CN114663091A - 基于多链式区块链架构的电力交易方法 - Google Patents

基于多链式区块链架构的电力交易方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于多链式区块链架构的电力交易方法，包括：预先构建多链式区块链架构，多个区块链之间通过若干共有节点耦合，并设置交易目标函数和约束条件；产生交易需求时，各节点根据预设的交易目标函数和约束条件以签订智能合约的方式进行交易，并根据基于诚信值的记账权共识算法竞争记账权，交易过程中由共有节点对不同区块链之间的信息进行跨链处理。本发明采用多链式区块链，通过共有节点耦合，使得与交易相关的各类信息可以选择性地在多链式架构中分享和验证，提高安全性；通过基于诚信值的记账权共识算法竞争记账权，可以引导节点用户遵守智能合约，提高诚信节点的优先级，避免恶意行为的出现，提高交易效率和质量。

Description

基于多链式区块链架构的电力交易方法
技术领域
本发明涉及数据安全领域，特别涉及基于多链式区块链架构的电力交易方法。
背景技术
随着分布式能源技术的发展以及政策层面的有力支持，分布式能源设备(DER)将会得到越来越广泛的应用。传统的电能消费者转变成具有电能生产和消费双重属性的产消用户。微电网作为相对独立的电网结构，可以直接满足产消用户的交易需求，实现清洁能源的高效利用，是分布式电能参与电力交易的主要实践场景。传统微电网电力交易策略存在交易双方信任缺失和信息不透明的现象，导致微电网***内交易数据易被篡改、交易效率无法得到有效保障。因此，现阶段电力体制改革的关键点在于建立一个安全、高效、透明的交易方案。
区块链是一种将密码学算法、分布式数据存储、点对点传输、共识机制和智能合约等新型计算机技术进行深度应用的分布式数据库。数据库中的信息由所有的网络节点共享，而数据的管理方全权负责数据更新，同时数据更新过程也面向所有网络节点公开。因此，区块链具有去中心化、不可篡改以及公开透明的特性，这与微电网分布式电能交易的需求完美契合。因此，区块链技术为解决微电网电力交易领域的问题提供了研究方向和参考依据。
目前，国内外学者研究从多个方面将区块链技术引入到微电网电力交易领域中。现有技术中，有文献提出一种基于区块链技术的信誉值激励方法，有效改善了产消用户间交易效率低下的问题。有文献针对分布式能源交易的安全性问题，设计了配售电交易平台，使得节点间分布式能源的交易过程更加安全高效。有文献考虑到“时前市场”这一因素，构建多番主体间的随机匹配市场交易机制，有效解决交易市场多经营主体间的交易问题。有文献提出一种可以实现智能设备的分散自治的高性能区块链管理平台，实现一种去中心化的自治管理***。有文献提出一种可以保障交易双方权益的电力交易机制，利用区块链技术和多重签名方法实现交易双方的数据安全性。有文献设计了基于区块链的配电***分布式能源市场架构，达到区块链优势与分布式能源交易特性深度融合的目的。上述文献对实现微电网内电力交易的安全高效性具有积极的作用，也为进一步优化电力***中的分布式能源交易机制提供了参考和借鉴。但是还存在如下两个方面的问题：①研究主要考虑到交易的公开透明性问题，没有涉及分布式能源交易所需遵守的网络安全约束方面的研究，使得交易方案脱离电力***安全运行实际需求；②在电力交易过程中仍然存在节点的诚信度问题，而目前的研究中缺少规范节点交易行为的监督机制，这可能导致节点受到利益驱使，从而出现违反合约以及恶意共识等行为。
发明内容
针对现有技术中交易***安全性较差的问题，本发明提供了基于多链式区块链架构的电力交易方法，为了兼顾***安全约束与节点诚信保障的双重特性，构建了多链式区块链架构用于提供不同的功能，有效保障产消用户节点间交易的安全高效性。
以下是本发明的技术方案。
基于多链式区块链架构的电力交易方法，包括以下步骤：
预先构建多链式区块链架构，多个区块链之间通过若干共有节点耦合，并设置交易目标函数和约束条件；
产生交易需求时，各节点根据预设的交易目标函数和约束条件以签订智能合约的方式进行交易，并根据基于诚信值的记账权共识算法竞争记账权，交易过程中由共有节点对不同区块链之间的信息进行跨链处理。
本发明采用多链式区块链，不同的区块链可以配置不同的处理模式，实现不同的功能，通过共有节点耦合，使得与交易相关的各类信息可以选择性地在多链式架构中分享和验证，提高安全性；通过基于诚信值的记账权共识算法竞争记账权，可以引导节点用户遵守智能合约，提高诚信节点的优先级，避免恶意行为的出现，提高交易效率和质量。
作为优选，所述预先构建多链式区块链架构，包括：构建交易链、监督链、信息链和电能链，其中设置调度中心节点作为交易链、监督链和电能链的共有节点，设置交易中心节点作为交易链、信息链和监督链的共有节点，其余节点为产消用户。
作为优选，所述交易目标函数，包括：
Figure BDA0003564828220000021
式中St表示售电用户在t时刻总体收益函数；ΩA表示售电方的集合；
Figure BDA0003564828220000022
表示售电用户m在t时刻的出售电量单价；
Figure BDA0003564828220000023
表示售电用户m在t时刻的出售电量；
Figure BDA0003564828220000024
表示相对于出售电量的成本函数，表示为：
Figure BDA0003564828220000025
式中a、b、c分别表示对应电量
Figure BDA0003564828220000026
的成本系数；
在售电方和购电方存在电量平衡，表示为：
Figure BDA0003564828220000027
式中ΩB表示购电方的集合；
Figure BDA0003564828220000031
表示第n个购电方在t时段的需求电量；
售电方可以选择的售电量范围为：
