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        基于主從區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)域能源交易架構(gòu)

        2021-03-05 03:52:28亭,雷
        四川電力技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域用戶模型

        楊 亭,雷 霆

        (國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司,四川 綿陽 621000)

        0 引 言

        隨著能源結(jié)構(gòu)和電力體制的改革步伐越來越快以及信息技術(shù)的快速進步,能源產(chǎn)業(yè)改革迫在眉睫[1-3],而市場化的能源交易是產(chǎn)業(yè)改革的前哨,急需轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)交易模式和交易方法來應(yīng)對能源產(chǎn)業(yè)的變革。

        現(xiàn)階段的能源交易主要以交易方法和模式為主,能源企業(yè)通過第三方服務(wù)平臺進行售電交易并管理交易過程[4]。在目前的區(qū)域能源交易中存在交易主體少、平臺維護成本高、交易效率低、安全性低等問題[5-6]。因此,需要因地制宜、以多元化主體的區(qū)域能源交易平臺解決傳統(tǒng)交易存在的效率低、安全性低等問題,擴大交易邊界,提升區(qū)域能源交易效率。

        目前區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的研究已經(jīng)取得了一定進展。在相關(guān)研究中,以分布式能源的點對點交易為主。文獻[7-10]主要從區(qū)塊鏈的去中心化的特點出發(fā),提出了點對點交易的能源結(jié)算模式。文獻[11]主要分析了區(qū)塊鏈在電力交易中的應(yīng)用,給出了區(qū)塊鏈未來的發(fā)展趨勢。文獻[12-16]給出了區(qū)塊鏈技術(shù)在傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度中的應(yīng)用,如通過用區(qū)塊鏈技術(shù)對電網(wǎng)中出力不穩(wěn)定的新能源進行優(yōu)化調(diào)度,通過區(qū)塊鏈的去中心化架構(gòu)建立虛擬電廠更好地對電能資源進行配置。文獻[17-20]給出了區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式能源交易中的應(yīng)用,如通過博弈論模型解決分布式能源問題、通過聯(lián)盟鏈技術(shù)解決分布式能源交易中的信任問題等。

        以上文獻運用的區(qū)塊鏈技術(shù)多數(shù)是在分布式交易中進行,并且運用單一類型的區(qū)塊鏈技術(shù),而隨著市場上不同主體及各種能源類型的不斷加入,單一的點對點交易模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有多方交易的現(xiàn)實。因此,下面從區(qū)域能源交易的實際出發(fā),建立主從區(qū)塊鏈模型滿足多方交易的需求,同時滿足了交易安全性的問題;接著構(gòu)建適合區(qū)域能源交易的基于主從區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)域能源交易架構(gòu)解決多方交易的問題,并通過仿真測試證明了該交易架構(gòu)和模型的可行性。

        1 區(qū)塊鏈在區(qū)域能源交易中的可行性分析

        1.1 區(qū)域能源交易主體

        在區(qū)域能源交易中,主要涉及到以下4類主體:1)源端主體,包含各類傳統(tǒng)電廠、新能源發(fā)電廠以及部分擁有分布式能源點大用戶;2)電網(wǎng)端主體,包含國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等大的電網(wǎng)公司以及地方電網(wǎng)公司;3)能源聚合商主體,主要由民營售電公司和綜合能源公司組成;4)用戶端主體,主要由區(qū)域內(nèi)的工業(yè)、商業(yè)大用戶、一般用戶和擁有微網(wǎng)系統(tǒng)的新能源用戶組成。

