千，沈 祥，張 磊，萬 彪

（1.國網(wǎng)紹興供電公司，浙江紹興 312000；2.國網(wǎng)紹興供電公司發(fā)展策劃部，浙江紹興 312000；3.紹興建元電力集團有限公司，浙江紹興 312000；4.國網(wǎng)紹興供電公司互聯(lián)網(wǎng)辦公室，浙江紹興 312000）

隨著新型電力系統(tǒng)建設的推進，電力系統(tǒng)中的光伏、風電等清潔能源滲透率逐步升高，發(fā)電、用電主體間的能源交易需求也日漸緊迫[1-2]。分布式能源交易參與主體除了傳統(tǒng)發(fā)電廠和用戶外，還包括分布式能源供應商、負荷聚合商與虛擬電廠運營商。隨著交易主體的日益多元化，交易數(shù)據(jù)的規(guī)模也逐漸龐大，且分布較為分散[3-5]。現(xiàn)有的能源交易系統(tǒng)為集中式部署，其尚未滿足支撐未來海量能源用戶參與分布式能源交易的需求。

近年來，在經(jīng)濟、金融及能源等領域，區(qū)塊鏈技術應用較為廣泛，其具有去中心化、公正與透明等諸多優(yōu)點[6-9]，故能夠適用于分布式能源交易場景的需求。因此，該文采用分布式區(qū)塊鏈深入研究了其在能源共享網(wǎng)絡中的應用技術，以期通過改進的能源交易認證算法，提高分布式能源交易系統(tǒng)的處理效率，并保障能源交易的安全性及可靠性。

1 基于分布式區(qū)塊鏈的能源共享網(wǎng)絡

1.1 能源共享網(wǎng)絡架構

基于分布式區(qū)塊鏈的能源共享網(wǎng)絡架構如圖1所示[10-11]。而參與能源共享交易的對象包括用戶側與發(fā)電側的主體。其中，發(fā)電側主要為傳統(tǒng)發(fā)電廠、光伏電站和風力發(fā)電站等；用戶側則主要為用戶聚合商、虛擬電廠等。

圖1 能源共享網(wǎng)絡架構

能源共享交易過程主要包括以下幾個階段：

1）信息發(fā)布：購售電雙方通過能源共享交易平臺發(fā)布自身的購售電需求。

2）撮合階段：購售電雙方通過能源共享交易平臺進行協(xié)商，并達成相應的交易約定。

3）交易上鏈：根據(jù)購售電雙方協(xié)商的交易約定，將交易電價、交易電量與保證金額等信息，寫入分布式區(qū)塊鏈中。

4）交易結算：根據(jù)購售電雙方履約情況，觸發(fā)智能合約進行自動結算，進而完成金額轉賬等操作。

1.2 能源交易平臺設計

能源共享交易平臺架構如圖2 所示[12-13]，各層實現(xiàn)功能如下：

圖2 分布式能源交易平臺架構

1）基礎層：由智能電表、智能用電設備等硬件設施與通信設備組成，其通過物聯(lián)網(wǎng)技術獲取用戶的用能數(shù)據(jù)，并通過通信網(wǎng)絡將該數(shù)據(jù)向上級傳輸。

2）區(qū)塊鏈層：包括區(qū)塊鏈管理、高效共識認證算法及區(qū)塊分布式存儲三部分，其通過高效的共識認證算法保證區(qū)塊記錄信息的一致性與可信度，且通過分布式區(qū)塊儲存實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的便捷儲存。

3）合約層：該層可實現(xiàn)對智能合約的管理，具備合約部署、查詢和交易等功能，還為不同形式的能源交易服務提供了相應的智能合約接口。

4）數(shù)據(jù)層：其通過可視化界面實現(xiàn)與用戶的信息交互，并對區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)進行分析，且為應用層提供相應的數(shù)據(jù)服務。

5）應用層：分布式能源共享平臺的應用功能包括電能交易、支付管理及賬戶管理等。

2 能源交易安全認證算法

2.1 信用評價體系

針對分布式區(qū)塊鏈中不同節(jié)點的功能，可將其劃分為記賬節(jié)點、驗證節(jié)點和輕節(jié)點。三類節(jié)點的功能如下[14-16]：

1）記賬節(jié)點：負責收集并記錄所有用戶的能源共享交易數(shù)據(jù)。

2）驗證節(jié)點：對能源共享交易的安全性進行驗證，包括交易主體的身份合法性、交易的合法性等，通常驗證節(jié)點為能源交易的監(jiān)管主體。

3）輕節(jié)點：位于用戶終端，負責單個用戶能源交易數(shù)據(jù)的采集與上傳，并為記賬節(jié)點查詢數(shù)據(jù)提供索引。

根據(jù)三種類型區(qū)塊鏈節(jié)點的特性，并考慮到驗證節(jié)點和記賬節(jié)點處于整個分布式區(qū)塊鏈節(jié)點的關鍵位置，故其信用程度關乎電力系統(tǒng)及區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，因此該文分別采用驗證信用與記賬信用來評價這兩個節(jié)點的信用程度，從而保障能源共享交易的安全可信。而輕節(jié)點僅負責少量數(shù)據(jù)的采集、上傳與支持相關數(shù)據(jù)的查詢申請，所以文中并未考慮對其信用程度進行評價。基于上述分析，該文構建的分布式區(qū)塊鏈信用評價體系如圖3所示。