Figure BDA0003564828220000032
式中
Figure BDA0003564828220000033
分别表示第m个售电方在t时段可出售电量的上下限。
作为优选，所述约束条件，包括：
微电网中点对点交易的平衡约束为：
Figure BDA0003564828220000034
式中：ΔPi为售电节点i的调整量；ΔLj为购电节点j的调整量；{GP}为所有点对点交易的售电集合；{LP}为所有点对点交易的购电集合；
考虑热稳定和动稳定的线路潮流约束：
Figure BDA0003564828220000035
式中：Pl,max为支路l的潮流限制，取热稳定和动稳定约束中值小者；Pl,0为支路l的初始潮流；ΔPl为支路l的潮流变化量；{L}为所有线路集合；
考虑动稳定的联络线割集潮流约束：
Figure BDA0003564828220000036
式中：PC,max为割集C的潮流限制，取为动稳定约束；
Figure BDA0003564828220000037
为割集C的初始潮流和；
Figure BDA0003564828220000038
为割集C的潮流变化量；{Ccut}为所有联络线割集集合。
作为优选，所述诚信值以智能合约的完成情况作为计算依据，计算过程包括：
设
Figure BDA0003564828220000039
表示产消用户j在t时段内为售电用户，
Figure BDA00035648282200000310
表示产消用户j在t时段内为购电用户，由于产消用户j不能同时处于售电和购电两种状态，所以产消用户的状态约束可以表示为：
Figure BDA00035648282200000311
产消用户节点诚信值的计算标准为：
Figure BDA0003564828220000041
式中：
Figure BDA0003564828220000042
表示产消用户j的t时段前的诚信值；Qij表示产消用户j和产消用户i在智能合约中成交的电量；
Figure BDA0003564828220000043
表示产消用户j处于售电状态时所产生的实际电量；
Figure BDA0003564828220000044
表示产消用户j处于购电状态时所消耗的实际电量。
作为优选，所述多链式区块链架构中，各节点之间通过基于多中心化联盟链的共识机制进行信用积分计算和权限分级，包括：
节点的信用积分变更方式：
Figure BDA0003564828220000045
式中：Rj为节点的累计信用积分；α为共识诚信所占的权重；β为交易诚信所占的权重；sj为节点共识贡献值，当节点在t时段完成有效共识，那么sj的值为1，否则为0；
Figure BDA0003564828220000046
为节点交易诚信值进行效益型标准化后的数值，具体计算方法为：
Figure BDA0003564828220000047
式中：
Figure BDA0003564828220000048
分别代表在t时段的所有节点中交易诚信值的最大和最小值；
基于上述节点信用积分变更方式将节点划分为三个等级：一级节点为联盟链上的权威节点；二级节点为验证节点；三级节点为普通节点；在***构建的初始阶段，取排名前30％的机构为一级节点，轮流负责用自己的私钥签名来创建并广播区块；剩余节点为二级节点，轮流检查已签名的区块是否合法；进入运行阶段后，新加入的节点默认为三级节点，不具备创建区块和验证区块的权利；所有节点都有共享数据的权利；各节点的运行结果根据预设条件进行加分或减分，当信用积分跨越预设的权限分级界线时自动调整分级。
作为优选，所述基于诚信值的记账权共识算法，包括：
Figure BDA0003564828220000049
式中：H为哈希函数；Dj为产消用户j的根哈希值；Kj表示产消用户j计算的随机数；Cj表示产消用户j的诚信值；Ndiffer表示计算难度系数；节点的诚信值与节点获取记账权的概率成正相关，诚信值越大的节点越容易获取记账权利；
竞争记账权时，产消用户j打包这段时隙内所有的交易数据，并将其递归哈希得到根哈希值Dj，产消用户j进行大量穷举，基于上式找到Kj，将Kj打包进区块中，同时向网络中其他产消用户广播，其他产消用户收到相应的区块后根据上式中对应的Cj对区块进行验证，如验证通过则将对应区块添加到微电网信息链上，产消用户j得到记账奖励，否则删除该区块。
作为优选，所述信息链采用去中心化的公有链，用于为想要参与微电网电力零售交易的产消用户节点进行注册登记；所述电能链采用中心化的私有链，调度中心节点作为中心节点负责生成新区块，其他节点不具有更改新区块中信息的权利，电能链上各个区块用于存储***的物理信息；所述交易链作为主链，采用多中心化的联盟链，只存储节点的交易信息，依靠交易中心节点和调度中心节点与其它三个侧链的信息耦合；所述监督链采用多中心化的联盟链，用于评定产消用户交易行为的诚信值，各个区块用于存储交易节点的诚信值信息。
作为优选，所述注册登记的过程包括：信息链根据用户的身份信息，产生一对密钥Pa和Pb，当用户是产消用户时，用户需提供分布式发电装置的信息，在此基础上，信息链会生成分布式发电装置的公钥和私钥，区块链***会根据产消用户对应的公钥，完成节点身份的可靠验证，***会根据节点的公钥与用户信息生成数字证书，网络内活跃节点将网络内信息收集打包并形成新区块，新区块经其他节点验证通过后被写入到区块链中。
作为优选，所述跨链处理，包括：
交易链与电能链的跨链处理：调度中心节点在交易链的记账权节点产生交易新区块后，获取待校核的实时市场交易记录，并在安全校核通过后发布到电能链上；电能链上其它节点进行验证，验证通过后，由调度中心节点将所形成的交易调整量信息ΔM发布至交易链，由初始记账权节点验证调整方案的有效性，验证通过后，将初始交易方案更新再进行全网发布；
交易链与信息链的跨链处理：交易中心节点将信息链上的区块信息发布至交易链上，为下一时段节点间交易电量的预测提供参考；