        1.2 主從區(qū)塊鏈在區(qū)域能源交易中的可行性分析

        目前區(qū)塊鏈的類型主要有3種:公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。它們的主要區(qū)別在于節(jié)點的開放程度上。公有鏈完全開放用戶節(jié)點,這就導(dǎo)致參與主體多的時候,運行處理速度較慢;由于挖礦機制耗能高,但完全開放程度使得其安全性最高,同時由于完全開放的用戶節(jié)點,使得所有參與主體都有通過挖礦方式獲取區(qū)塊讀寫的權(quán)限。聯(lián)盟鏈半開放用戶節(jié)點,與公有鏈相比速度較快,能耗低,但安全性比公有鏈稍低;由于對用戶節(jié)點進行了權(quán)限設(shè)定,僅有權(quán)限的節(jié)點可以獲取區(qū)塊讀寫的權(quán)限。私有鏈是不開放用戶節(jié)點,與公有鏈、聯(lián)盟鏈相比,運行處理數(shù)據(jù)速度快,反應(yīng)及時,但安全性低;同時僅不開放節(jié)點擁有區(qū)塊讀寫權(quán)限,其他節(jié)點則無法參與。區(qū)塊鏈的主要類型和特點如表1所示。

        表1 區(qū)塊鏈類型和特點

        公有鏈由于任何人都可通過挖礦方式獲取權(quán)限,因此此類區(qū)塊鏈不可逆且穩(wěn)定性高,但維護成本較大,不適合大規(guī)模的區(qū)域能源多主體交易。聯(lián)盟鏈半開放的特點適合區(qū)域電網(wǎng)中多主體需要權(quán)限控制的情況,不同主體互動時,交易的協(xié)調(diào)優(yōu)化會涉及到利益的分配,因此聯(lián)盟鏈由于其特點可支持多用戶節(jié)點間的利益分配、資金轉(zhuǎn)移、交易結(jié)算等應(yīng)用。私有鏈的特點適用與某一特定類型的交易服務(wù),把交易數(shù)據(jù)存儲在其區(qū)塊里,可供其他節(jié)點檢索提取數(shù)據(jù)。

        根據(jù)對3種區(qū)塊鏈特點的分析,考慮到區(qū)域能源交易主體的構(gòu)成,選擇聯(lián)盟鏈+私有鏈的模式進行交易平臺的構(gòu)建,以聯(lián)盟鏈為主鏈網(wǎng)絡(luò)、私有鏈為從鏈網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)建立主從區(qū)塊鏈模型。

        2 基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易架構(gòu)

        下面采用多鏈形式實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)各主體內(nèi)部的可信及協(xié)同自治,確保各主體間信息公開、可信互聯(lián),進一步保障區(qū)域能源電網(wǎng)交易應(yīng)用的可追溯性和安全高效性,深入研究區(qū)域電網(wǎng)多方交易場景與區(qū)塊鏈技術(shù)的匹配性。

        基于主從區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)域能源交易系統(tǒng)具有匿名性、安全性、公開性的特點,即可以實現(xiàn)匿名的交易雙方互信、交易安全以及信息公開。圖1所示的區(qū)域能源交易架構(gòu)以區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)連接。該架構(gòu)有能源端、電網(wǎng)端、能源聚合商和用戶端4類主節(jié)點,節(jié)點之間通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)互相連接,形成多方點對點交易模式,多方協(xié)同,用能優(yōu)化互補,進而提高區(qū)域能源交易的效率和效益。

        圖1 基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易總體架構(gòu)

        分屬4類主節(jié)點的從鏈網(wǎng)絡(luò)具有如下功能:1)源端節(jié)點和能源聚合商節(jié)點下的從鏈網(wǎng)絡(luò)包括風(fēng)、火、光、儲等分節(jié)點,分節(jié)點間能源優(yōu)化互補,形成分節(jié)點間協(xié)同效果;2)電網(wǎng)節(jié)點下的從鏈網(wǎng)絡(luò)以能源調(diào)度為基礎(chǔ),同時開展能效分析、綜合監(jiān)測和用能服務(wù)等增值業(yè)務(wù);3)用戶端節(jié)點下的從鏈網(wǎng)絡(luò)包括工業(yè)、商業(yè)、一般用戶、電動汽車等分節(jié)點。