圖3 分布式區(qū)塊鏈的信用評價體系

2.2 評估方法

1）驗證信用

驗證節(jié)點的驗證信用值計算方法如下：

分布式區(qū)塊鏈節(jié)點對于每筆能源交易，需滿足一定數(shù)量驗證節(jié)點的驗證后才能發(fā)起該筆交易，滿足的條件如下：

式中，B為已通過驗證節(jié)點的累積信用程度，M為已通過驗證節(jié)點的總數(shù)，此時N也等于分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)驗證節(jié)點總數(shù)；λ為比例系數(shù)。

由式（2）可知，當已通過驗證節(jié)點的累計信用程度大于一定比例所有驗證節(jié)點的總信用程度時，驗證信用值越高的節(jié)點，其對驗證結果的影響程度也越大。傳統(tǒng)方法需通過一定比例驗證節(jié)點的個數(shù)才能通過驗證，而該文所提方法根據(jù)固定的驗證節(jié)點，便能夠區(qū)分不同驗證節(jié)點的信用程度，進而減小驗證過程的工作量。

2）記賬信用

記賬節(jié)點的記賬信用程度可用六個方面的指標進行衡量，具體如表1 所示。

表1 記賬信用評估指標定義

對于每筆能源交易，其記賬信用評估指標的取值如下：

式中，as為記賬節(jié)點信用評估指標的取值。由此每筆能源交易的合理性如下：

式中，Tk為第k筆能源交易合理性，當Tk=1時，表示該筆能源交易記錄準確，而當Tk=0 時，則表示該筆能源交易記錄有誤，存在交易數(shù)據(jù)被篡改的可能為第k筆能源交易第s個信用評估指標的取值。

記賬節(jié)點的記賬信用值計算方法如下：

記賬過程中，記賬節(jié)點不斷計算以下公式，以獲得滿足條件的隨機數(shù)，然后才能對能源交易數(shù)據(jù)進行記錄：

式中，Hash(·)為哈希函數(shù)；ci為第i個記賬節(jié)點需記錄的新生成數(shù)據(jù)對應區(qū)塊Hash 根值；αi為正向計算隨機數(shù)；β為分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)默認的難度常數(shù)。

記賬節(jié)點需重復嘗試不同的隨機數(shù)αi，直至滿足式（6）的條件為止。考慮不同記賬節(jié)點的記賬信用程度，該文通過引入其記賬信用評估值至記賬計算過程中，可將式（6）改寫為：

由于Hash 計算將隨機數(shù)投射到[0,2256-1]的區(qū)間范圍內，因此單次求解成功的概率為：

在分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)中所有記賬節(jié)點計算能力相同的情況下，單次運算的Hash 計算耗費時間相同。則同一時刻下，第i個記賬節(jié)點在與所有記賬節(jié)點競爭下獲得記賬權的概率為：

其中，H為Hash 計算的次數(shù)，由式（9）可知，記賬信用評估值越高的記賬節(jié)點，獲得記賬權的概率越大。因此，上述方法能夠有效防止惡意節(jié)點獲得記賬權。

3 算例分析

為驗證所提方法對惡意攻擊的防范能力，該文在Ubuntu 16.04 操作系統(tǒng)的PC 上搭建了基于分布式區(qū)塊鏈的能源共享交易仿真平臺。

3.1 記賬信用對能源交易處理的影響

在所搭建的仿真平臺下，設置分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)中記賬節(jié)點的信用值，不同平均記賬信用值對區(qū)塊生成時間的影響如圖4 所示。由圖可知，隨著平均記賬信用值的降低，分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)區(qū)塊的平均生成時間逐漸增加。采用該文所提的基于信用評價的能源交易數(shù)據(jù)記賬處理方法，節(jié)點記賬成功率與其信用值成正相關。由于惡意節(jié)點的信用值較低，從而有效抑制了分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)中惡意攻擊行為的發(fā)生。

圖4 信用值對區(qū)塊生成時間的影響

3.2 驗證信用對能源交易處理的影響

將仿真平臺中驗證節(jié)點總數(shù)設置為60，分析不同平均驗證信用對能源交易驗證過程的影響，結果如圖5 所示。從圖中可知，當平均驗證信用值為80時，需要55 個節(jié)點才能通過驗證。而當平均驗證信用值為100 時，僅需32 個節(jié)點便能通過驗證。由此可見，驗證信用程度越高的節(jié)點，對驗證過程的影響越大，且其具有更高的話語權，從而降低了驗證信用值較低惡意節(jié)點的影響力。同時，當整個分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)中驗證節(jié)點的信用程度均較高時，需要驗證的節(jié)點數(shù)更少，因此能大幅提高系統(tǒng)的驗證速率。

圖5 信用值對區(qū)塊驗證過程的影響

4 結束語

該文將分布式區(qū)塊鏈技術應用于能源共享交易網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理中[17-18]，提出了基于信用評價的能源交易處理方法。通過仿真分析表明，所提方法能夠遏制分布式區(qū)塊鏈節(jié)點中的惡意篡改行為，并提高驗證效率，保障系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。但影響區(qū)塊鏈共識效率的因素還包括節(jié)點計算能力、儲存能力及通信能力等，故在后續(xù)研究中將進一步分析多維因素對共識效率的影響，并提出一種更適用于海量分布式能源交易的共識算法。