朱江峰，沈 祥，汪 磊，湯婧婧，陳 俊

（1.國(guó)網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.紹興建元電力集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312000；3.紹興大明電力建設(shè)有限公司科技分公司，浙江 紹興 312000；4.國(guó)網(wǎng)紹興供電公司越城供電分公司，浙江 紹興 312000）

我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源分布均呈現(xiàn)出不均衡的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)主要集中于東南沿海，而電力能源卻主要集中于中西部地區(qū)。跨區(qū)域的交易與調(diào)度，對(duì)國(guó)家的能源戰(zhàn)略具有重要的意義[1-2]。針對(duì)電力能源交易與調(diào)度問(wèn)題，文獻(xiàn)[3-4]提出虛擬電站（Virtual Power Plant，VPP）的概念，研究了分布式電力能源調(diào)度技術(shù)。文獻(xiàn)[5]提出將兩階段隨機(jī)排隊(duì)論應(yīng)用于區(qū)域電力能源系統(tǒng)規(guī)劃，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度策略。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6-8]提出能源互聯(lián)背景下區(qū)域廣義需求側(cè)資源接入模式，將能源調(diào)度與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合。

對(duì)于電力交易區(qū)塊鏈技術(shù)，文獻(xiàn)[9-11]提出基于拜占庭區(qū)塊鏈共識(shí)算法（Byzantine Fault Tolerance，BFT）實(shí)現(xiàn)電力資源總體調(diào)度優(yōu)化。而文獻(xiàn)[12-13]初步設(shè)計(jì)了基于PBFT 共識(shí)算法（Practical Byzantine Fault Tolerance）的區(qū)塊鏈交易架構(gòu)。文獻(xiàn)[14-15]則針對(duì)Raft 共識(shí)區(qū)塊鏈交易架構(gòu)展開了研究。現(xiàn)有研究主要針對(duì)區(qū)塊鏈交易架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在優(yōu)化共識(shí)算法、提高系統(tǒng)效率方面仍存在不足。

考慮到我國(guó)區(qū)域電力能源調(diào)度的實(shí)際需求，該文設(shè)計(jì)了云儲(chǔ)能區(qū)塊鏈交易模型，提出了改進(jìn)的共識(shí)優(yōu)化算法，該算法能夠準(zhǔn)確抑制惡意節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)處理能力，降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

1 系統(tǒng)模型

我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電力能源分布存在嚴(yán)重不匹配的特性。電力供需關(guān)系區(qū)域協(xié)調(diào)又受多種供需關(guān)系的制約，具體包括政策引導(dǎo)、制度建設(shè)、平臺(tái)支撐及安全保障四部分因素[16]。區(qū)域電力能源云儲(chǔ)能交易系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 區(qū)域電力能源云儲(chǔ)能交易系統(tǒng)架構(gòu)

電力控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，其與電力控制系統(tǒng)和電力云儲(chǔ)能交易中心進(jìn)行交互?？刂葡到y(tǒng)則主要負(fù)責(zé)接收電力基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)信息，實(shí)現(xiàn)電力與信息技術(shù)的融合，并完成電力調(diào)度基礎(chǔ)平臺(tái)的搭建。電力云儲(chǔ)能交易中心負(fù)責(zé)完成線上電力儲(chǔ)能單元的交易調(diào)度，并將交易信息與調(diào)度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，再由控制中心集中調(diào)度資源，進(jìn)而通過(guò)電力資源供給側(cè)傳輸至電力需求側(cè)[17]。

2 云儲(chǔ)能交易區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

電力云儲(chǔ)能交易中心的交易既要保證電力系統(tǒng)的安全性，又要考慮交易的便捷性，同時(shí)還需兼顧平臺(tái)的公信力。基于此，該文提出了基于區(qū)塊鏈的區(qū)域電力能源云儲(chǔ)能交易技術(shù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本技術(shù)，其具有去中心化及不可篡改的特性?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的電力能源交易總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 區(qū)塊鏈電力云儲(chǔ)能交易模型