        上述各主節(jié)點和其擁有的分鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了交易公開、可信、安全的主從區(qū)塊鏈交易架構(gòu)。主鏈網(wǎng)絡(luò)通過聯(lián)盟鏈進行鏈上交易,信息公開互享,主節(jié)點下的從鏈網(wǎng)絡(luò)通過私有鏈進行鏈上交易。同時可以賦予政府監(jiān)管權(quán)限,即政府擁有對各主節(jié)點交易數(shù)據(jù)查看的權(quán)限,可以隨時查看并溯源。主鏈網(wǎng)絡(luò)上的各主節(jié)點擁有主鏈和從鏈網(wǎng)絡(luò)的管理員權(quán)限,如對主鏈和從鏈區(qū)塊的設(shè)定、發(fā)布交易需求、交易資產(chǎn)以及與交易網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(主、從節(jié)點)進行交互等功能。各主節(jié)點下的從鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點僅有在本從鏈網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)權(quán)限和向主鏈上傳從鏈內(nèi)容的權(quán)限。

        3 主從區(qū)塊鏈模型

        3.1 模型建立

        由前面分析可知區(qū)域電網(wǎng)下的交易涉及到多方交易,并不是傳統(tǒng)意義上區(qū)塊鏈點對點的單一交易模式,目前所研究的基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型并不適合所述的多方交易。因此,在研究聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)上,加入私有鏈,建立了采用多鏈形式的主從區(qū)塊鏈模型。這樣既能保證區(qū)塊鏈的安全互信和去中心化,也能進行多方交易,提升區(qū)塊鏈模型的高效和信任問題,同時也提高了區(qū)域能源交易的開放程度。

        如圖2所示的主從區(qū)塊鏈模型由兩部分組成:主鏈網(wǎng)絡(luò)和從鏈網(wǎng)絡(luò)。主鏈部分主要由源端、電網(wǎng)、用戶、能源聚合商等主節(jié)點以及交易過程中形成的關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點組成。主鏈節(jié)點主要記錄著用戶ID、交易設(shè)置、交易需求、交易資產(chǎn)和節(jié)點間的交互功能等關(guān)鍵信息。每個主鏈節(jié)點和關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點構(gòu)成了主鏈網(wǎng)絡(luò)。

        圖2 主從區(qū)塊鏈模型

        從鏈部分主要由功能節(jié)點和加密節(jié)點組成。功能節(jié)點是具有相應(yīng)功能的從鏈節(jié)點,如電網(wǎng)端的能效分析、綜合監(jiān)測等節(jié)點,加密節(jié)點主要為主從網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換提供安全保障。從鏈節(jié)點主要記錄用戶ID、能源額度、能源類型、地理位置、能源價格、加密數(shù)據(jù)等交易參數(shù)和加密參數(shù)。主鏈節(jié)點下的所有功能節(jié)點和加密節(jié)點構(gòu)成了從鏈網(wǎng)絡(luò)。

        3.2 安全性分析

        由于所采用的主從區(qū)塊鏈模型與單一類型的區(qū)塊鏈模型不同,單一類型的區(qū)塊鏈模型所具有的不可篡改性質(zhì),主從區(qū)塊鏈模型仍需具有。因此下面對所建模型進行安全性分析證明。

        假定在主從區(qū)塊鏈模型下,構(gòu)建主鏈區(qū)塊和從鏈區(qū)塊的共識算法中,拜占庭容錯節(jié)點不超過總節(jié)點一半,即

        i<(j+1)/2

        (1)

        式中:i為拜占庭容錯節(jié)點;j為節(jié)點總個數(shù)。

        由上述假設(shè)知,在區(qū)塊形成過程中,區(qū)塊總結(jié)點個數(shù)大于拜占庭節(jié)點數(shù),則某一時刻由拜占庭節(jié)點構(gòu)成的區(qū)塊可能性X為

        X=i/j

        (2)

        由式(1)可知,拜占庭節(jié)點產(chǎn)生無效區(qū)塊的可能性小于0.5,依據(jù)區(qū)塊生效原則,若要使得區(qū)塊生效,則該區(qū)塊需要成為前驅(qū)區(qū)塊并且高度增加。因此,無效區(qū)塊轉(zhuǎn)化為有效區(qū)塊的概率以0.5為底的指數(shù)增加,隨著數(shù)據(jù)的增加和鏈的增長,該概率趨向于0。