交易链与监督链的跨链处理：交易中心节点将安全校核调整后的交易结算信息发布至监督链上，监督链上节点选择性计算交易节点的诚信值，之后借助共识机制达成全网共识并形成新区块写入到监督链***中，交易节点获取区块信息发布至交易链上，该诚信值信息作为下次交易优先推选的评定指标。
本发明的多链式区块链结构具有如下特点：
点对点交易的多中心化交易链的设计。利用微电网内部产消用户收益最大为目标函数，建立交易优化模型，实现在满足产消节点电能需求的同时，尽量减少产消用户与大电网交易的几率。交易链采用多中心化的联盟链，节点的准入机制取决于节点在信息链上的基本信息以及历史诚信值，这使得产消用户间的交易更加安全且高效的运行。交易链上所有节点通过改进的权益证明共识算法(proof of authority,PoA)达成共识。
网络安全校核的中心化电能链设计。电能链的中心节点为调度节点，调度节点作为交易的第三方，不涉及经济利益问题。同时，调度中心的校核信息会发布到私有链上由其它节点进行验证，保障校核信息的可靠性。因此，设立该节点作为私有链的中心节点，不仅可以保证电能安全校核的高效性，而且避免了单节点校核所产生的不透明性和不公开性。
约束产消用户行为的多中心化监督链的设计。在监督链***中，交易中心节点作为耦合交易链和监督链的节点，将交易链的最终结算信息发布到监督链网络中，网络中活跃的节点可以申请计算本交易周期内节点的诚信值。在此基础上，依据改进PoA共识算法在全网达成共识。最终被验证通过的节点诚信值将被写入到区块链上，作为下次交易的优先参考依据。
基于去中心化的信息链的设计。信息链上每个节点都带有一条完整的区块信息，存储产消者地址、自身发用电情况以及日负荷曲线等信息。由于信息链上节点数量庞大，种类繁多，因此，采用公有链可以保障用户节点信息的公开透明性。所有信息链上的节点通过基于诚信值的共识机制相互竞争产生记账权节点，该诚信值依靠交易中心节点实现监督链与信息链间的耦合。同时，信息链所有节点的用户信息都可以进行追溯，且不可人为篡改，可实现交易电量的自行决策与自我管理。
本发明的实质性效果包括：利用多链式区块链可以将交易信息分链存储的特性，建立以交易链为中心链，电能链、信息链和监督链为辅助链的多链式区块链架构；结合多链式区块链架构兼顾经济、安全与监督属性的作用，达到提高交易性能和安全性的目的；通过将权威证明共识机制进行改进，使得联盟链内部节点间的共识效率大大提高；使节点间交易的可靠性和高效性得到保障；在对交易进行网络安全校核的同时，约束产消用户节点的交易以及共识行为，为解决基于单链式区块链架构的电力交易方法性能低下等问题提供决策支持和理论支撑。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图；
图2是本发明实施例的多链式区块链架构图；
图3是本发明实施例的电能链与交易链耦合运行图；
图4是本发明实施例的节点竞争记账权流程图；
图5是本发明实施例的产消用户设备电气接线拓扑示意图；
图6是本发明实施例的安全校核前产消用户间的交易结果图；
图7是本发明实施例的安全校核后产消用户间的交易结果图；
图8是本发明实施例的100次业务后产消用户节点诚信值变化图；
图9是本发明实施例的基于诚信值的产消用户间节点交易情况图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
实施例：
基于多链式区块链架构的电力交易方法，包括如图1所示的以下步骤：
预先构建多链式区块链架构，多个区块链之间通过若干共有节点耦合，并设置交易目标函数和约束条件；
产生交易需求时，各节点根据预设的交易目标函数和约束条件以签订智能合约的方式进行交易，并根据基于诚信值的记账权共识算法竞争记账权，交易过程中由共有节点对不同区块链之间的信息进行跨链处理。
其中，预先构建多链式区块链架构如图2所示，包括：构建交易链、监督链、信息链和电能链，其中设置调度中心节点作为交易链、监督链和电能链的共有节点，设置交易中心节点作为交易链、信息链和监督链的共有节点，其余节点为产消用户。
信息链采用去中心化的公有链，用于为想要参与微电网电力零售交易的产消用户节点进行注册登记；电能链采用中心化的私有链，调度中心节点作为中心节点负责生成新区块，其他节点不具有更改新区块中信息的权利，电能链上各个区块用于存储***的物理信息；交易链作为主链，采用多中心化的联盟链，只存储节点的交易信息，依靠交易中心节点和调度中心节点与其它三个侧链的信息耦合；监督链采用多中心化的联盟链，用于评定产消用户交易行为的诚信值，各个区块用于存储交易节点的诚信值信息。
对比现有的单链式区块链，本实施例所提出的多链式区块链结构具有如下特点：交易信息、用户信息、物理信息以及监督信息分开部署，交易链分别和信息链、电能链、监督链耦合且独立的运行。现有的单链式区块链上不仅需要存储交易信息，同时为了满足物理约束，还要包含电能输送信息，造成区块链容量剧增，性能下降等问题。另外，单链式区块链缺乏监督信息，无法实现对产消用户交易行为的有效约束。本实施例所提出的多链式区块链***中，交易链作为主链依靠交易中心节点和调度中心，实现与其它三个侧链的信息耦合。交易链采用多中心化的联盟链，只存储节点的交易信息，实现产消用户节点间交易方案的高效存储和实施；电能链采用中心化的私有链，调度中心作为中心节点负责生成新区块，其他节点不具有更改新区块中信息的权利。电能链上各个区块存储***的物理信息，实现交易方案的快速且安全的校核；监督链采用多中心化的联盟链，各个区块存储交易节点的诚信值信息，实现对产消用户交易行为的有效评定；信息链采用去中心化的公有链，产消用户节点想要参与微电网的电力零售交易，必须要在该链注册登记。产消用户将自身发电功率以及负荷功率等信息录入***中，有效避免交易节点恶意篡改信息的行为。