該文采用的區(qū)塊鏈架構(gòu)如圖3 所示，主要分為業(yè)務(wù)層、中間件和開放許可鏈3 個(gè)模塊。其中，業(yè)務(wù)層包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)、HSM 服務(wù)與瀏覽器；中間件主要分為應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）、消息隊(duì)列與數(shù)據(jù)處理模塊；開放許可鏈則包括了通信模塊、共識(shí)模塊、加密驗(yàn)簽?zāi)K、智能合約及區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)賬本[18]。

圖3 區(qū)塊鏈電力云儲(chǔ)能交易技術(shù)架構(gòu)

該文所采用的區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示，區(qū)塊主要包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分，不同的區(qū)塊串聯(lián)在一起即可形成區(qū)塊鏈。

圖4 區(qū)塊鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu)

區(qū)塊頭主要是負(fù)責(zé)區(qū)塊之間的連接信息存儲(chǔ)，即存儲(chǔ)區(qū)塊號(hào)、區(qū)塊的父哈希散列值，該區(qū)塊的哈希散列值、時(shí)間戳、難度目標(biāo)及隨機(jī)數(shù)。區(qū)塊頭所存儲(chǔ)的信息用以保證區(qū)塊能夠有序接入?yún)^(qū)塊鏈中。區(qū)塊體中存儲(chǔ)著大量的交易信息，每一個(gè)區(qū)塊均是獨(dú)立的，且由于存儲(chǔ)參數(shù)與前后區(qū)塊具有關(guān)聯(lián)。因此可進(jìn)行溯源，也能保證區(qū)塊信息的不可篡改性。

3 區(qū)塊鏈云儲(chǔ)能交易共識(shí)技術(shù)

電力能源交易使用區(qū)塊鏈架構(gòu)，需保證整個(gè)交易數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可信度。因此，需使用合理、高效的共識(shí)算法來(lái)保證系統(tǒng)一致性、可用性與分區(qū)容忍性的生態(tài)均衡。該文在實(shí)用拜占庭算法的基礎(chǔ)上針對(duì)交易行為進(jìn)行評(píng)估，以進(jìn)一步抑制惡意節(jié)點(diǎn)，并減少算力的損失，使得系統(tǒng)能夠較快完成信息同步，進(jìn)而達(dá)成共識(shí)。基于交易信用評(píng)估的共識(shí)優(yōu)化算法流程，如圖5 所示。

圖5 共識(shí)優(yōu)化算法流程

文中定義電力能源交易的智能合約模型為：

式中，S表示電力供應(yīng)側(cè)集合，B表示需求側(cè)集合，CE表示交易區(qū)塊鏈，SC表示智能合約，μ表示T和CE之間的映射。T={tk|k∈S×B}表示交易集合，S×B表示笛卡爾積。

電力能源交易區(qū)塊鏈定義為：

其中，C0表示初始區(qū)塊鏈，Coa表示共識(shí)優(yōu)化算法。

該文提出的基于信用評(píng)估的共識(shí)優(yōu)化算法，針對(duì)電力能源交易的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，其指標(biāo)主要包括：

1）C1：電力能源調(diào)度信息的完整性，包括電力能源需求側(cè)與供給側(cè)的信息、用電量及單價(jià)等；

2）C2：電力能源供給側(cè)的信息真實(shí)性，驗(yàn)證供給側(cè)是否真實(shí)存在；

3）C3：電力能源交易時(shí)間的合理性，根據(jù)時(shí)間戳信息進(jìn)行校驗(yàn)；

4）C4：電力能源需求側(cè)的信息真實(shí)性；

5）C5：電力能源需求側(cè)資金充足性，可滿足支付所需電力資源；

6）C6：交易信息的隨機(jī)數(shù)匹配性。

綜上，電力能源交易的準(zhǔn)確性評(píng)估結(jié)果可表示為：

若交易無(wú)效，則說(shuō)明交易信息記錄有誤。此交易不合法，可能存在交易信息被惡意篡改的風(fēng)險(xiǎn)，故不應(yīng)進(jìn)行區(qū)塊鏈的信息同步。

