廖會(huì)敏，張 敏，陳 煜，張 程，王建文

（1.國(guó)網(wǎng)電子商務(wù)有限公司，北京 100053；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司電力金融與電子商務(wù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

傳統(tǒng)的微電網(wǎng)電力交易體系往往采用中心化交易模式的資源集中配置方式，具有交易成本高、用戶(hù)隱私難以保障等缺點(diǎn)，且中心化交易模式導(dǎo)致微電網(wǎng)電力交易需要大量的第三方管理機(jī)構(gòu)來(lái)集中構(gòu)建和維護(hù)交易信用，產(chǎn)生了高昂運(yùn)維成本，難以快速有效推廣［1-3］。為了避免這種問(wèn)題，目前的微電網(wǎng)電力交易都會(huì)建設(shè)一個(gè)控制管理中心來(lái)統(tǒng)一對(duì)交易進(jìn)行決策，雖然該方式可以有效地處理現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用中的交易需求，但人力物力的成本較高，對(duì)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)性較差，而且容易存在單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障問(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，探索一種去中心化的微電網(wǎng)電力交易方式與模型顯得尤為重要，區(qū)塊鏈具有去中心化的特性，可以提高微電網(wǎng)電力交易過(guò)程中的可靠性、管理性和安全性［4-8］。在微電網(wǎng)電力交易中，交易主體的數(shù)量較為龐大，如果采用傳統(tǒng)的公有鏈方式，必然會(huì)導(dǎo)致交易速度慢、效率低，并且節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)海量的交易數(shù)據(jù)，這對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力也是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。所以，采用聯(lián)盟鏈［9］方式成為最優(yōu)選擇，電力聯(lián)盟區(qū)塊鏈的中心思想在于將節(jié)點(diǎn)分為全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)，全節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)全部信息，輕節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)自身相關(guān)信息，可以通過(guò)相關(guān)協(xié)議完成數(shù)據(jù)的交互。

區(qū)塊鏈的去中心化、開(kāi)放透明等特點(diǎn)與分布式新能源交易的需求高度吻合［10-12］，但區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)電力交易中存在數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，賬本的完全公開(kāi)導(dǎo)致任何一個(gè)非法入侵者都可以很容易地獲取賬本資源，從而得到交易信息。例如，攻擊者通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)處理收集到的交易信息，從而可以分析出交易者的關(guān)系［13-14］。目前，已存在一些區(qū)塊鏈交易中數(shù)據(jù)保護(hù)的方法能夠?qū)Σ糠止_(kāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏，增加攻擊者獲取數(shù)據(jù)的難度。文獻(xiàn)［15］借助區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)方式，降低隱私保護(hù)過(guò)程中的通信量；文獻(xiàn)［16］提出了基于拉格朗日乘法的能源區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)保護(hù)；文獻(xiàn)［17］提出了基于訪(fǎng)問(wèn)控制的能源數(shù)據(jù)保護(hù)方案。上述方法可以在某種程度上對(duì)數(shù)據(jù)的隱私進(jìn)行保護(hù)，但其對(duì)交易的效率有較大的影響。

提出一種聯(lián)盟區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易模型，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的安全高效的微電網(wǎng)電力交易方案，通過(guò)分布式一對(duì)多的方式，選用不活躍用戶(hù)進(jìn)行微電網(wǎng)電力交易，有效地防護(hù)賬戶(hù)數(shù)據(jù)被惡意竊取，采用區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制使得節(jié)點(diǎn)聚合商之間進(jìn)行共識(shí)，極大地提高了微電網(wǎng)電力交易中數(shù)據(jù)交互的效率。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，共識(shí)機(jī)制，加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的創(chuàng)新應(yīng)用模式。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅植际胶怂愫痛鎯?chǔ)，不存在中心化的硬件或管理機(jī)構(gòu)，任意節(jié)點(diǎn)的權(quán)利和義務(wù)都是均等的，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊由整個(gè)系統(tǒng)中具有維護(hù)功能的節(jié)點(diǎn)來(lái)共同維護(hù)，具有去中心化的特點(diǎn)；區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)密碼算法、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的保護(hù)，使得對(duì)數(shù)據(jù)的改動(dòng)可以通過(guò)數(shù)學(xué)算法迅速甄別，能有效防止對(duì)數(shù)據(jù)信息的篡改，同時(shí)分布式存儲(chǔ)和共識(shí)算法保證對(duì)單點(diǎn)的修改無(wú)效。區(qū)塊鏈智能合約是在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，可以在滿(mǎn)足其源代碼中寫(xiě)入的條件時(shí)自行執(zhí)行。