本发明的多链式区块链结构具有如下特点：
点对点交易的多中心化交易链的设计。利用微电网内部产消用户收益最大为目标函数，建立交易优化模型，实现在满足产消节点电能需求的同时，尽量减少产消用户与大电网交易的几率。交易链采用多中心化的联盟链，节点的准入机制取决于节点在信息链上的基本信息以及历史诚信值，这使得产消用户间的交易更加安全且高效的运行。交易链上所有节点通过改进的权益证明共识算法(proof of authority,PoA)达成共识。
网络安全校核的中心化电能链设计。电能链的中心节点为调度节点，调度节点作为交易的第三方，不涉及经济利益问题。同时，调度中心的校核信息会发布到私有链上由其它节点进行验证，保障校核信息的可靠性。因此，设立该节点作为私有链的中心节点，不仅可以保证电能安全校核的高效性，而且避免了单节点校核所产生的不透明性和不公开性。
约束产消用户行为的多中心化监督链的设计。在监督链***中，交易中心节点作为耦合交易链和监督链的节点，将交易链的最终结算信息发布到监督链网络中，网络中活跃的节点可以申请计算本交易周期内节点的诚信值。在此基础上，依据改进PoA共识算法在全网达成共识。最终被验证通过的节点诚信值将被写入到区块链上，作为下次交易的优先参考依据。
基于去中心化的信息链的设计。信息链上每个节点都带有一条完整的区块信息，存储产消者地址、自身发用电情况以及日负荷曲线等信息。由于信息链上节点数量庞大，种类繁多，因此，采用公有链可以保障用户节点信息的公开透明性。所有信息链上的节点通过基于诚信值的共识机制相互竞争产生记账权节点，该诚信值依靠交易中心节点实现监督链与信息链间的耦合。同时，信息链所有节点的用户信息都可以进行追溯，且不可人为篡改，可实现交易电量的自行决策与自我管理。
本实施例的交易链与电能链的耦合运行机制如图3所示：交易链上调度中心节点在记账权节点产生交易新区块后，获取待校核的实时市场交易记录，发布到电能链上。调度中心节点对交易初始方案进行安全校核后，由电能链上其它节点进行验证。验证通过后，由调度中心节点将所形成的交易调整量信息ΔM发布至交易链。由初始记账权节点验证调整方案的有效性。验证通过后，将初始交易方案更新再进行全网发布。
本实施例的交易链与信息链的耦合运行机制：交易链和信息链依靠交易中心实现耦合，交易中心负责将信息链上的区块信息发布至交易链上，为下一时段节点间交易电量的预测提供参考。
本实施例的交易链与监督链的耦合运行机制：交易链上的交易中心节点将安全校核调整后的交易结算信息发布至监督链上。监督链上，活跃节点可以申请计算交易节点的诚信值，之后借助改进的PoA共识机制达成全网共识并形成新区块写入到监督链***中。交易节点获取区块信息发布至交易链上，该诚信值信息作为下次交易优先推选的评定指标。
跨链的过程中，需要校核耦合节点所递交的区块头信息，包括公私钥技术加密的数字签名和merkle树根。数字签名可保证数据来源的合法性，merkle树根用于验证交易内容的完整性，有效保证跨链过程中数据源的真实性。
在微电网内部，每个产消用户根据智能电表采集的分布式电源的发电功率以及自身的用电功率，对该时段可交易电量进行定量预测。同时，以产消用户的经济收益最大为目标，优化决策各自的购电或售电功率，微电网内部缺电或者余电部分将由外网收购。在多边交易中，购电方和售电方需要发起买/卖偏差电量交易需求，以消除实际发用电量与计划值的偏差。当处于卖方市场环境下，交易目标函数是售电用户总体获益最高。当处于买方市场环境下，交易目标为要求购电用户购买电价最低。本实施例以卖方市场为例，交易的目标函数如下：
Figure BDA0003564828220000101
式中St表示售电用户在t时刻总体收益函数；ΩA表示售电方的集合；
Figure BDA0003564828220000102
表示售电用户m在t时刻的出售电量单价；
Figure BDA0003564828220000103
表示售电用户m在t时刻的出售电量；
Figure BDA0003564828220000104
表示相对于出售电量的成本函数，具体表示为：
Figure BDA0003564828220000105
式中a、b、c分别表示对应电量
Figure BDA0003564828220000106
的成本系数。
在售电方和购电方存在电量平衡，可表示为：
Figure BDA0003564828220000107
式中ΩB表示购电方的集合；
Figure BDA0003564828220000108
表示第n个购电方在t时段的需求电量。
售电方可以选择的售电量范围为：
Figure BDA0003564828220000109
式中
Figure BDA00035648282200001010
分别表示第m个售电方在t时段可出售电量的上下限。
交易链选取多中心化的联盟链，所有节点区块存储点对点交易所在配电***的交易信息。交易中心节点作为监督节点，将联盟链上产消用户的交易信息发布至监督链，监督链中活跃节点申请计算产消用户节点的诚信值，并向所有监督链发布。由于，权威证明共识机制(proof of authority,PoA)生成区块更快，可扩展能力强。
电能链是在微电网中自建的私有区块链，该链仅为区域内的同一电压级的产消用户提供服务。基于多中心化的交易链，所有产消者市场达成的交易方案在具体实施之前，必须通过网络安全校核，满足电力***的安全约束。因此，设计交易链与电能链的耦合运行方式，提出基于中心化电能链网络安全校核方法，实现对交易成交方案D的公平校核和合理调整。
电能链选取中心化的私有链，所有节点区块存储点对点交易所在配电***的物理数据，如交易电量、能源类型等。调度中心作为私有链网络中的中心节点，负责实施节点电能安全性分析，并生成最终区块，电能链中其他节点只拥有监督区块信息准确性的功能。这不仅可以提高电能安全校核的效率而且保障电能安全校核的公平性。
