CN113450221A - 一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法，“能量证明”以节点发电量作为工作量，通过竞争发电获得记账权和出块奖励；节点产生的电能越多，获得记账权的概率就越大，获得记账权的节点将获得该时间段内整个微网扣除损耗与过网电费费用的全部电费奖励。与现有技术相比，本发明可为微网电能交易方法提供科学理论和技术支撑，在微网中的应用可促进微网达到去中心化、去信任、抗篡改、***运行损耗小、经济收益高、用户积极参与等优势。为微电网创造繁荣、安全的电能交易环境，具有明显的技术价值和现实意义；同时，也丰富了区块链能源领域的研究内容，促进了区块链能源领域共识机制的发展，具有积极的学术价值。

Description

一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法

技术领域

本发明涉及电能交易领域，特别是一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法。

背景技术

微电网是未来分布式发电***的一个重要组成部分，能够集成多种类型的可再生能源，同时微网的区域互助能力可以提高电网应对突发灾害的能力，是新能源体系结构和能源管理模式的重要发展方向。然而微网的传统集中式调度运行维护成本高，保存和处理信息的中心单元一旦因自然灾害或误操作发生故障，或者遭受到网络黑客的恶意攻击，整个***将面临瘫痪的风险。为实现微网内部资源的优化配置，建立健全多元融合、自趋优运行、高效配置的电能生产和消费模式，需要更加安全可信、灵活可靠的微电网调度方法和电能交易机制。

区块链作为一种新兴的计算机技术，具有去中心化、无需信任积累、不可篡改等特点，运用区块链技术能够彻底解决交易双方存在的信任问题，能够帮助微网***中的交易双方实现交易合约的自动执行，完成价值的自由转换。区块链技术是一种将智能合约、点对点传输、分布式数据储存、共识机制、新密码学算法等多种计算机技术进行深度融合的新型技术。它具备数据共享、社区共治、记录溯源和信息安全这四个主要价值。区块链技术可以有效简化微电网电力交易模式，降低电力交易产生的成本，推动分布式能源就地消纳成为可能。

然而，现有大多数中外文献中微网的区块链交易采用的主要是点对点(P2P)电能阻塞交易模式。这种模式存在一个问题：对于某个用户来说，一次最划算的电能交易对于整个微网***来说，未必是最优潮流，这可能导致***的输电损耗增加，并不能达到整个***的最优潮流。例如：某个时刻，售电用户A的售电价格很低，售电用户B售电价格较高。购电用户C于是向A购电。但此时从最优潮流和输电损耗角度看，C向价格较高的B购电输电损耗更小。整个微网中，这种较高损耗的点对点阻塞交易大量发生，会导致微网整个***的输电损耗增加，从而达不到最优潮流。微网的点对点电能阻塞交易模式，容易造成用户经济利益与***输电损耗之间的矛盾。目前的文献中提出了一些优化调度策略，但只能缓解此矛盾，并不能从根本上解决该矛盾。

以上问题存在的根本原因是：目前采用区块链框架进行电能交易的技术方案中，没有研发出深度结合电能物理特性的区块链共识机制。目前能源领域使用的共识机制大多采用金融领域的传统区块链共识机制，如DPoS等。然而金融领域的共识机制能否直接“移植”到电能交易领域？经过前期研究，认为在区块链网络中，金融交易的成本与交易节点的地理位置关系不大。不论两个节点身处世界不同角落，其交易成本与在同一城市基本相同。然而电能交易却要考虑交易节点的地理位置距离，传输损耗，最优潮流等问题。所以把金融领域的区块链共识机制直接移植到能源领域，必然会产生一些“水土不服”的情况。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法，简化电能交易流程，促使电力***达到经济最优，损耗最小。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法，包括：

在一段时间内，在分布式新能源微网中，“能量证明”以节点发电量作为工作量，通过竞争发电获得记账权和出块奖励；节点产生的电能越多，获得记账权的概率就越大，具体步骤如下：