根據(jù)分類(lèi)原則的不同，區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈中的所有節(jié)點(diǎn)權(quán)限和等級(jí)平等，任何人或團(tuán)體都可以參與該鏈進(jìn)行交易，系統(tǒng)全面開(kāi)發(fā)，完全去中心化，不受機(jī)構(gòu)控制；私有鏈強(qiáng)調(diào)私密，也就是寫(xiě)入權(quán)限在一個(gè)組織機(jī)構(gòu)和單位手中，主要用于大型機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，由機(jī)構(gòu)進(jìn)行中心化的控制，但不同分布和分支機(jī)構(gòu)之間是去中心化、協(xié)同協(xié)作的；聯(lián)盟鏈?zhǔn)墙橛诠墟満退接墟溨g的一種系統(tǒng)形態(tài)，它往往由多個(gè)中心控制，聯(lián)盟鏈中的成員各自運(yùn)行著一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)指允許系統(tǒng)內(nèi)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行讀取和交易，并且共同記錄交易數(shù)據(jù)。

2 聯(lián)盟區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易模型

微電網(wǎng)電力交易系統(tǒng)采用聯(lián)盟鏈方式，其交易模型主要包括交易中心、節(jié)點(diǎn)聚合商［18］、交易者三個(gè)部分，模型如圖1所示。

圖1 交易網(wǎng)絡(luò)模型

在實(shí)施微電網(wǎng)電力交易時(shí)，交易者可以根據(jù)自己的實(shí)際需求確定自己的狀態(tài)，如買(mǎi)入能源或賣(mài)出能源［19］。節(jié)點(diǎn)聚合商作為一種中間媒介而存在，它可以存儲(chǔ)完整的交易數(shù)據(jù)，并且為其包含的節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)通信和電力的支持。在交易過(guò)程中，任何一個(gè)需要買(mǎi)入或賣(mài)出的交易者都需要向其對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)出能源買(mǎi)入或賣(mài)出請(qǐng)求，而節(jié)點(diǎn)聚合商會(huì)對(duì)這些請(qǐng)求進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證完成后向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)聚合商廣播交易數(shù)據(jù)，以便在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行交易需求的匹配。交易中心則是對(duì)買(mǎi)入和賣(mài)出的主體進(jìn)行授權(quán)，以及對(duì)買(mǎi)入賣(mài)出的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督。

在交易過(guò)程中，所有的交易數(shù)據(jù)都具有節(jié)點(diǎn)聚合商的數(shù)字簽名［20］。如果有非法入侵者對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行惡意修改，交易中心可以發(fā)現(xiàn)并精確定位，同時(shí)該次交易會(huì)被整個(gè)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)定為非法交易，從而有效地保證交易數(shù)據(jù)的安全性。

一個(gè)完整的交易可以分為如下過(guò)程。

1）用戶(hù)注冊(cè)。以聯(lián)盟區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)的交易系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)聚合商主要由交易服務(wù)器組成，所有的交易進(jìn)行之前，交易者都需要在交易中心進(jìn)行注冊(cè)，只有注冊(cè)完成后，交易者才能在節(jié)點(diǎn)聚合商中進(jìn)行交易。

2）用戶(hù)交易。交易者根據(jù)自身的情況來(lái)選擇是賣(mài)出能源還是買(mǎi)入能源，節(jié)點(diǎn)聚合商根據(jù)交易者的買(mǎi)賣(mài)需求，在全網(wǎng)范圍內(nèi)根據(jù)智能合約進(jìn)行智能匹配。

3）交易驗(yàn)證。交易驗(yàn)證也可以被認(rèn)為是一個(gè)“共識(shí)”的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。即每筆交易都需要在全網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)聚合商中進(jìn)行廣播。

3 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易設(shè)計(jì)