电能安全校核分为非自由态和自由态2个方面，本实施例重点考虑线路传输功率平衡约束的非自由态安全校核，而自由态安全校核则反映在线路潮流约束和联络线割集潮流约束上。
微电网中点对点交易的平衡约束为：
Figure BDA0003564828220000111
式中：ΔPi为点对点交易调整量(售电节点i的调整量)；ΔLj为点对点交易调整量(购电节点j的调整量)；{GP}为所有点对点交易的售电集合；{LP}为所有点对点交易的购电集合。
考虑热稳定和动稳定的线路潮流约束：
Figure BDA0003564828220000112
式中：Pl,max为支路l的潮流限制，可以取热稳定和动稳定约束中值小者；Pl,0为支路l的初始潮流；ΔPl为支路l的潮流变化量；{L}为所有线路集合。
考虑动稳定的联络线割集潮流约束：
Figure BDA0003564828220000113
式中：PC,max为割集C的潮流限制，可取为动稳定约束；
Figure BDA0003564828220000114
为割集C的初始潮流和；
Figure BDA0003564828220000115
为割集C的潮流变化量；{Ccut}为所有联络线割集集合。
在实际基于区块链的市场交易过程中，交易链上的产消者经过动态博弈后，达到纳什均衡，得到最终交易方案，之后利用与之耦合的电能链，完成节点交易电量的安全性校核，形成区块调整信息。
基于多中心化的监督链，交易中心在交易结算后，将交易信息发布到监督链上。监督链上所有节点对交易链节点的诚信值进行计算并达成共识，在此基础上，交易中心将诚信值由大到小进行排序并将节点诚信值发布到交易链。诚信值越高的节点在下一周期的交易中越具有优先推荐权。因此，本实施例所设计的交易链与监督链的耦合运行方式，有效实现了交易链与监督链信息的互通。
监督链选取多中心化的联盟链，所有节点区块存储点对点交易的结算信息，以便验证和计算交易节点的诚信值。交易中心节点(配电***以外的第三方盈利企业)和产消者都可以作为监督链节点。监督链节点由全体产消用户节点投票选出，并根据历史累计诚信值综合拟定。监督链节点群体确认后，由***内活跃节点申请执行交易节点诚信值的计算。
电力交易过程中，交易双方会出现违约问题。售电方的实际发电量与成交电量不对等，导致购电方需要以高于微电网内部电力零售电价去购买外网电量，这不仅损害了购电方的经济利益而且不利于发挥分布式光伏发电的环保效益优势；而购电方在签订智能合约后，其所用电量超过约定值，将会导致售电方利益受损。同时，作为购电方没有节省用电这一行为缺乏环保意识。因此，本实施例以智能合约的完成情况作为产消用户诚信值的计算依据，计算方法如下所示：
假设
Figure BDA0003564828220000121
表示产消用户j在t时段内为售电用户，
Figure BDA0003564828220000122
表示产消用户j在t时段内为购电用户。由于产消用户j不能同时处于售电和购电两种状态，所以产消用户的状态约束可以表示为：
Figure BDA0003564828220000123
结合上述产消者的状态约束，可以得到产消用户节点诚信值的计算标准为：
Figure BDA0003564828220000124
式中：
Figure BDA0003564828220000125
表示产消用户j的t时段前的诚信值；Qij表示产消用户j和产消用户i在智能合约中成交的电量；
Figure BDA0003564828220000126
表示产消用户j处于售电状态时所产生的实际电量；
Figure BDA0003564828220000127
表示产消用户j处于购电状态时所消耗的实际电量。
当产消用户想要参与微电网内部电力零售交易时，需要对其身份信息进行必要的登记注册。由于产消用户数量庞大，信息的实时性较强，信息密度也更高。因此，信息链采取去中心化的公有链构建方式，使得产消用户的基本信息公开透明且更具有可验证性。信息链中所有节点均可自行选择是否参与记账权竞争，无需预先设定。交易中心等拥有服务器集群的大型节点具备最高的算力及存储能力，一般作为全节点运行，负责输出算力等各类工作。而产消用户大多数为轻型节点，仅参与校核等工作。另外交易中心具有特殊性，既需要参与信息链的构成，又需要与交易链的产消用户和调度中心构成交易链。信息链不仅具有收集和整理电力交易用户基本信息的功用，而且还可以防止信息被恶意篡改，使得信息链上的数据信息成为交易方案的可靠参考依据。
信息链根据用户的身份信息，产生一对密钥Pa和Pb，当用户是产消者时，用户需提供分布式发电装置的信息。在此基础上，信息链会生成分布式发电装置的公钥和私钥，区块链***会根据产消用户对应的公钥，完成节点身份的可靠验证。***会根据节点的公钥与用户信息生成数字证书，网络内活跃节点将网络内信息收集打包并形成新区块，新区块经其他节点验证通过后被写入到区块链中。
数字证书的引入是为了更好的对加入***的用户进行管理，当数字证书被写入到区块链***后，用户会与信息链签署一份智能合约，该智能合约的目的就是保障各用户的权益。当某些用户在交易链中进行恶意交易时，该用户节点的数字证书状态会被扣分。当该用户被扣除一定分数后，智能合约会根据合约内容，与相关用户解除合约并废除信息链中该用户的数字证书，导致该用户无法进行电能交易。
在传统的PoA共识算法中，需要事先指定一组授权节点，这些授权节点拥有联盟链的记账权限。因此，不需要依靠算力来竞争记账权，有效减少了资源浪费并提高了区块的生成速度。但是，考虑到***中可能存在恶意节点或者节点间的交易缺乏诚信度等问题。本实施例将PoA共识算法中的授权节点选取方式进行改进，引入信用积分和分级机制，使得改进的PoA共识算法不仅保留原有优势而且使节点的交易和共识行为得到有效监督。