        由上述結(jié)論可知,任意時間內(nèi)由拜占庭節(jié)點產(chǎn)生的無效區(qū)塊轉(zhuǎn)化為有效區(qū)塊的概率趨向于0,同時,由于所述的主從多鏈模型具有哈希鏈接方法,改變一個區(qū)塊則需改變鏈接的所有區(qū)塊,由于區(qū)塊相互連接,需全網(wǎng)更改才會生效。因此可得如下結(jié)論:任意時間內(nèi),區(qū)塊具有不變性。

        綜上可知,所采用的主從區(qū)塊鏈模型,其任一區(qū)塊在任意時間內(nèi)具有不變性,即不可更改性,所以該模型具有安全性。

        3.3 交易流程

        產(chǎn)消者是生產(chǎn)者與消費者的一體化,在區(qū)域電網(wǎng)中,各方主體都是產(chǎn)消者。如電網(wǎng)公司不僅可以作為售電方,也可以在負荷過載的時候向源端電廠、能源聚合商以及用戶(擁有電動汽車、微網(wǎng)等電源的用戶)購電;水電廠不僅可以作為賣方,在枯水期也可以作為買方向電網(wǎng)公司、能源聚合商以及用戶購電。因此,各主體間都有可能作為買賣雙方并且存在互相交互的關(guān)系?;谥鲝膮^(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易流程如圖3所示。

        圖3 基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易流程

        當能源聚合商發(fā)出購電請求時,區(qū)域內(nèi)產(chǎn)消者通過查看智能計量裝置獲取內(nèi)部電量信息,若存在剩余電量會發(fā)出售電信息,此時能源聚合商會與此產(chǎn)消者進行交互,發(fā)出交易請求觸發(fā)智能合約程序,并投放到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,交易方根據(jù)得出的清算價格進行交易,并執(zhí)行合約內(nèi)容。交易完成后信息廣播到主鏈網(wǎng)絡(luò)和從鏈網(wǎng)絡(luò)中,最后詳細交易信息寫入各產(chǎn)消者對應(yīng)的從鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈中,同時關(guān)鍵信息記入各產(chǎn)消者對應(yīng)的主鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈中。

        3.4 智能合約設(shè)計

        使用Solidity語言設(shè)計和實現(xiàn)智能合約,對于適用多方交易的智能合約而言,應(yīng)當滿足市場交易的基本條件,即用戶可自愿發(fā)布及參與交易、匹配交易對象并自動結(jié)算與儲存交易信息。圖4所示為區(qū)域能源交易下的智能合約設(shè)計流程圖。

        圖4 區(qū)域能源交易下的智能合約設(shè)計流程

        1)選擇交易身份和申請交易。根據(jù)該區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)不同的交易主體選擇買賣方身份,確定本次交易的交易身份,然后選擇所需交易的能源類型,給出交易數(shù)量和期望的交易價格,發(fā)出交易請求。

        2)尋找可供交易合約。通過確認交易身份、交易能源類型和期望交易價格,尋找滿足上述條件的交易合約。在尋找可供交易合約時,會調(diào)用相關(guān)函數(shù),根據(jù)交易主體提供的基本信息進行排序,綜合分析各方能源類型、交易數(shù)量、交易價格等因素,完成匹配,確定可供交易合約。若不能完成匹配則返回交易價格和交易數(shù)量步驟,調(diào)整交易目標。

        3)檢測合約合法性。在尋找到可供交易的合約后,啟動區(qū)塊節(jié)點激活合約并檢查合約是否合法;若不合法,返回尋找可供交易合約步驟。

        4)達成交易意向。根據(jù)交易合約內(nèi)容,達成交易意向。

        5)確認意向和存儲交易信息。在完成交易之前給交易各方一個猶豫階段,是否確認交易,若確認交易,則完成轉(zhuǎn)賬;若放棄交易,則直接結(jié)束智能合約流程。最后,交易過程形成記錄存儲在從鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈中,供用戶調(diào)用查看。