1)在第t段单位时间内，全网共有发电节点n个，它们在第t段时间分别发电p′_t1,p′_t2,…,p′_tnkWh；

2)计算每个发电节点对全网***的调度贡献、电能质量、在线时长、输电损耗等影响，则有：p_tm＝p′_tm·a_m·b_m·c_m·d_m，其中a_m为该节点的调度贡献影响因数，b_m为该节点的输电损耗影响因数，c_m为该节点的在线时长影响因数，d_m为该节点的电能质量影响因数；分别得到每个节点在该时间段内计及调度贡献、电能质量、在线时长、输电损耗等影响的有效发电量p_t1,p_t2,…,p_tn；

3)分别算出n个节点在该时间段的发电量占该时间段全网总发电量的百分比，即：

此时满足

并按照顺序依次排列；此时，区块链智能合约随机生成一个大小介于0-1的小数，其小数点后为x位(如8位)，该随机数落在哪个发电节点的发电量区间，该发电节点就获得全部该时间段内的全部售电奖励S_奖t。

与现有技术相比，本发明可为微网电能交易方法提供科学理论和技术支撑，在微网中的应用可促进微网达到去中心化、去信任、抗篡改、***运行损耗小、经济收益高、用户积极参与等优势。为微电网创造繁荣、安全的电能交易环境，具有明显的技术价值和现实意义；同时，也丰富了区块链能源领域的研究内容，促进了区块链能源领域共识机制的发展，具有积极的学术价值。

附图说明

图1为本发明的“能量共识”机制下的区块链电能交易流程图。

图2本发明的“能量共识”机制下全网节点发电量占比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

本实施例具体描述了一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法，以下进行详细阐述。

在阐述之前，首先需要明确能量共识机制PoE的简介：

比特币采用的共识机制工作量证明(PoW)是最经典的区块链共识机制，***中的各节点通过大量计算来竞争“记账权”与出块奖励，每个节点的计算量即是其工作量。由于比特币***对每个节点都准确衡量其计算量的难度很大，PoW共识机制通过选择能最快解出一道数学题的节点拥有此次记账权。解决这道数学题没有捷径可走，只能通过大量的计算工作。所以PoW是通过解数学题来间接衡量各节点的计算工作量。

基于上述能量共识机制PoE，本实施例的基于能量证明共识机制的电能交易方法，“能量证明”以节点发电量作为工作量，通过竞争发电获得记账权和出块奖励。通过光伏或风能产生的电能本身就是天然的工作量，而且发电量这种工作量是容易量化的，一般以kWh等来计量，不需要通过间接方法衡量发电量的多少，对用户来说相对公平。一段时间内，在分布式新能源微网中，节点产生的电能越多，获得记账权的概率就越大。获得记账权的节点将获得该时间段内整个微网扣除损耗与过网电费等费用的全部电费奖励。基于能量证明共识机制的区块链能量交易不再是P2P交易，而是出块竞争的交易模式：在这段时间内，微网售电总收入减去输电损耗和过网电费等成本后，作为区块奖励，奖励给具有记账权的节点。某节点在该段时间内向微网输出的净发电量越多，获得记账权的概率就越大。同时，将节点的输电损耗、在网时长、电能质量等通过影响因子的方式折算到出块概率，以经济激励的方式促进节点和电力***的自我优化。我们也可以用中国传统游戏“麻将”模式来解释能量证明PoE共识机制：在一轮麻将游戏中，所有微网发电用户都向牌桌(微网)中投注(发电)，该轮游戏结束时，***自动选出本轮赢家，获得牌桌上所有投注的收入。该段时间内投入(发电量)越多的玩家赢得本轮游戏的概率越大。虽然在某一轮结账中，对于单个节点可能只发电并没有收入，但是每个节点在长时间的在网发电过程中，所获得的经济收入与其生产的电量数量是正比的。又由于PoE机制避免了P2P电能阻塞交易带来***损耗增加等问题，这些损耗的减少将以经济利益的方式反馈给售电和购电的用户，同时降低了能源浪费。在PoE机制下的某个发电节点，一段时间内的售电收入应该大于P2P电能交易的收入，某个用电节点所花费的电费也会少于P2P阻塞式交易。