將節(jié)點(diǎn)聚合商分為兩個(gè)部分，即交易服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器。交易服務(wù)器主要用于交易用戶(hù)的匹配、交易的進(jìn)行和完成，并且其還需要支持代幣業(yè)務(wù)（類(lèi)似于比特幣）和代幣兌換業(yè)務(wù)，存儲(chǔ)服務(wù)器用來(lái)記錄每一筆交易的完整信息，詳細(xì)的交易過(guò)程如圖2所示。

圖2 交易過(guò)程

基于區(qū)塊鏈的安全高效微電網(wǎng)電力交易體系可以分為用戶(hù)注冊(cè)、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)設(shè)計(jì)和共識(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

3.1 用戶(hù)注冊(cè)

用戶(hù)注冊(cè)時(shí)，用戶(hù)需要向監(jiān)管中心提供自己的身份信息，監(jiān)管中心根據(jù)用戶(hù)的信息生成公鑰和私鑰，用戶(hù)在監(jiān)管中心注冊(cè)完成以后，該用戶(hù)就是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)合法用戶(hù)。合法用戶(hù)交易之前，還需要將自己的賬戶(hù)上傳到節(jié)點(diǎn)聚合商中，并且從節(jié)點(diǎn)聚合商中下載最新的用戶(hù)以及數(shù)據(jù)，由于節(jié)點(diǎn)聚合商已經(jīng)保存了網(wǎng)絡(luò)中所有的區(qū)塊信息，所以在微電網(wǎng)電力交易時(shí)，只需要驗(yàn)證區(qū)塊的頭部數(shù)據(jù)，便可以完成交易，這大大減少了用戶(hù)需要存儲(chǔ)的信息，節(jié)約了大量的存儲(chǔ)資源，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率。

3.2 數(shù)據(jù)隱私保護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)一對(duì)多的方式來(lái)對(duì)微電網(wǎng)電力交易數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護(hù)。具體過(guò)程如圖3所示。

圖3 賬戶(hù)的一對(duì)多

通過(guò)賬戶(hù)一對(duì)多的方式，可以在每一次交易時(shí)創(chuàng)建新的賬戶(hù)，以此來(lái)保護(hù)能源買(mǎi)家和能源賣(mài)家的信息。用一個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)數(shù)B來(lái)確定是否需要重新建立用戶(hù)，當(dāng)賣(mài)家所需的代幣數(shù)量小于B時(shí)，則不需要?jiǎng)?chuàng)建新賬戶(hù)，反之則需要。如果采用傳統(tǒng)的單一隨機(jī)數(shù)控制模式，雖然可以在一定程度上對(duì)攻擊進(jìn)行防御，但對(duì)數(shù)據(jù)挖掘算法的攻擊卻無(wú)能為力，攻擊者可以根據(jù)售電量、交易量等信息，推測(cè)出賬戶(hù)與隨機(jī)數(shù)的關(guān)系，從而竊取數(shù)據(jù)，所以采用函數(shù)T進(jìn)行預(yù)測(cè)，公式為

式中：vi為賣(mài)家si的第i筆交易的交易量；e1為交易vi的交易量所占的比重；e2為前i-1 筆交易的交易量所占的比重。

可以定義兩種模式，即新建賬戶(hù)交易模式(Mt)和原賬戶(hù)交易模式（Mf），用函數(shù)f（si，vi，Mt）來(lái)表示賣(mài)家si的第i筆微電網(wǎng)電力交易選取的交易模式為Mt。在Mt模式選取時(shí)，攻擊者可以根據(jù)用戶(hù)所持賬戶(hù)的關(guān)系圖譜，來(lái)竊取賬戶(hù)信息，但是如果可以根據(jù)賬戶(hù)的活躍優(yōu)先級(jí)來(lái)確定交易賬戶(hù)，就可以避免這個(gè)問(wèn)題。

3.3 共識(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)

在微電網(wǎng)電力交易前，節(jié)點(diǎn)聚合商的交易服務(wù)器會(huì)為賣(mài)家選定交易賬戶(hù)和錢(qián)包，然后向全網(wǎng)廣播交易信息，以尋求能源買(mǎi)家。待交易的能源買(mǎi)家和能源賣(mài)家匹配完成后，節(jié)點(diǎn)聚合商出具合約，能源買(mǎi)家向錢(qián)包支付代幣，并將交易信息發(fā)送給能源賣(mài)家，賣(mài)方驗(yàn)證完成后上傳交易信息至節(jié)點(diǎn)聚合商存儲(chǔ)。