        4 仿真測試

        為正確評估所設(shè)計的區(qū)域能源交易架構(gòu)、主從區(qū)塊鏈模型的高效性,以以太坊為智能合約發(fā)布平臺對交易進行仿真分析,同時運用文獻[16]的單一鏈模型與所采用的主從鏈模型進行對比分析。該交易平臺包括源端、電網(wǎng)端、用戶和能源聚合商4種類型的產(chǎn)消者,本次測試共有10名用戶,電網(wǎng)交易供需情況如表2所示。

        表2 電網(wǎng)交易市場供需初始情況

        從上述交易信息可以看到,在整個過程中,依次完成了6筆交易,成交最終結(jié)果如表3所示。成交量和成交價格按交易順序如圖5所示。

        表3 平臺交易結(jié)束后供需情況

        圖5 交易成交數(shù)量和成交價格

        隨著買方進入市場,低價的能源相繼售空,成交價逐漸升高。而成交量則根據(jù)買賣雙方的需求決定,逐次出清。同時,在這樣的供大于求的市場中,買方更擁有主動權(quán),買方進入市場后,系統(tǒng)會對當前賣方所有報價由低到高排序,依次與買方進行撮合,例如用戶1,以0.37元的價格求購,發(fā)布量為600 kWh,最終以0.36元成交300 kWh,以0.37元的價格成交300 kWh,即買方均以低于等于自身發(fā)布價的價格成交,當然,賣方成交價也不會低于自己的發(fā)布價,符合合約規(guī)則預(yù)期。同時,部分用戶報價過于偏離,沒能完全完成交易,例如用戶4在進入市場后,市場上滿足自身發(fā)布價的能源數(shù)量少于自身需求,故未能成交,其需求會繼續(xù)保存在市場,等待條件滿足后匹配交易。對于賣方用戶7來說,由于報價高于當前市場所有報價,故未能達成交易。

        在驗證了模型的可行性后,對使用單一鏈模型和主從鏈模型進行對比分析。由圖6可知,在進行的6次交易中,采用主從區(qū)塊鏈模型時,每次的交易時間都比單一鏈模型使用的時間短。同時,采用單一鏈模型下的總交易時間為0.28 ms,而所采用的主從區(qū)塊鏈下總交易時間為0.22 ms,交易效率提升了21.43%。由此說明了采用主從區(qū)塊鏈模型能有效提升區(qū)域能源交易的效率。

        圖6 兩種模型交易時間對比

        通過以上分析可知,整個交易過程按照設(shè)計的智能合約規(guī)則進行,根據(jù)市場供需關(guān)系,依次匹配,最終完成交易。由對比分析可知,主從鏈模型相比單一鏈模型能更快地完成交易,提高了區(qū)域交易的效率。在該區(qū)域能源交易平臺中,每次交易詳細信息計入各從鏈網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊中,區(qū)塊數(shù)據(jù)公開、安全,可供有權(quán)限用戶隨時調(diào)用,與單一鏈模型相比,使數(shù)據(jù)更安全且取用靈活。同時在保障各方利益的前提下,提高了交易效率和流程。

        5 結(jié) 語

        從區(qū)域電網(wǎng)多方交易的現(xiàn)實出發(fā),克服了區(qū)塊鏈P2P的單一交易模型,在聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)上,運用聯(lián)盟鏈+私有鏈的主從多鏈模型實現(xiàn)多方交易,得到如下成果:

        1)分析主從區(qū)塊鏈在區(qū)域能源交易中的可行性,得到了主從區(qū)塊鏈模型初步方案。

        2)從區(qū)域能源交易主體出發(fā),分析了主從區(qū)塊鏈在區(qū)域電網(wǎng)中的運用方法,考慮了各方主體的需求和交互作用,建立了基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易架構(gòu)。

        3)在交易架構(gòu)的基礎(chǔ)上,從交易流程、智能合約設(shè)計以及模型安全性分析3個方面,對主從區(qū)塊鏈模型進行詳細建模,得到了主從區(qū)塊鏈模型。同時通過仿真測試證明了所提架構(gòu)和模型的可行性。

        由于平臺計算性能的限制,所提的交易次數(shù)較少,不能很好地顯示出主從鏈模型的顯著優(yōu)勢,后面將優(yōu)化平臺性能進一步驗證分析主從鏈模型的高效性。

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