具体地，如图1所示，在一段时间内，在分布式新能源微网中，“能量证明”以节点发电量作为工作量，通过竞争发电获得记账权和出块奖励；节点产生的电能越多，获得记账权的概率就越大，具体步骤如下：

1)在第t段单位时间内，全网共有发电节点n个，它们在第t段时间分别发电p′_t1,p′_t2,…,p′_tnkWh；

2)计算每个发电节点对全网***的调度贡献、电能质量、在线时长、输电损耗等影响，则有：p_tm＝p′_tm·a_m·b_m·c_m·d_m，其中a_m为该节点的调度贡献影响因数，b_m为该节点的输电损耗影响因数，c_m为该节点的在线时长影响因数，d_m为该节点的电能质量影响因数；分别得到每个节点在该时间段内计及调度贡献、电能质量、在线时长、输电损耗等影响的有效发电量p_t1,p_t2,…,p_tn；

3)分别算出n个节点在该时间段的发电量占该时间段全网总发电量的百分比，即：

此时满足

并按照顺序依次排列，用图形表示如图2所示；此时，区块链智能合约随机生成一个大小介于0-1的小数，其小数点后为x位(如8位)，该随机数落在哪个发电节点的发电量区间，该发电节点就获得全部该时间段内的全部售电奖励S_奖t。

例如在一个由4个节点(3个发电节点和1个用电节点)构成的微电网中，在某段时间内，A节点发电1kWh，B节点发电2kWh，C节点发电3kWh，用电节点D以固定电价购买共6kWh电量，购买电费扣去网络损耗和过网电费后剩余P1元。区块链智能合约将从发电节点ABC中随机选出一个该时间段的记账节点，三个发电节点被选为记账节点的概率为该时间段内该节点发电量除以所有节点发电总量，即：A节点被选中概率为1/6，B节点被选中概率为2/6，C节点被选中概率为3/6。被选中的节点拥有记账权并获得该时间段内的全网发电收益P1元。在这段时间里，A节点的获利期望是P1/6元，B节点的获利期望是2*P1/6元，C节点的获利期望是3*P1/6元。而在点对点交易模式下，A节点获利P1/6元，B节点获利2*P1/6元，C节点获利3*P1/6元，而点对点交易模式下***损耗更大，节点获利将小于上述计算结果。以上举例说明“能量共识”方式的电能出块式交易可以保障所有参与节点的公平获利。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于能量证明共识机制的区块链电能交易方法，其特征在于，包括：

在一段时间内，在分布式新能源微网中，“能量证明”以节点发电量作为工作量，通过竞争发电获得记账权和出块奖励；节点产生的电能越多，获得记账权的概率就越大，具体步骤如下：

1)在第t段单位时间内，全网共有发电节点n个，它们在第t段时间分别发电p′_t1,p′_t2,…,p′_tnkWh；

2)计算每个发电节点对全网***的调度贡献、电能质量、在线时长、输电损耗等影响，则有：p_tm＝p′_tm·a_m·b_m·c_m·d_m，其中a_m为该节点的调度贡献影响因数，b_m为该节点的输电损耗影响因数，c_m为该节点的在线时长影响因数，d_m为该节点的电能质量影响因数；分别得到每个节点在该时间段内计及调度贡献、电能质量、在线时长、输电损耗等影响的有效发电量p_t1,p_t2,…,p_tn；

3)分别算出n个节点在该时间段的发电量占该时间段全网总发电量的百分比，即：

此时满足

并按照顺序依次排列；此时，区块链智能合约随机生成一个大小介于0-1的小数，其小数点后为x位(如8位)，该随机数落在哪个发电节点的发电量区间，该发电节点就获得全部该时间段内的全部售电奖励S_奖t。

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