一個(gè)交易信息的共識(shí)機(jī)制可以分為三部分。

1）節(jié)點(diǎn)聚合商對(duì)微電網(wǎng)電力交易信息進(jìn)行加密，然后創(chuàng)建一個(gè)新的區(qū)塊，并將微電網(wǎng)電力交易信息記錄在該區(qū)塊中，該區(qū)塊的哈希值由隨機(jī)數(shù)、時(shí)間戳、交易信息、前一區(qū)塊哈希值共同確定。

2）記賬節(jié)點(diǎn)將區(qū)塊數(shù)據(jù)、隨機(jī)數(shù)、時(shí)間戳、打包后在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行廣播，其他節(jié)點(diǎn)聚合商在收到交易信息后進(jìn)行驗(yàn)證。

3）記賬節(jié)點(diǎn)對(duì)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確認(rèn)，并將統(tǒng)計(jì)確認(rèn)結(jié)果下發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合商。

以上過(guò)程完成了一個(gè)微電網(wǎng)電力交易信息的共識(shí)機(jī)制，這種方式只需要在節(jié)點(diǎn)聚合商之間進(jìn)行共識(shí)，極大地提高了微電網(wǎng)電力交易中數(shù)據(jù)交互的效率。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

采用智能電表和光伏發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)來(lái)源，采用Fabric超級(jí)賬本來(lái)建立仿真平臺(tái)。

4.1 交易分析

在一個(gè)模型仿真中，在買(mǎi)方和賣(mài)方選取50 組相鄰用戶(hù)，為賣(mài)家創(chuàng)建14個(gè)賬戶(hù)，其中10個(gè)為新賬戶(hù)，4個(gè)為老賬戶(hù)，如圖4所示。

在另一個(gè)模型仿真中，在買(mǎi)方和賣(mài)方選取100組相鄰用戶(hù)，為賣(mài)家創(chuàng)建45 個(gè)賬戶(hù)，其中38 個(gè)為新賬戶(hù)，7個(gè)為老賬戶(hù)，如圖5所示。

根據(jù)上述分析可以看出，使用新賬戶(hù)進(jìn)行交易，可以有效地對(duì)相鄰的賬戶(hù)分布進(jìn)行隱藏，并且某一些新創(chuàng)建的賬戶(hù)交易量為0，這也為非法入侵者的數(shù)據(jù)竊取設(shè)置了障礙，總的來(lái)說(shuō)，該種方式可以對(duì)賬戶(hù)的分布信息進(jìn)行隱藏，有效地提高了數(shù)據(jù)的安全性。

圖4 50組相鄰用戶(hù)的買(mǎi)賣(mài)分布

圖5 100組相鄰用戶(hù)的買(mǎi)賣(mài)分布

4.2 效率分析

以比特幣的交易為例，其完成一次交易的時(shí)間約為60 min。在一個(gè)模型仿真中，設(shè)定每小時(shí)的交易次數(shù)分別為1、2、3、4、5 次，選取40 個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合商，統(tǒng)計(jì)4 h 內(nèi)交易所花費(fèi)時(shí)間的情況，結(jié)果如圖6所示。

與比特幣交易相比，所提出模型的交易時(shí)間明顯縮短，交易效率大大提高，這是由于共識(shí)過(guò)程均由節(jié)點(diǎn)聚合商完成。

圖6 交易效率統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈作為一種新興的技術(shù)方案，已經(jīng)被應(yīng)用到了很多的場(chǎng)景當(dāng)中。其被應(yīng)用在微電網(wǎng)電力交易中，雖然可以實(shí)時(shí)獲得交易數(shù)據(jù)，但是其交易數(shù)據(jù)的安全性以及交易效率還有很高的提高空間。提出了一種安全高效的能源區(qū)塊鏈交易模型，通過(guò)試驗(yàn)分析，與傳統(tǒng)的交易方式相比，該模型具有較好的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)性和較高的交易效率。