本实施例采用信用积分代表节点在微电网中的公信度，按照其共识工作表现和历史交易诚信度来增加或减少产消用户节点的信用积分。在此基础上，通过分级机制实现对节点权限的控制，从而充分调动各节点主动参与管理联盟链的积极性，保证***安全高效地运行。节点的信用积分变更方式如下所示。
Figure BDA0003564828220000131
式中：Rj为节点的累计信用积分；α为共识诚信所占的权重；β为交易诚信所占的权重；sj为节点共识贡献值，当节点在t时段完成有效共识，那么sj的值为1，否则为0；
Figure BDA0003564828220000132
为节点交易诚信值进行效益型标准化后的数值，具体计算方法为：
Figure BDA0003564828220000133
式中：
Figure BDA0003564828220000134
分别代表在t时段的所有节点中交易诚信值的最大和最小值。
基于上述节点信用积分变更方式将节点划分为三个等级：一级节点可成为联盟链上的权威节点；二级节点为验证节点；三级节点为普通节点。
在***构建的初始阶段，取排名前30％的机构为一级节点，轮流负责用自己的私钥签名来创建并广播区块。剩余节点为二级节点，轮流检查已签名的区块是否合法。进入运行阶段后，新加入的节点默认为三级节点，不具备创建区块和验证区块的权利。所有节点都有共享数据的权利。三级节点加入后在完成区块链上的数据同步并正常运行三个月的情况下成为二级节点。一级节点签署创建一个合法区块会增加一定的信用积分，创建一个无效或虚假区块就会被扣除信用积分，当积分低于设定的阈值就会被降为二级，其位置由二级节点中积分最高的节点填补。同样，二级节点验证一个有效区块会增加信用积分，审计失误或者故意作弊也会被扣除信用积分，积分低于阈值降为三级。各级节点共享数据行为均不加分。
在本实施例所提出的多链式区块链***中，交易链和监督链被设计为联盟链形式。因此，采用改进的PoA算法作为这两个链的共识机制，不仅可以保证高效共识而且能够约束产消用户节点的交易行为。
为了实现以诚信值影响节点经济效益的目的，本实施例提出基于诚信值的记账权共识算法：
Figure BDA0003564828220000141
式中：H为哈希函数；Dj为产消用户j的根哈希值；Kj表示产消用户j计算的随机数；Cj表示产消用户j的诚信值；Ndiffer表示计算难度系数。
从上式可以看出，节点的诚信值与节点获取记账权的概率成正相关，诚信值越大的节点越容易获取记账权利。由此，该共识算法可以形成良性循环，使得产消用户节点有意愿遵守智能合约，使自身利益最大化，同时，借助交易中心节点在监督链与信息链间进行信息传递实现两链的相互耦合。产消用户竞争记账权的规定流程如图4所示。
考虑到节点的诚信值是评定节点智能合约完成情况的标志，因此，本实施例所提出的产消用户节点间的交易方法不仅考虑到安全校核问题，而且有效保证诚信值最高的节点拥有优先交易权。具体的交易算法如下表1所示。
表1基于网络安全校核和诚信值的交易算法
Figure BDA0003564828220000142
Figure BDA0003564828220000151
本实施例的方法及***的实际效果：
为了验证本实施例所提基于多链式区块链的电力交易方法的可行性，利用solidity语言编写智能合约，使用JavaScript、metamask插件、atom、以太坊平台以及web3.js开发微电网交易平台。假设某次参与电力交易的用户编号为0到5号，这些用户设备的电气接线情况如图5所示。仿真交易场景包括5个产消用户以及1个大电网，这六个用户均对应一个交易链节点。电能链节点数设为3，其中调度中心节点作为电能链与交易链的耦合节点，其余2个节点由产消用户1和产消用户2担任。监督链节点数设为2，其中交易中心节点作为监督链的中心节点，剩下的一个节点由调度中心节点担任。信息链节点数与交易链节点数相同，且由同类用户组成。产消者向电网公司售电的价格为0.5元/(kW·h)，向电网公司购电的价格为1.0元/(kW·h)。假定共识诚信所占权重为0.4，交易诚信所占权重为0.6。
在每个时段产消用户会根据自身发电量和用电量向区块链***发出状态信息。假设某个时段有三个产消用户处于缺电状态(后面简称为购电用户)，剩下用户在该时段处于售电状态(以下统称为售电用户)。由于以太坊等主流区块链地址为42位，因此，本实施例采用简化后的8位地址描述，如产消用户1地址为0xx00x01，电网公司地址为0xx00x00。产消者在交易开始前的初始报价信息如表2所示。
表2产消用户节点初始报价
产消用户 产消用户地址 初始报价/(元·(kW·h)<sup>-1</sup>) 需求功率/kW
1 0xx00x01 0.74 30
2 0xx00x02 0.75 110
3 0xx00x03 0.77 -80
4 0xx00x04 0.79 -40
5 0xx00x05 0.72 60
图6和图7分别展示了经过电能链校核前和校核后的产消用户间的交易方案。从图中可以看出经过电能链的安全校核之后，产消用户2共裁剪了18.5kW功率，按比例分配，裁剪与产消者3的交易功率3.5kW、与产消者4的交易功率6.2kW、与大电网的交易功率8.8。然而，产消用户2与电网公司间的功率裁剪无法满足机组自由约束，安全校核无法通过，造成点对点交易失败。
此时，调度中心节点给出产消用户2的点对点交易范围即该节点购买的功率不得大于87.5kW。在此基础上，产消者2经过重新优化决策后，达成新的交易方案。从图6和图7的对比偏差可以看出，大电网与产消者间的交易功率降低了18.5kW。由此可以得出，经过安全校核后的新交易方案满足自由和非自由约束，无需再对交易功率进行裁剪，点对点交易顺利完成。
若节点的行为模式不发生变化，***中所有节点参与大约100次交易后，节点的诚信值将逐渐稳定。因此，本文基于节点诚信值的评定方法对随机生成的100次业务进行仿真，可以得到图8的网络节点诚信值变化情况。从图中可以明显看出有些节点拥有更高的诚信值，说明该节点拥有更高的交易诚信度和共识诚信度。按照算法机制的设计，产消用户的交易优先权取决于该节点诚信值的大小。