其中，NK表示第K號(hào)區(qū)塊中的交易數(shù)量。

在電力交易區(qū)塊鏈中，節(jié)點(diǎn)收集交易信息，并計(jì)算符合區(qū)塊鏈哈希函數(shù)的隨機(jī)數(shù)解。該函數(shù)的解可表示為：

其中，M表示節(jié)點(diǎn)的Merkle 根，S表示節(jié)點(diǎn)正向解決的隨機(jī)數(shù)值，Ta為系統(tǒng)難度系數(shù)。

將正向求解的隨機(jī)數(shù)經(jīng)過(guò)哈希運(yùn)算后再進(jìn)行映射，映射區(qū)間為0～2n-1，則單次求解得到符合要求的隨機(jī)數(shù)概率為：

其中，n表示映射空間范圍，t表示難度系數(shù)，λ=2-t表示概率難度常數(shù)。

假設(shè)區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)算力相同，不同節(jié)點(diǎn)的交易信用值不同。區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)獲得交易記賬權(quán)，則節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功的概率可表示為：

式中，L表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

定義交易優(yōu)先權(quán)值為：

其中，c表示供電成本。信用值越高，交易優(yōu)先權(quán)越高，節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功的概率便越高。相應(yīng)的，信用值低的惡意節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功的概率也就越低。

4 仿真驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證所提算法的有效性，該文對(duì)比了所提算法與現(xiàn)有算法的系統(tǒng)響應(yīng)延遲與單鏈處理性能。此外，針對(duì)3 種算力下不同信用值節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈出塊速率也進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步說(shuō)明所提算法的有效性。

如表1 所示，3 種現(xiàn)有的共識(shí)算法中，BFT 算法和PBFT 平均響應(yīng)延遲大于2 s，吞吐量則均小于1 500 tps，因此算法性能無(wú)法滿足電力交易區(qū)塊鏈的需求。而RAFT 算法相對(duì)于其他兩種算法，平均響應(yīng)時(shí)間及吞吐量均有所提升，但均處于臨界狀態(tài)，且算法對(duì)于惡意節(jié)點(diǎn)的容錯(cuò)率較低。相對(duì)于現(xiàn)有算法，該文算法由于能對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序抑制，故可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而提高單鏈處理能力。

表1 不同算法的性能對(duì)比

如表2 所示，在相同算力條件下，信用值越高，區(qū)塊鏈的出塊速率越快。說(shuō)明所提算法可有效抑制惡意節(jié)點(diǎn)，且信用高的節(jié)點(diǎn)具有較高的優(yōu)先級(jí)。此外，在同一信用值下，對(duì)比不同算法條件，算力越高則區(qū)塊鏈出塊速率越快。而且，隨著算力的提升，信用值升高所帶來(lái)的出塊速率的提升幅度有所降低，說(shuō)明隨著系統(tǒng)算力的提高，惡意節(jié)點(diǎn)的影響也在降低。

表2 不同信用值條件下的區(qū)塊鏈出塊耗時(shí)

5 結(jié)束語(yǔ)

該文深入研究了基于區(qū)塊鏈的電力能源云儲(chǔ)能交易技術(shù)，設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈分布式交易架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了交易、調(diào)度、安全與監(jiān)督四維一體化的模塊設(shè)計(jì)。此外，文中還進(jìn)一步提出了基于交易信用評(píng)估的共識(shí)優(yōu)化算法，有效提高了系統(tǒng)效率和容錯(cuò)率。通過(guò)多維評(píng)價(jià)和信用排序，有效抑制了惡意節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)處理能力，降低了響應(yīng)延遲。后續(xù)工作可針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的高并發(fā)需求，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步地優(yōu)化。