基于此诚信值对这些节点的交易进行仿真，节点的诚信值最高的节点拥有优先交易选择权。因此，各个节点的交易量成交额如图9所示，其中节点6代表大电网。结合节点的诚信值变化图可以看出，节点2的诚信值为0.7，在所有节点中的诚信值最低，不具备交易优先选择权。该节点在本轮交易周期结束后会有部分需求没发满足，只能以高于微电网内部电力零售电价与大电网进行交易，完成偏差电量的平衡。
综上所述，本实施例所提出的基于多链式区块链***的电力交易方法不仅可以实现交易的网络安全校核而且有效约束节点的交易行为，使得节点间的交易过程更加安全高效。
在多链式区块链***中，交易数据、物理数据、节点诚信值计算数据、节点身份信息数据分链部署，交易链每秒可处理交易数量为12笔，而单链式区块链每秒处理的交易数量为6笔。单链式区块链上的区块确认时间包括节点身份登记信息、交易信息和校核调整信息的确认过程，总确认时间为29.64s。多链式区块链中交易信息的确认在交易链中进行，确认时间为10.32s；校核调整信息的确认在电能链中进行，由于电能链采用私有链且节点数目较少，因此，确认时间较短为3.47s；节点身份信息的确认在信息链中进行，由于只包含登陆信息等数据，因此，确认时间为3.14s；监督链起到监督节点交易行为的作用，虽然增加了区块确认平均时间，但是也有效保障交易的可靠实施。因此，节点的诚信值计算信息的确认在监督链中进行，由于包含节点数目较少，确认时间短，为2.35s。多链式区块链总的确认时间短于单链式区块链。由此可见，在点对点交易场景下，多链式区块链***具有更高的交易处理效率和性能。
本实施例利用多链式区块链***可以将交易信息分链存储的特性，建立以交易链为中心链，电能链、信息链和监督链为辅助链的多链式区块链架构。结合多链式区块链架构兼顾经济、安全与监督属性的作用，构建产消用户节点间的交易优化模型，达到提高交易性能和安全性的目的。通过将权威证明共识机制进行改进，使得联盟链内部节点间的共识效率大大提高。在此基础上，提出基于多链式区块链架构的电力交易方法，使节点间交易的可靠性和高效性得到保障。算例分析表明，本实施例所提出的基于多链式区块链架构的电力交易方法能够保障交易的安全性和高效性，在对交易进行网络安全校核的同时，约束产消用户节点的交易以及共识行为。
通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，包括以下步骤：
预先构建多链式区块链架构，多个区块链之间通过若干共有节点耦合，并设置交易目标函数和约束条件；
产生交易需求时，各节点根据预设的交易目标函数和约束条件以签订智能合约的方式进行交易，并根据基于诚信值的记账权共识算法竞争记账权，交易过程中由共有节点对不同区块链之间的信息进行跨链处理。
2.根据权利要求1所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述预先构建多链式区块链架构，包括：构建交易链、监督链、信息链和电能链，其中设置调度中心节点作为交易链、监督链和电能链的共有节点，设置交易中心节点作为交易链、信息链和监督链的共有节点，其余节点为产消用户。
3.根据权利要求1或2所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述交易目标函数，包括：
Figure FDA0003564828210000011
式中St表示售电用户在t时刻总体收益函数；ΩA表示售电方的集合；
Figure FDA0003564828210000012
表示售电用户m在t时刻的出售电量单价；
Figure FDA0003564828210000013
表示售电用户m在t时刻的出售电量；
Figure FDA0003564828210000014
表示相对于出售电量的成本函数，表示为：
Figure FDA0003564828210000015
式中a、b、c分别表示对应电量
Figure FDA0003564828210000016
的成本系数；
在售电方和购电方存在电量平衡，表示为：
Figure FDA0003564828210000017
式中ΩB表示购电方的集合；
Figure FDA0003564828210000018
表示第n个购电方在t时段的需求电量；
售电方可以选择的售电量范围为：
Figure FDA0003564828210000019
式中
Figure FDA00035648282100000110
分别表示第m个售电方在t时段可出售电量的上下限。
4.根据权利要求3所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述约束条件，包括：
微电网中点对点交易的平衡约束为：
Figure FDA0003564828210000021
式中：ΔPi为售电节点i的调整量；ΔLj为购电节点j的调整量；{GP}为所有点对点交易的售电集合；{LP}为所有点对点交易的购电集合；
考虑热稳定和动稳定的线路潮流约束：
Figure FDA0003564828210000022
式中：Pl,max为支路l的潮流限制，取热稳定和动稳定约束中值小者；Pl,0为支路l的初始潮流；ΔPl为支路l的潮流变化量；{L}为所有线路集合；
考虑动稳定的联络线割集潮流约束：
Figure FDA0003564828210000023
式中：PC,max为割集C的潮流限制，取为动稳定约束；
Figure FDA0003564828210000024
为割集C的初始潮流和；
Figure FDA0003564828210000025
为割集C的潮流变化量；{Ccut}为所有联络线割集集合。
5.根据权利要求4所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述诚信值以智能合约的完成情况作为计算依据，计算过程包括：
设
Figure FDA0003564828210000026
表示产消用户j在t时段内为售电用户，
Figure FDA0003564828210000027
表示产消用户j在t时段内为购电用户，由于产消用户j不能同时处于售电和购电两种状态，所以产消用户的状态约束可以表示为：
Figure FDA0003564828210000028
产消用户节点诚信值的计算标准为：
Figure FDA0003564828210000029
式中：
Figure FDA00035648282100000210
表示产消用户j的t时段前的诚信值；Qij表示产消用户j和产消用户i在智能合约中成交的电量；
Figure FDA0003564828210000031
表示产消用户j处于售电状态时所产生的实际电量；
Figure FDA0003564828210000032
表示产消用户j处于购电状态时所消耗的实际电量。
6.根据权利要求5所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述多链式区块链架构中，各节点之间通过基于多中心化联盟链的共识机制进行信用积分计算和权限分级，包括：
节点的信用积分变更方式：
Figure FDA0003564828210000033
式中：Rj为节点的累计信用积分；α为共识诚信所占的权重；β为交易诚信所占的权重；sj为节点共识贡献值，当节点在t时段完成有效共识，那么sj的值为1，否则为0；
Figure FDA0003564828210000034
为节点交易诚信值进行效益型标准化后的数值，具体计算方法为：
Figure FDA0003564828210000035
式中：
Figure FDA0003564828210000036
分别代表在t时段的所有节点中交易诚信值的最大和最小值；
基于上述节点信用积分变更方式将节点划分为三个等级：一级节点为联盟链上的权威节点；二级节点为验证节点；三级节点为普通节点；在***构建的初始阶段，取排名前30％的机构为一级节点，轮流负责用自己的私钥签名来创建并广播区块；剩余节点为二级节点，轮流检查已签名的区块是否合法；进入运行阶段后，新加入的节点默认为三级节点，不具备创建区块和验证区块的权利；所有节点都有共享数据的权利；各节点的运行结果根据预设条件进行加分或减分，当信用积分跨越预设的权限分级界线时自动调整分级。
7.根据权利要求2所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述基于诚信值的记账权共识算法，包括：
Figure FDA0003564828210000037
式中：H为哈希函数；Dj为产消用户j的根哈希值；Kj表示产消用户j计算的随机数；Cj表示产消用户j的诚信值；Ndiffer表示计算难度系数；节点的诚信值与节点获取记账权的概率成正相关，诚信值越大的节点越容易获取记账权利；
竞争记账权时，产消用户j打包这段时隙内所有的交易数据，并将其递归哈希得到根哈希值Dj，产消用户j进行大量穷举，基于上式找到Kj，将Kj打包进区块中，同时向网络中其他产消用户广播，其他产消用户收到相应的区块后根据上式中对应的Cj对区块进行验证，如验证通过则将对应区块添加到微电网信息链上，产消用户j得到记账奖励，否则删除该区块。
8.根据权利要求2所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述信息链采用去中心化的公有链，用于为想要参与微电网电力零售交易的产消用户节点进行注册登记；所述电能链采用中心化的私有链，调度中心节点作为中心节点负责生成新区块，其他节点不具有更改新区块中信息的权利，电能链上各个区块用于存储***的物理信息；所述交易链作为主链，采用多中心化的联盟链，只存储节点的交易信息，依靠交易中心节点和调度中心节点与其它三个侧链的信息耦合；所述监督链采用多中心化的联盟链，用于评定产消用户交易行为的诚信值，各个区块用于存储交易节点的诚信值信息。
9.根据权利要求8所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述注册登记的过程包括：信息链根据用户的身份信息，产生一对密钥Pa和Pb，当用户是产消用户时，用户需提供分布式发电装置的信息，在此基础上，信息链会生成分布式发电装置的公钥和私钥，区块链***会根据产消用户对应的公钥，完成节点身份的可靠验证，***会根据节点的公钥与用户信息生成数字证书，网络内活跃节点将网络内信息收集打包并形成新区块，新区块经其他节点验证通过后被写入到区块链中。
10.根据权利要求2所述的基于多链式区块链架构的电力交易方法，其特征在于，所述跨链处理，包括：
交易链与电能链的跨链处理：调度中心节点在交易链的记账权节点产生交易新区块后，获取待校核的实时市场交易记录，并在安全校核通过后发布到电能链上；电能链上其它节点进行验证，验证通过后，由调度中心节点将所形成的交易调整量信息ΔM发布至交易链，由初始记账权节点验证调整方案的有效性，验证通过后，将初始交易方案更新再进行全网发布；
交易链与信息链的跨链处理：交易中心节点将信息链上的区块信息发布至交易链上，为下一时段节点间交易电量的预测提供参考；
交易链与监督链的跨链处理：交易中心节点将安全校核调整后的交易结算信息发布至监督链上，监督链上节点选择性计算交易节点的诚信值，之后借助共识机制达成全网共识并形成新区块写入到监督链***中，交易节点获取区块信息发布至交易链上，该诚信值信息作为下次交易优先推选的评定指标。
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